Écluse

Pour les articles homonymes, voir L'Écluse.

La porte à flots ; une écluse rudimentaire (Ici sur l'Aure Isigny, Normandie, France)

Écluse François I^er, port du Havre, Seine-Maritime

Écluse de Grave, Pays-Bas

Modèle réduit d'écluse avec « portes à relevage »

écluse de bois avec « portes busquées », sur petit canal

Péniche dans le sas de l'écluse de l'Aiguille, Canal du Midi

Camden Lock, une double écluse sur le Regent's Canal à Camden Town (Grand Londres, Royaume-Uni)

Kleve-Wardhausen, Allemagne

Une écluse est un ouvrage d'art hydraulique implanté dans un canal ou un cours d'eau pour le rendre navigable et permettre aux bateaux de franchir des dénivellations. L'écluse comprend un sas dans lequel on peut faire varier le niveau de l'eau. Il est isolé des biefs amont et aval par des portes souvent munies de vannes appelées « ventelles ».

Une écluse moderne comprend les éléments architecturaux suivants :

• Deux ports d'attente, estacades ou duc-d'Albe (aval et amont) ;
• Deux plateaux (rive droite et rive gauche) munis d'organes d'amarrage (bollards) ;
• Deux bajoyers (rive droite, rive gauche) éventuellement équipés de bollards flottants
• Le radier qui constitue le fond de l'écluse ;
• Deux portes (amont et aval), les portes et les bajoyers encadrant le sas ;
• Les aqueducs ou tambours ou encore tunnels de fuite (pour vidanger ou remplir l'écluse) ;
• Les infrastructures annexes et systèmes liés au fonctionnement de l'écluse (électricité, éclairage, local de contrôle et commande, télécommunication ; cric de ventelle et de porte sur une écluse manuelle).
• Si l'écluse est sur une rivière navigable, elle est accouplée à un barrage mobile, celui-ci pouvant être équipé d'une centrale hydroélectrique.

Histoire

À l'origine (Moyen Âge, Renaissance), le mot « écluse » désigne un vannage simple (latin Aqua exclusa : eau séparée, du latin classique excludere : séparer, fermer le passage à quelque chose - qui a donné le verbe français exclure). Le mot apparaît en français sous la forme "escluse" au XI^e siècle.

S'il s'agit d'un ouvrage de navigation, cela est alors précisé « écluse de navigation », c’est-à-dire en fait un pertuis. C'est en rapprochant progressivement deux pertuis encadrant un bassin qui deviendra le sas que l'on évoluera vers l'écluse, par l'étape intermédiaire du bassin à portes marinières. Ceci se passe pendant les XV^e et XVI^e siècles. Ce peut être l'œuvre empirique de meuniers futés cherchant un moyen d'économiser l'eau perdue à chaque passage de bateau dans une porte marinière (un pertuis) simple.

Origine en Chine et aux Pays-Bas

Une première écluse à sas est citée en Chine, en 948, où Ch'iao Wei Yo avait créé sur le Grand Canal, à la place d'un plan incliné de 75 m de long, un sas fermé de deux portes mobiles^[1].

Certains auteurs donnent la première application en Europe d'une écluse à sas, avec doubles portes en bois non busquées, à Spaarndam, aux Pays-Bas, en 1285, construite à l'initiative de Florent V de Hollande^[2].

Écluses à sas à portes busquées en Italie

Contrairement à une idée largement répandue, Léonard de Vinci n'est pas l'inventeur de l'écluse à sas même s'il a beaucoup travaillé sur la question et a même conçu des canaux. Le principe du sas à niveau variable existait avant lui, de même que vraisemblablement celui des portes dites « busquées » qui forment un angle pointé vers l'amont de manière à résister à la pression de l'eau selon un principe proche de celui de la voûte, mais appliqué à l'horizontale. On est passé graduellement du pertuis archaïque, dangereux et très consommateur d'eau, à l'écluse « moderne » par l'étape intermédiaire du bassin à portes marinières ou « paléo-écluse » qui consiste en un vaste bassin servant de sas, encadré en amont et en aval par des pertuis. Léonard de Vinci a vraisemblablement mis la touche finale à cet ouvrage en préconisant la forme rectangulaire que nous lui connaissons généralement.

Les noms de nombreux ingénieurs de la Renaissance, surtout italiens, sont associés à cette invention progressive de l'écluse à sas : Bertolo da silva, Fiorivantiti da Bolognaise, et bien sûr Léonard de Vinci qui, s'il n'a pas inventé l'écluse au sens propre, lui a mis sa touche finale en y apportant les derniers perfectionnements, comme par exemple un petit volet placé au bas de la porte qui permet un flux d'eau suffisant pour équilibrer la pression sur les deux vantaux et en faciliter l'ouverture, préfigurant les futures « vannes papillon ».

Développements

Les ingénieurs hollandais ne sont pas en reste non plus, mais leurs noms ne nous sont pas parvenus.

Par la suite, on ne cessera de perfectionner le système, mais le principe reste le même. On emploiera parfois, au lieu des portes busquées traditionnelles, des portes à guillotines ou des portes dites « secteur », ou encore des clapets plongeants.

Jusqu'à la fin du XIX^e siècle, la chute maximale des écluses ne dépasse guère 4 m, car le système de vannes plates ne fonctionne plus sous une pression trop forte. C'est l'invention de la vanne cylindrique par l'ingénieur Moraillon à la fin de ce XIX^e siècle qui va permettre la construction d'écluses de haute chute dépassant 5 m : sur un cylindre vertical, les pressions s'annulent, et l'on n'a aucun mal à lever une telle vanne.

Quelques records

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En France, au gabarit Freycinet, les écluses de plus hautes chutes sont :

1. Réchicourt-le-Château, sur le Canal de la Marne au Rhin (dans le département de la Moselle), avec 15,70 m. ;
2. Crissey, sur le Canal du Centre (au nord de Chalon/Saône), avec 10,50 m. ;
3. Les écluses amont de Chautagne et Belley, sur le haut Rhone, avec 10 m chacune ;
4. Flandres, sur le Canal Saint-Denis (à côté de la cité de la Villette à Paris), avec 9,80 m. ;
5. Bourg-le-Comte, sur le Canal de Roanne à Digoin, avec 7,19 m. ;
6. Bayard, sur le Canal du Midi (devant la Gare Matabiau à Toulouse) et Béziers (juste après le pont-canal), avec 6,20 m. ;
7. Artaix et Chassenard, encore sur le Canal de Roanne à Digoin, avec 6 m. chacune ;
8. Laroche et Germigny, sur le Canal de Bourgogne, avec 5,50 m. chacune ;
9. Saverne sur le Canal de la Marne au Rhin, avec 5,43 m. ;
10. Heuilley-Cotton sur le Canal de la Marne à la Saône avec 5,23 m. ;
11. Plusieurs écluses du Canal du Centre, avec 5,20 m., et plusieurs du Canal de Briare, avec 5 m. ;
12. La récemment réhabilitée (20 septembre 2007) écluse de descente en Loire d'Orléans, au bout du canal d'Orléans, avec une chute variable selon le niveau de la Loire, mais supérieure à 5 m.

Sur le Canal du Midi, à proximité de Béziers, l'écluse octuple de Fonséranes permet le franchissement d'un dénivelé de 21,50 mètres sur 300 mètres de long, mais son sas inférieur est hors-service, et on entre directement dans son 2^e sas qui est en niveau haut constant (il n'est que le prolongement du bief du pont-canal de Béziers). C'est-à-dire qu'aujourd'hui cet ouvrage ne rattrape plus qu'une chute de l'ordre de 16 m.

Sur le Canal de Briare, le modèle de Fonséranes, l'écluse septuple de Rogny, rattrapait une chute de 24 mètres sur un peu plus de 220 mètres de longueur.

En grand gabarit, les plus hautes écluses de France se trouvent sur le Rhône, la plus haute étant Saint-Pierre (Bollène) avec 23 m. À sa mise en service (1953), elle était la plus haute du monde. Citons également l'écluse d'Arques, sur le Canal de Neufossé (dans le département du Pas-de-Calais), avec plus de 13 mètres de dénivellé, qui remplace l'ascenseur à bateaux des Fontinettes.

En gabarit inférieur à Freycinet, on peut citer deux écluses récentes sur le Lot : Castelmoron (10 m.) et Villeneuve (13 m.).

Dans le monde, les plus hautes écluses sont celle d'Oskemen au Kazakhstan, avec 42 mètres de hauteur et l'écluse amont de l'échelle d'écluses du Barrage des Trois Gorges, avec une hauteur similaire. On notera également l'écluse de Zaporoje, sur le Dniepr, qui atteint 37 mètres, et celle de Carapatello, sur le Douro, qui atteint 34 mètres.

En revanche, en France, les écluses de plus faible chute se trouvent dans le Marais Poitevin où certaines ne dépassent guère 20 cm., et sur le Canal de l'Ourcq, où elle tournent autour de 50 cm.

A noter, également, qu'en matière de profondeur, l'écluse détenant le record mondial est l'écluse François Premier au Havre (voir photo plus haut), accusant un radier à 48 mètres.

Technique

Les écluses sont des équipements qui doivent être régulièrement entretenus.
On voit ici le grand bief de l'écluse N°5 du Canal Saint-Denis, pendant son chômage de l'hiver 2008-2009

Dans le cas des fleuves ou rivières navigables, les écluses sont implantées au droit d'un barrage qui crée un plan d'eau en amont. L'ensemble s'appelle un « barrage éclusé ». On en trouve couramment sur la Seine, l'Yonne, la Marne, l'Oise, le Cher, le Lot, le Tarn, la Mayenne, la Sarthe, la Seille, etc.

Le franchissement d'une écluse est une opération dont la durée varie avec la conception de l'ouvrage, et pas seulement en fonction de sa hauteur ou de son volume d'eau nécessaire (la « bassinée »). Il faut équilibrer les niveaux d'eau avec un bief puis avec l'autre, en transférant à chaque fois une masse d'eau du bief amont vers le bief aval, correspondant au volume de la bassinée (soit un parallélépipède rectangle (longueur du sas × largeur du sas × hauteur de chute). Cela suppose dans le cas d'un canal une alimentation en eau proportionnée à l'intensité de la navigation. La dénivellation franchissable par une écluse est limitée à 25 m environ. Au-delà il faut créer une série d'écluses en chaîne, ce qui complique encore le passage. On en connaît cependant qui dépassent les 30 m de chute : Carapatello sur le Douro au Portugal : 34 m, et Zaporoje sur le Dniepr : 37 m.

Système d'écluses « en escalier » à Caen Hill (Devizes), sur le canal Kenneth-and-Avon, dans le sud de l'Angleterre. Il y a ici 16 écluses séparées par de très courts biefs pour permettre le croisement des bateaux.

On trouve également des écluses à l'entrée de certains ports soumis à la marée. L'écluse sert à garder une profondeur d'eau constante dans le bassin même à marée basse. Les horaires d'ouverture sont indiqués par rapport aux horaires de marée dans les instructions nautiques. Les jours de faibles coefficients, certains petits ports n'ouvrent pas l'écluse de la journée car, même à marée haute, le niveau d'eau à l'extérieur est trop faible pour la faire fonctionner correctement.

Située dans le port d'Anvers, en Belgique, l'écluse de Berendrecht est la plus grande de la planète : 500 mètres de long, 68 m de large et 18 m de profondeur. Avant elle, les écluses du port d'Anvers « Kruisschans », « Baudouin », « Zandvliet » furent successivement les plus grandes du monde.

En revanche, la plus petite (qui ne soit pas une maquette) est peut-être en France, dans le Marais Poitevin, à Maillé au lieu-dit l'Aqueduc. Elle mesure 7 m sur 3, et sa chute oscille entre 0 et 30 cm selon le niveau de la rivière sur laquelle elle se trouve, la Jeune Autize...

Évolution dans la construction

Écluse à porte à relevage (dites « à guillotine »)

Porte à relevage sur le « Plan incliné de Saint-Louis-Arzviller » en Lorraine

C’est la première écluse à sas connue à ce jour, c’est-à-dire une portion de canal fermé par deux portes, qui présente l’avantage de nécessiter qu’une petite quantité d’eau par rapport au pertuis. C’est en 983, qu’un ingénieur chinois du nom de Chhaio Wei-yo construisit le premier sas doté d'une porte à relevage à ses deux extrémités.

L’inconvénient était que ces portes plates n’étaient facilement manœuvrables que pour les hauteurs d’eau assez faibles à cause de la pression exercée sur elles.

En 1438, en Europe, deux ingénieurs italiens, Filippo Degli Organi et Fiorivanti di Bologna, créent la première écluse à sas sur le Naviglio Grande (via Arena), un des canaux de Milan.

Ce système est toujours utilisé, notamment pour les portes aval des écluses de haute chute comme sur le Rhône, ou celle de Crissey sur le canal du Centre ou sur les écluses du Plan incliné de Saint-Louis-Arzviller. On les appelle aussi « portes à guillotine ».

Écluse à portes busquées et écluse à ventelles

1=Porte ou vantail, 2=glissière 3=Vannelle ou vantelle

Dessin de Léonard de Vinci (portes busquées et ventelles- (Codice Atlantico. f. 240r.-c)

Pour pallier la pression exercée sur les portes, alors perpendiculaires au flux, en 1460 on inventa les portes dites busquées, c’est-à-dire que, une fois fermées, l’angle qu’elles forment s’oppose au flux de l’eau dont la pression assure la fermeture et l’étanchéité.

L'invention du système de manœuvre et des petits volets à verrou placés au bas des portes qui permettent le passage de l'eau du bief au sas ou inversement pour équilibrer la pression sur les deux battants ou vantaux, et en faciliter l’ouverture est attribuée à Léonard de Vinci (voir figure de droite : selon le Codice Atlantico, f. 240 r- c. de l'études pour l’écluse de San Marco à Milan). Ces petits volets deviendront par la suite les ventelles (d'où le nom d'écluse à ventelles^[3]), c'est-à-dire des vannes coulissant verticalement. Un dessin de la main de Léonard (musée du Clos Lucé à Amboise) semble accréditer cette thèse.

En 1458, l'ingénieur du duc de Milan, Bertola da Novate, construit le canal de Bereguardo avec ces premières écluses modernes.

En France, cette invention fut mise en œuvre, pour la première fois semble-t-il, par un ingénieur italien dont le nom n'a pas été conservé (peut-être s'agit-il du même Bertola da Novate), sur l'Yèvre au début du XVI^e siècle. Il fut repris et amélioré dès 1605 par Hugues Cosnier, sur le Canal de Briare (Hugues Cosnier fut aussi l'inventeur de l'écluse multiple). Hugues Cosnier substituera aussi aux ventelles dans les portes un système d'aqueducs dans les maçonneries, les « tambours », toujours obturé par des vannes, qui permettent un afflux d'eau plus important et mieux réparti. En revanche, cela coûte plus cher à la construction. Cosnier a vu ce système appliqué avec succès en Belgique.

Les portes busquées sont si efficaces qu'elles sont encore très courantes dans tous les canaux du monde, et notamment sur les canaux de France.

Écluse à portes pivotantes ou « portes secteur »

Ce type de porte a des vantaux dont la courbure de l’extrados annule la pression de l’eau. C’est la même architecture que les battants des barrages mobiles à axe vertical. Ce système, qui semble avoir été expérimenté pour la première fois sur les pertuis des petits canaux de la haute Seine au XVIII^e siècle, se nomme « portes secteur ». C'est ce principe qui régit les portes du barrage de Maeslantkering en Hollande (Barrages mobiles à battant).

Diverses formes d’écluses

A=écluse ovale, B=écluse droite. 1=portes pivotantes, 2=portes busquées

Écluses ovales

Les premières écluses concaves fabriquées en bois avaient une durée de vie assez limitée. En 1548, l'ingénieur italien Jacopo Barozzi da Vignola dit le Vignole, appelé pour améliorer la navigation sur les canaux de Bologne, remplaça ces écluses en bois par des écluses maçonnées en pierre de forme concave pour résister à la pression du terrain. Cette forme avait en plus l'avantage d'accueillir plusieurs embarcations.

Un siècle plus tard, cette disposition a été préconisée et appliquée notamment par Pierre-Paul Riquet pour son canal du Midi, et reprise pour le Lez. À l'étranger, on trouve des écluses à sas ovale en Scandinavie, en Angleterre, en Espagne, en Italie...

Écluses rectangulaires

L’emploi du béton armé permet la construction d’écluses à parois parallèles, offrant une meilleure résistance à la poussée du terrain. La mise en œuvre et l’entretien s’en trouvent simplifiés. Mais avant l'emploi du béton, la forme rectangulaire avait été adoptée pour la grande majorité des sas, et ce depuis Hugues Cosnier sur le canal de Briare, au cours de la première moitié du XVII^e siècle.

Écluse ronde d’Agde

Plan de l'écluse ronde d'Agde réalisé par Pierre-Paul Riquet

Construite par Pierre-Paul Riquet de 1679 à 1680, cette écluse est unique au monde: son sas a la particularité d’avoir trois portes et, par une simple rotation, permet au bateau de choisir entre trois directions (l’Hérault, le canal maritime ou le canal du Midi).

Dans les années 70, les travaux de mise aux normes ont modifié l’aspect de l’ouvrage.

Écluse ronde des Lorrains

Cette autre écluse ronde appartient au canal Latéral à la Loire. Elle est située à l'origine de l'embranchement d'Apremont-sur-Allier, qui sert de prise d'eau dans l'Allier pour alimenter le canal depuis le Guétin jusqu'à Briare. Elle a été construite de 1835 à 1841 et mesure 32 m de diamètre. En plus de son rôle alimentaire, elle servait autrefois d'entrée sur le réseau des canaux aux bateaux construits au Veurdre, un peu en amont sur l'Allier. Elle ne conserve de nos jours plus que son rôle alimentaire. Sa forme circulaire a été dictée par la nécessité d'orienter son entrée en rivière vers l'aval afin d'en éviter l'ensablement. Les bateaux effectuaient une rotation presque complète dans le sas, l'entrée et la sortie étant quasiment côte à côte.

D'autres systèmes

Pour franchir les dénivellations importantes, on a également conçu d'autres dispositifs :

• les ascenseurs à bateaux. Par exemple, en Belgique, sur le canal du Centre, l'ascenseur funiculaire géant de Strépy-Thieu, inauguré en 2002, permet de franchir une dénivellation de 73 m.

Ascenseur funiculaire de Strépy-Thieu, Hainaut, Belgique

• la roue de Falkirk en Écosse, au Royaume-Uni, unique en son genre.

• les plans inclinés qui ont vu le jour en Angleterre dès la fin du XVIII^e siècle. Le bateau peut y être transporté soit à sec (Elblag en Pologne, Krasnoïarsk en Russie), soit dans un bac plein d'eau (Ronquières en Belgique, Plan incliné de Saint-Louis-Arzviller en France). Le plan incliné de Krasnoïarsk sur le Ienisseï est le plus haut avec une chute d'environ 100 m.

• les pentes d'eau dont on connaît seulement deux concrétisations : à Montech sur le Canal de Garonne (1975), et à Fontséranes sur le Canal du Midi (1985).

Écluses et environnement

Phénomène de pollution lumineuse, qui pourrait être réduit par un asservissement de l'éclairage aux besoins et aux conditions météorologiques

Sans nier les nombreux avantages environnementaux du transport par péniches, on peut admettre que les écluses contribuent à quelques problèmes environnementaux :

• Artificialisation des cours d'eau (si elles augmentent localement l'oxygénation, elles contribuent à remettre en suspension des sédiments souvent pollués dans les canaux)
• Pour limiter l'oxydation et l'usure de pièces essentielles de portes d'écluses, ces pièces ont longtemps fonctionné noyées dans un bain de mercure (jusqu'à plus d'1 kg de mercure par porte), avec des pertes minimes en temps normal mais très importantes en cas d'accident. Le mercure perdu dans les canaux peut être transformé en méthyl-mercure très toxique par les bactéries des sédiments, en aval, et il est fortement bioaccumulable.
• Gêne à la remontée des cours d'eau par les poissons (problème facilement résolu par des échelles à poissons bien conçues, voire une gestion particulière et adaptée des ouvertures des portes et ventelles)
• Séquelles de guerre : Certaines écluses ayant fait l'objet durant les guerres récentes (depuis 1870) de tirs intensifs, leurs fonds et abords peuvent encore contenir des munitions immergées ou des munitions non explosées, éventuellement chimiques pour celles de la période 14-18. Ces munitions seront susceptible de poser des problèmes de toxicité pour l'environnement et le personnel quand elles commenceront à fuir suite à leur corrosion. L'Allemagne, la Belgique et le Nord de la France sont concernées.
• Ce sont des lieux où les bateaux doivent ralentir, stopper, puis démarrer et accélérer, certains mariniers faisant tourner à plein leurs moteurs. Le fuel parfois non desoufré utilisé par ces moteurs, et l'huile peuvent être à l'origine d'une pollution de l'air et des sols augmentée autour de la zone de l'écluse. Relativisons cependant : cette pollution reste très ponctuelle et si l'on se réfère au tonnage transporté (250 tonnes pour un automoteur Freycinet de canal, propulsé par un moteur de 200 cv environ), elle est très largement inférieure aux émissions globales d'un semi-remorque (450 cv pour porter 25 tonnes), et le bateau n'encombre pas les routes.
• Très éclairées la nuit, pour des raisons de sécurité, sur les grands axes qui fonctionnent 24 h sur 24 (Rhône, Seine), elles contribuent au phénomène de pollution lumineuse, qui pourrait être réduit avec un éclairage variant selon le besoin et les conditions météorologiques.

Considérations énergétiques

Lorsqu’un bateau montant traverse une écluse, sa masse s’élève et son énergie potentielle augmente. Contrairement à l’intuition première, l’énergie nécessaire à l'élévation du bateau ne provient pas de l’eau qui est transférée de l’amont vers l’aval. Explications :

• Le volume d’eau déversé en aval lors d’une éclusée double (même état de remplissage du sas avant et après) est indépendant à la fois de la taille et de la masse du bateau. Il est par conséquent le même dans le cas où il n’y a pas de bateau.
• Si S est la surface de l’écluse et H est l’écart de cote entre les plans d’eau des biefs amont et aval, le volume transféré est V = SH. On peut concevoir des situations où la masse de ce volume d’eau est inférieure à la masse du bateau : il suffit que le tirant d'eau de ce dernier soit important (impliquant une grande masse du bateau) et que la hauteur de chute H soit faible (petit volume transféré). Ce cas laisse percevoir qu’il n’y a pas de relation de dépendance entre les deux quantités.
• L’énergie E perdue par déversement atteint E = ρgSH² où ρ est la densité de l’eau et g est la gravité terrestre. Cette énergie est dissipée dans les tourbillons, pour moitié durant le remplissage du sas et pour moitié lors de sa vidange.
• En remplaçant l’écluse ci-dessus par une série de N écluses en cascade, chacune de surface S et de hauteur H / N, le volume du déversement vaut V / N et l’énergie associée atteint E / N. En dehors de considérations économiques, il est théoriquement possible de monter un bateau d’un bief aval vers un bief amont avec un déversement aussi faible que désiré : il suffit de choisir un N assez grand.
• Au lieu de multiplier les écluses, il est également possible de construire des bassins de récupération de l’eau dans lesquels sont stockées et relâchées des tranches d’eau du sas à diverses cotes : cette option a été retenue pour le projet d’un troisième ensemble d’écluses sur le canal de Panamá.

En conclusion, l’augmentation d’énergie potentielle apportée au bateau montant ne vient pas directement de l’eau qui traverse l’écluse, mais de la différence entre les deux états chronologiques « bateau dans le bief aval » et « bateau dans le bief amont » : dans le premier, le bateau se substitue à une masse d’eau correspondant à son poids (poussée d'Archimède) qui est située à la cote aval, alors que dans le second état, la même masse d’eau substituée se trouve à la cote amont. En imaginant un bateau navette qui serait chargé en aval et déchargé en amont d’une écluse (ne consommant pas d’eau), cette situation impliquerait une augmentation progressive du niveau du bief aval et une diminution de celui du bief amont, soit l’équivalent d’un déversement d’une masse d’eau égale à la masse totale du chargement transféré.

Voir aussi

Articles connexes

• Ascenseur à bateaux
• Pente d'eau
• Échelle à poissons
• Liste des écluses du canal du Midi
• Liste des écluses du canal de Garonne
• Écluses de Fonserannes
• Écluse de Kembs-Niffer
• Escalier de Neptune
• Réseau des voies navigables

Références

Liens externes

• Lexique fluvial et batelier dans le Projet Babel - Écluse
• Simulation interactive d'écluse - Découverte du fonctionnement d'une écluse (en français, anglais, néerlandais)
• Deltawerken Online - Écluse séparant l'eau salée et l'eau douce tout en laissant libre cours aux bateaux (en anglais)

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