GCI 733 Géotechnique environnementale A. Cabral. (réfs. de base : 1) Chapuis, 1999 et Freeze and Cherry, 1979)

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1 4.0.7 Aquifères, aquitards et aquicludes (réfs. de base : 1) Chapuis, 1999 et Freeze and Cherry, 1979) Définitions Aquifères : Unité géologique saturée pouvant transmettre des quantités significatives d'eau sous des gradients hydrauliques ordinaires (ou faibles) ou Unité géologique capable de fournir des quantités d'eau économiquement avantageuses. Aquiclude Unité géologique saturée incapable de fournir ou transmettre des quantités significatives d'eau sous des gradients hydrauliques ordinaires. Aquitard Unité géologique peu perméable du point de vue de l'utilisation économique de l'eau, mais suffisamment perméables pour qu'on les considère dans des études hydrogéologiques. Des vrais aquicludes sont très rares. Dans la majorité des cas, il s agit d aquitards. Ainsi, ont fait plutôt référence seulement aux aquifères et aquitards. 1 de Rappels d hydrogéologie \\manic\data_personnel\users_professeurs\caba2501\my

2 Types d'aquifères (voir figure ) Un aquifère peut être confiné (nappe captive), ou non confiné (nappe libre). L'écoulement dans un aquifère confiné est appelé écoulement artésien. Dans le cas d'un aquifère non confiné, l'écoulement est gravitaire. Un aquifère à nappe perchée est un cas particulier d aquifère à nappe libre. Au-dessus de la nappe perchée se trouve la nappe de l aquifère à nappe libre. Dans certains cas, une couche perméable "sandichée" entre deux formations peu perméables peut donner origine à une nappe semi-captive. L eau éventuellement captée de cet aquifère peut provenir en partie des aquitards. L'écoulement dans la couche "sandichée" est appelé écoulement mixte (ou artésien-gravitaire) si le niveau d'eau dans l'aquifère est à une élévation à certains endroits inférieure à l'élévation du contact entre l'aquifère et la couche peu perméable supérieure, et à certains endroits supérieurs à ce contact. Il est possible de trouver dans la littérature la dénomination «aquifères partiellement confinés». Il s'agit, dans ces cas, d'une couche perméable sousjacente à une couche moins perméable mais capable de "fournir" une quantité d'eau non négligeable dans certains cas ou à certaines périodes de l'année. Si la surface piézométrique (la ligne imaginaire reliant les hauteurs d'eau dans tous les piézomètres installés - en ligne, pour simplifier - dans une région) d'un aquifère se situe au-dessus de la surface naturelle du terrain, tout puits installé dans cette région sera un puits artésien jaillissant (pas besoin de pompe). 2 de Rappels d hydrogéologie \\manic\data_personnel\users_professeurs\caba2501\my

3 Figure Systèmes aquifères 3 de Rappels d hydrogéologie \\manic\data_personnel\users_professeurs\caba2501\my

4 Transmissivité et emmagasinement Transmissivité (T) Pour les écoulements en milieux poreux, le paramètre d importance est la conductivité hydraulique. Dans le cas des aquifères, il est souvent préférable de faire usage de la transmissivité (T). Ce paramètre est la mesure de la quantité d'eau qui peut être transmise horizontalement 1 sur toute l'épaisseur d'un aquifère saturé (b), sous un gradient unitaire. Ainsi : T = kb [L 2 T -1 ] (habituellement m 2 /j) Dans le cas des aquifères composés de plusieurs couches. la transmissivité totale est la somme de la transmissivité de chacune des n couches perméables, soit : T = n i= 1 Ti Ce paramètre est souvent obtenu lors d essais de pompage. 1 Hypothèse de Dupuit-Forchheimer. Le débit est considéré distribué de façon uniforme avec la profondeur. Cette hypothèse est souvent valide, mais pas toujours. 4 de Rappels d hydrogéologie \\manic\data_personnel\users_professeurs\caba2501\my

5 Coefficient d'emmagasinement (S) Suite à des changements du potentiel hydraulique dans un aquifère, l'eau peut être libérée ou emmagasinée. Dans le but de modéliser ce phénomène, l on définit un paramètre approprié, soit le coefficient d'emmagasinement (S, pour storavity). S est (Chapuis, 1999) est défini comme la quantité d'eau qu'un aquifère relâche ou emmagasine par unité de surface d'aquifère d'épaisseur b (volume b m3), lorsque la charge hydraulique varie d'une unité. C'est un coefficient adimensionnel. Dans le cas d'un aquifère à nappe captive, l'eau est mobilisée de la façon suivante: une variation de charge engendre une variation de pression d'eau interstitielle, donc une variation de contrainte effective, et donc un tassement (ou expansion) des solides de l'aquifère. La valeur de S est, par conséquent, petite dans un aquifère à nappe captive, typiquement de l'ordre de 10-5 à Dans un aquifère à nappe libre, l'eau est mobilisée par drainage gravitaire à l'intérieur d'un volume unité (surface unité x hauteur unité correspondant à la variation d'une unité de charge). Le coefficient d'emmagasinement S dans un aquifère à nappe libre correspond donc à la notion de porosité efficace (drainage gravitaire). La valeur de S est alors typiquement de l'ordre de 1% à 30%. 5 de Rappels d hydrogéologie \\manic\data_personnel\users_professeurs\caba2501\my

6 4.0.8 Essais de perméabilité in situ I 2 (Chap. 2 de Chapuis (1999) à réviser) Types : Niveau constant Niveau variable Pompage : semblable aux essais à niveau variable mais changement de niveau d eau se produit lentement, suite à un pompage ou injection. Selon Chapuis (1999), seuls les essais à niveau variable sont recommandés et donnent plus d information. Objectifs : Déterminer k (et T, car T = kb) Dans certains cas, déterminer S Préoccupation : scellement des piézomètres Informations préalables et difficultés de réalisation : voir Chapuis (1999) Catégories : Bout de tubage ou Lefranc Dans un piézomètre Slug-test 2 Excluant essais de pompage. D autres essais de terrain seront présentés aux chapitres 4 et 5. 6 de Rappels d hydrogéologie \\manic\data_personnel\users_professeurs\caba2501\my

7 Comparaison : (tiré de Chapuis, 1999) 7 de Rappels d hydrogéologie \\manic\data_personnel\users_professeurs\caba2501\my

8 Méthodes d analyse : Il y en a plusieurs, dont Hvroslev, Boer-Rice, Cooper, Graphique des vitesses, etc. Ici, on ne présente que deux. Hvroslev (1951; la plus citée) : fournit valeur locale de k (tiré de Chapuis, 1999) Équation de base : Qinj = Qsol = ckh Charge variable : Qinj = Sinj ( dh / dt) où S inj = πr 2 En combinant et en intégrant : 1 / H 2 ) = ( kc / S ) ( t t ) ln( H inj où H 1 et H 2 sont les charges hydrauliques aux temps t 1 et t de Rappels d hydrogéologie \\manic\data_personnel\users_professeurs\caba2501\my

9 Les données expérimentales (H, t) sont portées en graphique semi-log lnh vs t. On doit théoriquement obtenir une pente droite, p : Valeur de c : p kc / = S inj, donc k = p Sinj / c Bout de tubage : c = 2, 75D Lefranc : c 2π L / ln(2l / D) = p/ L/D 4 (forme simplifiée de : = 2 D[ ( L +1/ 4) ] 1/ 2 Si aquifère à nappe captive : Qsol = 2π kbh / ln( R0 / r ) = ckh où b est l épaisseur de l aquifère et c = 2πL / ln( R0 / r ). c π D p/ 1 L/D 8) La valeur de ln(r 0 /r ) est située entre 4 et 6 (on utilise 5). Boer-Rice (1976) (approximation raisonnable si : 1) rabattements faibles et si l épaisseur n est pas modifiée par le rabattement) Équations : Avec ( t t ) ln( H inj 1 / H 2 ) = ( kc / S ) = Sinj, alors : p kc / k = p Sinj / c 1 2 Dans le cas de Boer-Rice, la valeur de c est exprimée de la façon suivante : c = 2π L / ln( R0 / r ) 9 de Rappels d hydrogéologie \\manic\data_personnel\users_professeurs\caba2501\my

10 10 de Rappels d hydrogéologie \\manic\data_personnel\users_professeurs\caba2501\my Les valeurs de ln(r 0 /r ) sont calculées plus précisément des façons suivantes : Pénétration totale Pénétration partielle 1 0 ln 1,1 ln + = b Cr r b r R ( ) 1 0 ' ln ' ln 1,1 ln + + = r d b B A L r r d r R où les paramètres A, B et C sont des fonctions de L/r Ces équations sont valables pour des aquifères à nappes libre et captive. Dans le cas des nappes captives, d est la distance entre la lanterne et le toit de l aquifère. (Tirée de Chapuis, 1999)

11 Choix de la bonne méthode (tiré de Chapuis, 1999) Afin de choisir la bonne méthode d'interprétation, on recommande de tracer en premier lieu le graphique des vitesses. Si celui-ci donne une ligne droite, on doit retenir la méthode d'interprétation de type A avec la meilleure valeur possible du coefficient c, compte tenu des informations géométriques et stratigraphiques. Si le graphique des vitesses donne une courbe ou une ligne brisée, cela peut être l'indice d'un décollement hydraulique ou d'un défaut de scellement (Chapuis et al., 1981). On doit toujours vérifier que la prolongation de la partie droite du graphique des vitesses coupe l'axe des H au point H=0. Si elle coupe l'axe des H en H 0 0, cette valeur H 0 représente l'erreur piézométrique. Il s'agit soit de l'erreur du piézomètre due à un court- circuit hydraulique, soit de l'erreur d'estimation du niveau piézométrique pendant le forage (normes CAN/BNQ et -135,1988) Fiabilité de k tirée des essais in situ La zone d essai est influencée par : Les opérations de forage L installation de la crépine Le développement du puits Il en résulte que la valeur de c est approximative. Ainsi, ce qui est précis est la valeur de kc. 11 de Rappels d hydrogéologie \\manic\data_personnel\users_professeurs\caba2501\my

12 GCI 733 Géotechnique environnementale A. Cabral Exemple tiré de l annexe A de Chapuis (1999) : Détermination de k selon Boer et Rice (1976) et Hvroslev (1951) : R0 1,1 r (b d ') ln = + A + B ln r ln d ' L r r 1 = 1,881 Note : selon la fig. 2 de Chapuis (1999), les valeurs de A, et B sont : A = 2,3 et B = 0,4 12 de Rappels d hydrogéologie \\manic\data_personnel\users_professeurs\caba2501\my

13 Et c = π L / ln( R / r ) = 815 cm 2 0 Note : Dans le cas d un essai Lefranc, c = 2π L / ln(2l / D) = 494 cm Dans le cas de pénétration totale dans un aquifère, on peut aussi prendre la valeur ln(r 0 /r ) 5 pour calculer c. Dans ce cas : c = 2πb / ln( R0 / r ) = Pente p = 3,06 x 10-2 s -1 (voir Tableau A1 dans Chapuis 1999) Avec : d = 15,56 cm, on obtient S inj = πd 2 /4 = 190,16 cm 2. Comme : c = 815 et p = 3,06 x 10-2 s -1 Alors : k = p S inj / c = 7,15 x 10-3 cm/s 13 de Rappels d hydrogéologie \\manic\data_personnel\users_professeurs\caba2501\my