Les puits. 1 - Les principes de fonctionnement. 2 - La conception. 3 - La réalisation. 4 - L'entretien

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1 Les puits 6 e h c Fi SOMMAIRE : 1 - Les principes de fonctionnement La conception La réalisation L'entretien Annexe : exemple de calcul hydraulique d'un puits 12

2 Les puits - Fiche Les principes de fonctionnement La typologie Les intérêts Les précautions Les conditions et domaine d utilisation La conception L étude de faisabilité Les matériaux et équipements L interface surface drainée/puits L intérieur du puits L interface puits /sol L aspect hydraulique La méthode de calcul Le débit de fuite Le dimensionnement géométrique du puits L aspect pollution La réalisation Les précautions d usage Les précautions phase chantier L entretien Annexe : exemple de calcul hydraulique d un puits Hypothèses Calculs 13

3 1 - Les principes de fonctionnement Les puits sont des dispositifs qui permettent le transit du ruissellement vers un horizon perméable du sol pour assurer un débit de rejet compatible avec les surfaces drainées, après stockage et prétraitement éventuels. Dans la majorité des cas, les puits sont remplis d un matériau très poreux qui assure la tenue des parois. Ce matériau est entouré d un géotextile qui évite la migration des éléments les plus fins tant verticalement qu horizontalement. Les puits sont souvent associés à des techniques de stockage de type chaussée-réservoir, tranchée drainante, fossé ou même bassin de retenue, dont ils assurent alors le débit de fuite. Environnement du puits d'infiltration - ZAC du Buet - Vendeville On peut distinguer deux principaux types de fonctionnement : les puits d infiltration, qui ne sont pas en contact direct avec la nappe phréatique ; les puits d injection, qui eux, sont en contact direct avec la nappe et injectent donc directement l eau dans la zone saturée. Environnement du puits d'infiltration - ZAC du Buet - Vendeville 1.1 La typologie L injection de l eau dans le puits s effectue soit par la surface soit par une conduite en provenance d un ouvrage associé débouchant dans le puits. En ce qui concerne l évacuation on distingue : les puits d infiltration qui sont totalement hors nappe ; les puits d injection qui «plongent» dans la nappe. Puits d infiltration ZAC du Buet, Vendeville Les puits d infiltration sont les plus utilisés car l injection directe des eaux de ruissellement dans la nappe est déconseillée. Si la technique des puits d injection est cependant retenue, il faut faire très attention aux eaux de ruissellement qui doivent être peu polluées. En exemple, l emploi des puits est particulièrement bien adapté aux réalisations individuelles (dans ce cas, les puits sont généralement peu profonds). Ils sont souvent utilisés dans des zones pavillonnaires. Le puits peut aussi être rempli ou non de matériaux. Mais la capacité de stockage d un puits est relativement faible et le combler de matériaux poreux peut encore la réduire. Notons qu il est parfois possible de lui associer un volume de stockage supplémentaire. 3

4 Il est néanmoins intéressant de combler un puits : pour que la collecte des eaux par la surface du puits ne repose pas sur du vide ; pour assurer la tenue des parois du puits ; lorsque le puits ne joue pas le rôle de stockage : vidange d une autre structure (bassin, chaussée à structure réservoir ). On choisit de mettre en place un puits creux pour bénéficier d un volume maximum de stockage. Dans ce cas il est nécessaire de mettre en place une crépine ou d une buse perforée pour éviter que les parois du puits ne s écroulent. Exemple de crépine (Source : Techniques alternatives en assainissement pluvial : choix, conception, réalisation et entretien, 1994, Editions Lavoisier Tec et Doc) Types de puits (Source : CETE Nord - Picardie) 4

5 Exemple de puits (Source : ADOPTA) 1.2 Les intérêts Réduction des débits de pointe et des volumes s écoulant vers les exutoires ; Conception simple ; Dépollution efficace des eaux pluviales par décantation dans le puits et par «filtration» par interception dans le sol ; Bonne intégration au tissu urbain car le puits a une faible emprise au sol ; Large gamme d'utilisation (de la parcelle aux espaces collectifs) ; Un puits d infiltration ne nécessite pas d exutoire ; Possibilité de coupler le puits avec d autres techniques alternatives ; Assure la réalimentation des nappes ; Technique bien adaptée aux terrains plats dont l assainissement pluvial est compliqué à mettre en place ; Entretien simple ; Utilisable pour les sols dont les premiers horizons géologiques sont imperméables mais possédant des sous-couches perméables. 1.3 Les précautions Risque de pollution du sol et de la nappe ; Risque de colmatage du puits ; Dépôts de boues de décantation qu il faut évacuer lorsque leur quantité induit une modification du volume utile de rétention. Cependant, la formation de ce dépôt prend beaucoup de temps car les volumes générés sont très faibles ; Dépôts de flottants. Dépend de la nature des eaux retenues dans le puits et de la présence ou non d un système de «dégrillage» en amont ; Risques de nuisances olfactives (stagnation d eau) par défaut de réalisation ou manque d entretien ; Entretien spécifique régulier (nettoyage de l intérieur du puits, curage du fond, ) ; Capacité de stockage limitée, dépendante de la hauteur et des fluctuations de la nappe ; Technique tributaire de l encombrement du sous-sol. 5

6 1.4 Les conditions et domaines d utilisation Afin de pouvoir mettre en oeuvre cette technique, il convient avant tout de s assurer de la présence d horizon géologique favorable à l infiltration. Que ce soit dans les couches superficielles ou inférieures. La réalisation d une étude hydrogéologique s avère nécessaire afin : de réaliser un dimensionnement précis et rigoureux de l implantation et du nombre de puits d infiltration à mettre en oeuvre en fonction de l opération ; de s assurer que la nature des couches géologiques du sol et l environnement immédiat (habitation, sous sol, terrains pentus, ) soit compatible avec l infiltration (effondrements, glissements de terrain, création de «nappe» perchée provoquant l inondation des sous sols, ) ; de s assurer que la perméabilité du sol permette l infiltration des eaux collectées dans un laps de temps «respectable» (durée d infiltration après orage < 6h) ; de s assurer que la nature du sol (des couches géologiques sous jacentes) permette l infiltration des eaux de pluie et de ruissellement générées par deux épisodes pluvieux décennaux se succédant en l espace de 24h. Pour éviter les risques de pollution de la nappe, le puits ne doit pas se trouver à proximité d une zone de stockage de produits dangereux ou de produits polluants. Les puits d infiltration peuvent être installés sur un réseau d assainissement traditionnel afin de réduire le débit à l exutoire, comme exutoire même du dit réseau ou bien encore être installé en parallèle du réseau. L alimentation du puits peut se faire directement au niveau du terrain naturel (T.N.) après ruissellement (au milieu d une place ou en fond d un système de rétention par exemple), ou au sein de l ouvrage lui-même grâce à des canalisations. Cette technique nécessite un entretien spécifique et régulier, l enlèvement des flottants et encombrants retenus par le panier (ou le système) dégrilleur, ainsi qu un nettoyage de l intérieur du puits (fond et buses), ceci afin d éviter tous types de nuisances. Cette solution ne présente pas de contraintes urbanistiques et topographiques particulières et majeures hormis la nécessité d avoir un sous-sol perméable. Elle peut être utilisée aussi bien par un industriel que par un particulier, aussi bien en milieu urbain que péri-urbain ou rural. 2 - La conception La conception des puits d infiltration, comme celle de toute technologie alternative en assainissement pluvial, doit être pensée le plus tôt possible dans l'opération. Les questions doivent être résolues avec la participation de tous les acteurs afin qu ils puissent adhérer aux choix techniques et prendre les décisions correspondantes. 2.1 L étude de faisabilité Pour concevoir un puits il est indispensable de recueillir un certain nombre de données fondamentales : la situation du projet par rapport à la réglementation de l infiltration ; la qualité des eaux de ruissellement liée à l occupation et les usages actuels et ultérieurs des surfaces (présence d exploitations «productrices» de fines, d espaces végétaux mitoyens, de produits dangereux ) ; le type de roche grâce à des sondages ou des cartes géologiques (pollution des eaux souterraines, effondrement du puits ou des massifs environnants ) ; la capacité d absorption du sous - sol sur une profondeur suffisante (essais d injection d eau dans des trous de forage aux profondeurs initialement prévues pour le puits) ; l existence de réseaux souterrains (obligation réglementaire : DR & DICT) ; les caractéristiques de la nappe (présence, usages, fluctuations saisonnières,, cote PHE, sens d écoulement) ; la topographie du sol (éventuelle résurgence des eaux infiltrées en cas de puits peu profond à côté d un terrain en pente très forte). 6

7 Les questions à se poser pour l étude de faisabilité (Source : CETE Nord - Picardie) 2.2 Les matériaux et équipements L'interface surface drainée/puits Il est possible d engazonner la surface du puits, de mettre des galets ou de l enrobé drainant. Le choix du matériau de surface est dicté par des considérations esthétiques, économiques et d usages. Une surface constituée d un empilement de galets n autorise pas le passage des piétons ou des vélos. les matériaux utilisables peuvent être des dalles ou pavés poreux, galets, enrobés drainants, gazon.. Ou par l intermédiaire d un réseau équipé d un regard de décantation. Dans le cas d un puits comblé, l introduction des eaux de ruissellement se fait au travers d une surface perméable ou par l'intermédiaire d'une canalisation reliée à un réseau équipé d'un regard de décantation. La collecte de l eau de ruissellement dans le puits s effectue : Directement après le ruissellement : la pente des surfaces drainées doit être orientée vers le puits, 7

8 Exemples de dispositifs de recueil des eaux dans le cas des puits comblés (Source : CETE Nord-Picardie) Dans le cas d un puits creux, l introduction des eaux de ruissellement s effectue au travers d un regard de décantation. Exemples de dispositifs de recueil des eaux dans le cas des puits creux (Source : CETE Nord-Picardie) 8

9 2.2.2 L intérieur du puits Le puits comblé est composée par : des graviers, cailloux, granulats concassés ou galets de porosité supérieure à 30%. Les matériaux devront être propres afin d éviter le colmatage par les fines ; ou des matériaux alvéolaires ou structures préfabriquées de porosité élevée de plus de 90% associés à des géotextiles L interface puits /sol Pour le puits comblé, l interface avec le sol peut être constitué par : un géotextile qui limite la migration de fines à l intérieur du puits et joue également le rôle de filtre antipollution ; un système anti-racines dans le cas d une plantation d arbres proche du puits afin d empêcher la détérioration du puits par les racines. Pour le puits creux, l interface avec le sol peut être constitué par : Une crépine ; Une buse perforée en béton ou PEHD. Ces ouvrages permettent le maintien du sol en place tout en laissant passer l eau. 2.3 L aspect hydraulique La méthode de calcul La méthode de calcul du volume de rétention est décrite au chapitre 2B. Le rappel hydraulique et la fixation des coefficients locaux Le débit de fuite La détermination du débit de fuite Qf est relativement délicate. Il est considéré constant et égal au produit de la surface totale du puits S contribuant à l évacuation par la capacité d absorption spécifique du sol Qas. Qf = S.Qas Qf : débit de fuite en m 3 /s S : surface intérieure du puits participant à l infiltration en m 2, Qas : capacité d absorption par unité de surface infiltrante en m 3 /s/m 2 Cependant le phénomène de colmatage à l intérieur du puits (fond et parois), qui résulte de la quantité de fines présentes dans les eaux de ruissellement (débris végétaux, terre ) rend le calcul incertain et conduit à retenir des marges de sécurité en supposant que seule une partie des parois, de surface Sp participe à l infiltration. Par exemple on peut négliger la base du puits afin de prendre en compte le colmatage de son fond. Certains pays vont même plus loin puisqu ils considèrent qu aucune vidange n est possible dans la moitié supérieure du puits. Pour exemple en Grande-Bretagne, la capacité d absorption Qas est estimée en calculant le temps que met l eau pour que son niveau dans le forage passe de 75 à 25 % de la profondeur réelle de l essai : V Qas = S 50 x t V : volume d eau compris entre 75 et 25 % de la hauteur en m 3 S 50 : surface intérieure du puits jusqu à 50 % de la hauteur, y compris la base, en m 2 t : durée de changement de niveau de 75 à 25 % de la hauteur en s Qas : capacité d absorption par unité de surface infiltrante en m 3 /s/ m 2 L introduction de l eau par l intermédiaire d un ouvrage de décantation et ou de filtration, facile d entretien, est susceptible de réduire le colmatage intérieur. Par exemple, dans le cas des puits creux on peut placer un ouvrage d injection à proximité ou pour les puits comblés le géotextile à la surface bloque le passage des fines. Le schéma ci-après donne les surfaces à prendre en compte pour la détermination du débit de fuite. 9

10 Surface d infiltration à prendre en compte dans la détermination du débit de fuite (Source : CETE Nord - Picardie) Le dimensionnement géométrique du puits Le calcul est itératif car il convient une première fois d attribuer une profondeur et un diamètre au puits pour estimer S et le débit de fuite Qf. On vérifie alors si le volume nécessaire Vn est plus petit ou égal au volume disponible Vd dans le puits (ou avec les ouvrages associés). Si l inégalité Vn Vd n est pas satisfaite on augmente la taille du puits (ou des ouvrages associés) jusqu à ce qu elle soit obtenue. Le volume disponible Vd est égal au volume géométrique multiplié par la porosité du matériau. 10

11 Démarche à suivre pour le dimensionnement du puits (Source : CETE Nord - Picardie) 2.4 L aspect pollution Il est admis qu une grande partie de la pollution non soluble, fortement liée aux matières en suspension, peut être retenue soit au niveau d un équipement de décantation, soit au niveau des surfaces de collecte (matériaux de surface, géotextile ). D autre part, le sol joue un rôle épurateur en filtrant une grande partie de la pollution qui se trouve piégée sur les premiers centimètres du fond du puits et de ses parois. Il est cependant important que cette pollution ne puisse pas être remobilisée par une remontée de la nappe. 3 - La réalisation Les puits peuvent être réalisés manuellement ou mécaniquement au moyen de pelles mécaniques (profondeur limitée) ou de sondeuses (tarière, etc...). Leur réalisation demande quelques précautions et quelques contrôles. Il est nécessaire d éviter tout apport de fines vers le puits en cours de construction afin de limiter son colmatage en surface (si la surface est drainante) ou en profondeur lorsque le puits est creusé. Il faut contrôler les dimensions (profondeur et section), la qualité des matériaux (porosité utile et propreté des granulats dans le cas de puits comblés) et vérifier impérativement la capacité de vidange du puits par des essais d injection à la fin des travaux. 3.1 Les précautions d usage Le puits doit être sécurisé. Dans le cas d un puits creux, il est conseillé d utiliser un tampon en fonte verrouillé. L installation du puits doit être réalisée : dans la partie basse du terrain ; à une distance des habitations au moins égale à la profondeur du puits ; 11

12 en évitant la proximité de grands végétaux (Les racines des arbres situés trop près du puits peuvent provoquer des désordres au sein de sa structure). Il est d autre part conseillé d installer un regard de décantation (équipé d une cloison siphoïde ou d un coude plongeant) en amont du puits afin de protéger l ouvrage du colmatage. 3.2 Les précautions phase chantier La réalisation de puits demande d éviter tout apport de terre afin de limiter son colmatage. Ainsi, il est préférable de le construire ou de le mettre en service dans les dernières étapes du chantier. Les matériaux utilisés pour le stockage, dans le cas de puits comblés, doivent vérifier la porosité utile demandée. Les granulats doivent être propres car la présence de fines dans le matériau d origine peut accélérer le colmatage du puits. 4 - L entretien Il est difficile d indiquer précisément la fréquence des entretiens. Cette fréquence dépend de la qualité des eaux pluviales recueillies et des systèmes annexes au puits mis en place. Une surveillance régulière des puits, tout du moins au départ, est nécessaire afin de mieux connaître leur fonctionnement, particulièrement après de grosses pluies. En matière d entretien préventif, il est conseillé de vider les chambres de décantation de leurs boues, de nettoyer les dispositifs filtrants si ceux-ci sont accessibles voire de les changer et de vider les paniers et les avaloirs. Ces manipulations doivent être effectuées avec soin afin que les boues présentes dans la chambre de décantation ne tombent pas au fond du puits. Il est conseillé également de contrôler le bon fonctionnement du système de trop plein. Il peut également s avérer indispensable de changer les géotextiles protégeant le puits. L entretien curatif est réalisé quand le puits ne fonctionne plus et déborde fréquemment. Il consiste en un curage ou un pompage du puits. Dans certains cas (ne permettant pas au puits de retrouver ses caractéristiques initiales), le remplacement pur et simple du puits, voire son abandon, peut devenir inéluctable. 5 - Annexe : exemple de calcul hydraulique d un puits 5.1 Hypothèses Schéma du projet d assainissement de la zone interceptée : Données d entrée : Profondeur totale = 3 m, Hauteur perméable = 2 m, Utilisation de ¾ de la surface perméable Sp, Surface active recueillie Sa = 4740 m 2 Capacité d absorption du sol en place 3, m 3 /s/m 2 Mise en place de 8 puits creux (porosité n = 1). Travail demandé : Il est demandé, en fonction de la profondeur (connue) du puits de déterminer le rayon (R) du puits en utilisant la méthode des pluies. Pour trouver le diamètre, on s appuie sur les données de hauteurs de pluies H pour différentes durées d observation D et pour une période de retour de 10 ans. Dans un premier temps, il s agit de calculer le volume nécessaire Vn qui correspond à la différence maximale entre le volume entrant (V entré ) et le volume sorti (V sorti ) et de résoudre l équation de R (rayon du puits) afin de connaître le diamètre optimum du puits à réaliser. Formules utilisées : Pour connaître la hauteur de pluie en fonction d une durée : 12

13 H = a x t 1-b Pour connaître le volume entrant en fonction d une durée de pluie : V entrant = H x Sa Pour connaître le volume sortant par puits en fonction d une durée de pluie : V sorti = π x 2R x 3 Hp x q as x t 4 Pour connaître le volume nécessaire de stockage : Vn = max (V entré ( t ) - V sorti ( t ) ) n Pour connaître le volume géométrique : V g = π x R 2 x H Pour connaître le rayon du puits, il faut équilibrer : V g = Vn 5.2 Calculs 1 Calcul des hauteurs statistiques de pluie en fonction de durées d observation Les durées de pluie D retenues de manière arbitraire sont : 10 min, 20min, 30 min, 60min, 120 min, 180 min, 240 min, 300 min, 360 min. Données pluviométriques utilisées : Coefficients de Montana de la station Météo France Lille-Lesquin ( ), T = 10 ans Intervalle de validité a b 15 min à 6 h 9,773 0,781 6 h à 24 h 9,998 0,787 Les hauteurs de pluies en mm (H) sont obtenues par l utilisation de la formule de Montana : H = 9,773 x ,781 = 18,83mm Ce qui donne les valeurs indiquées dans le tableau ci-après : Durée de la pluie D en minute 2 Calcul des hauteurs statistiques de pluie et des volumes entrant en fonction de durées d observation Les volumes entrant (V entrant ) sont obtenus par l utilisation de la formule : V entrant = H x Sa Pour notre cas, chaque puits recueille une surface active (Sa) de 4740 m2 / 8 soit 592,5 m2 En exemple pour D = 20 min, V entrant = 18,83 x 10-3 x 592,5 = 11,16m 3 Ce qui donne les valeurs suivantes : Durée de la pluie D en minute Hauteur de la pluie décennale H en mm 20 18, , , , , , , ,47 Hauteur de la pluie décennale H en mm Volume entrant Ventrant en m ,83 11, ,58 12, ,96 14, ,88 16, ,47 18, ,46 19, ,08 20, ,47 21,02 H = a x t 1-b En exemple pour D = 20 min, 13

14 3 Calcul du volume sortant Les volumes sortant (Vsorti) sont obtenus par l utilisation de la formule : V sorti = 2πR x 3 x Hp x q as x t 4 On suppose que seule les ¾ de la hauteur perméable participent à la vidange. Avec : la hauteur perméable Hp = 2 m, la capacité d absorption q as =3, m 3 /s/m 2, V sorti = 2πR x 3 x 2 x 3,3 x 10-5 x t 4 d ou V sorti = 3,11 x 10-4 x R x T Durée de la pluie D en minute Hauteur de la pluie décennale H en mm Volume entrant Ventrant en m3 4- Calcul du volume nécessaire : Volume sortant Vsorti en m ,83 11,16 0,373 R 30 20,58 12,20 0,560 R 60 23,96 14,19 1,120 R ,88 16,52 2,239 R ,47 18,06 3,359 R ,46 19,23 4,479 R ,08 20,19 5,598 R ,47 21,02 6,718 R Vn = max (V entré ( t ) - V sorti ( t ) ) n Le puits étant creux, la porosité est donc égale à 1, d où : Vn = max (V entré ( t ) - V sorti ( t ) ) En exemple pour D = 20 min, Vn = 11,16-0,0373R Durée de la pluie D en minute Volume entrant Ventrant en m3 Volume sortant Vsorti en m3 Volume nécessaire Vn en m ,16 0,373 R 11,16-0,373 R 30 12,20 0,560 R 12,20-0,560 R 60 14,19 1,120 R 14,19-1,120 R ,52 2,239 R 16,52-2,239 R ,06 3,359 R 18,06-3,359 R ,23 4,479 R 19,23-4,479 R ,19 5,598 R 20,19-5,598 R ,02 6,718 R 21,02-6,718 R 5 - Calcul du volume géométrique de stockage : V g = π x R 2 x H Pour notre cas H = 3m soit : V g = 9,425 x R 2 Pour connaître le R, il faut résoudre Vn = Vg (équation du second degré) Pour exemple pour une durée de 20 min, il vient : 9,425 X R 2 + 0,373 x R - 11,16 = 0 Equation du 2 nd degré : ax2 + bx - c = 0 = b2-4ac S1 = (-b + ) / 2a S2 = (-b - ) / 2a La résolution de l équation donne : R = - 0, , x 9,425 x (-11,16) = 1,07 m 2 x 9,425 Durée de la pluie D en minute Hauteur de la pluie décennale H en mm Rayon R du puits en m 20 18,83 1, ,58 1, ,96 1, ,88 1, ,47 1, ,46 1, ,08 1, ,47 1,18 Ainsi, le puits devra avoir un rayon de 1,22 m arrondi à 1,25 m pour une profondeur de 3 m. (Source schémas, tableaux : CETE Nord-Picardie) 14