Colmatage des drains et matériaux filtrants

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1 CHAPITRE 12 Colmatage des drains et matériaux filtrants 12.1 INTRODUCTION Il est désastreux de constater après l installation de drains qu ils sont colmatés et que l investissementestperdu. Lecolmatagedesdrainsestinfluencéparlescaractéristiquesdusol,dudrainetles conditions d installation. Pour contrôler le colmatage des drains, il est important de comprendre les phénomènes qui y sont associés. Les matériaux filtrants sont utilisés pour contrôler l ensablement des drains et il est nécessaire de les connaître et les conditions d utilisation pour pouvoir faire des recommandations adéquates TYPES DE COLMATAGES Avant de décrire les phénomènes de colmatage des drains, il est important de connaître les formes et les origines en terme terminologique. Le colmatage des tuyaux de drainage peut revêtir deux formes: Lecolmatageexterneestl obstructiontotaleoupartielledesperforationset/oularéductionde la conductivité hydraulique du sol au voisinage du drain qui limitent la pénétration de l eau dans le drain. Le drain perd alors beaucoup de son efficacité hydraulique. Lecolmatageinterneestl obstructiontotaleoupartielledudrainpardesparticulesdesol,des racines ou des dépôts de nature chimiques ou biologiques. Ce colmatage amène une réduction delasectionhydrauliquedutuyauetdesacapacitédetransport. L origine du colmatage peut être unique ou mixte(combinant plusieurs causes). Les principales sont : Lescolmatagesminéraux:ilssontprovoquésparlamigrationdeparticulesminéralesquise déposent dans le tuyau(colmatage interne) et/ou qui sont immobilisées dans la zone autour du

2 192 COLMATAGE DES DRAINS ET MATÉRIAUX FILTRANTS drain. Ce dernier cas amène alors la formation d une zone peu perméable(colmatage externe). Ce colmatage peut survenir rapidement après la pose lors de la période de consolidation du sol dans la tranchée près du drain. Il est alors appelé colmatage primaire. Il est principalement le fait des mauvaises conditions d installation où le sol est très humide ou saturé. Le colmatage peut se produire dans les périodes subséquentes d écoulement et il est alors appelé colmatage secondaire. Ce dernier colmatage est principalement dû à la nature du sol. Le colmatage secondairedesdrainspardesparticulesdesolestaussiappeléensablementdesdrains.ilestlaprincipale forme de colmatage à laquelle les praticiens doivent faire face. Dans certains cas, l ensablement des drains peut se produire très rapidement voire dans l année qui suit l installation. Lescolmatages physico-chimiques et biologiques :ilssont dusaux modificationsdu milieu induites par la pose des drains qui provoque la prolifération d une microflore adaptée aux nouvelles conditions et/ou à des dépôts résultant de transformations chimiques. Les colmatages ferriques sontletypeleplusrépandu:ilscombinentdesdépôtsd oxydedeferobstruantles perforations et le développement d un gel bactérien à l intérieur du drain. Lescolmatagesracinaires:ilssontdusàl accumulationd uncheveluracinairedansledrain. Ils se produisent principalement dans les situations de drains transportant l eau provenant d une source. Le drain est alors un milieu privilégié pour l attraction racinaire car il constitue une réserve d eau et d air facilement utilisable. Les radicelles pénètrent dans le drain par les perforations et lorsqu elles meurent, elles créent des bouchons dans les tuyaux qui gênent alors l écoulement de l eau PROCESSUS D ENSABLEMENT Le processus d ensablement des drains commence lorsque les particules de sol sont arrachés et emportés dans le drain par le mouvement de l eau au travers des perforations. Pour comprendre le phénomène, il est important d analyser les forces que subit un volume élémentaire de sol à la surface de suintement. Dans un premier temps, nous allons analyser le cas d un volume élémentaire de sol pulvérulent(figure 12.1). L élémentestsoumisàlaforcedelagravitéetàuneforceascendantedue à l écoulement. La force de gravité correspond au poids déjaugé(poids - poussée d Archimède) : F g =(γ s γ e )(1 n) x y z [12.1] F g =Forcegravitationnelle γ s =Poidsspécifiquedesparticulesdesol(g/cm 3 ) γ e =Poidsspécifiquedesparticulesdel eau(g/cm 3 ) n =porosité La force due à l écoulement est provoquée par la différence de potentiel ou gradient hydraulique: F e =γ e 1 2 x y =γ e 1 2 z x y z =γ e i x y z [12.2] F e =Forced écoulement

3 PROCESSUS D ENSABLEMENT 193 F écoulement x F gravité y z 2 1 Figure 12.1 Bilan des forces sur un élément soumis à un écoulement ascendant. φ =Potentiel i = 1 2 z =gradienthydraulique L élémentsesoulèveralorsquelaforcedueàl écoulementseraplusgrandequelaforcedegravitéet ce phénomène est appelé boulance : F e F g γ e i (γ s γ e )(1 n)) [12.3] [12.4] Legradientquipermetl amorceduphénomèneestappelégradientcritique(i c ): i c γ s γ e γ e (1 n) [12.5] Ensupposantquelesparticulesdesolontunpoidsspécifiquede2,65g/cm 3 etquelesparticulessont desbillesarrangéesdelafaçonlapluscompacteavecuneporositéde0,35,legradientcritiqueest alorsde1,07. Danslecasd unsolidéalpossédantuneporositéde0,50,legradientcritiqueestalors de 0,83. Dans les sols pulvérulents, nous constatons que le gradient critique est de l ordre de l unité, cequiesttrèsélevé. Danslecasd unsolréel,lesforcesdecohésionetdefrictiondoivent êtreconsidéréesetellessont représentées par la résistance au cisaillement(τ)(figure 12.2): τ =F c +W sinθ f =F c +F f [12.6] τ = Résistance au cisaillement F c =Forcedecohésion W =Chargeappliquéesurlesol sinθ f =angledefrictionoucoefficientdefriction

4 194 COLMATAGE DES DRAINS ET MATÉRIAUX FILTRANTS F f =Forcedefriction (τ) Force de cisaillement Friction Cohésion sinθ f CHARGE(W) Figure 12.2 Résistance au cisaillement. Nous allons analyser le cas d une perforation située dans la partie inférieure du drain et une autre située dans la partie supérieure(figure 12.3). F écoulement F cohésion F friction DRAIN F cohésion F gravité F écoulement F gravité PERFORATION AU BASDUDRAIN PERFORATION AU HAUT DU DRAIN Figure 12.3 Bilan des forces sur un élément de sol à l entrée d un perforation. Pouruneperforationaubasdudrain,laforcedefrictionestnulle(W=0)etlebilandesforcesdonne: F e F g +F c γ e i (γ s γ e )(1 n))+f c i c γ s γ e γ e (1 n))+ F c γ e [12.7] [12.8] [12.9]

5 FORMATION DE PONTS 195 Pouruneperforationauhautdudrain,lebilandesforcesdonne: F e F c +F f F g [12.10] Laforcedefrictionestcauséeparlepoidsdelacolonnedesolau-dessusdel élément. Legradient critique est: i c F c γ e + W γ e sinθ f γ s γ e γ e (1 n)) [12.11] Comme nous le voyon,s les forces de cohésion et de gravité essaient de contrer les forces d écoulementpouruneperforationaubasdudrainalorsquelesforcesdecohésionetdefrictionmoinslaforce de gravité essaient de contrer les forces d écoulement pour une perforation au haut du drain. Au haut dudrain,lesforcesdefrictionsontimportantescomptetenudupoidsdelacolonne(w)desolau-dessus du drain FORMATION DE PONTS La section précédente analysé les forces provoquant le mouvement d un élément de sol dans une situation de stabilité beaucoup après l installation du drain. Dans la réalité, les particules de sol arrachéparlemouvementdel eauserontemportéesverslaperforation. Silaparticuleoulamotteest beaucoup plus petite que la perforation, elle entrera facilement dans le drain. Par contre, si elle est de latailledelaperforationouplusgrande,elleseraretenueparlaperforationetilsecréeraunpontà l entrée de la perforation. Le pont empêchera les particules suivantes de pénétrer dans le drain. Ce pont joue alors le rôle d un filtre. La figure 12.4 de l analyse micromorphologique de lames minces de sol à l interface avec le drain montre clairement la formation d arches par des agrégats(petites mottes de terre) ASPECTS THÉORIQUES L analyse des résultats de recherche permet de décrire théoriquement les processus se produisant suite à l installation d un drain. Après l installation du drain, le drain est recouvert plus ou moins rapidement par des mottes de sol qui laissent beaucoup de vides. Le processus de tassement du sol débutelentementavecladéformationdesmottescauséeparlapressiondelamassedesolau-dessus de celles-ci. Le tassement est influencé par la consistance du sol et son niveau s accroit avec le temps. Lorsquel eaucommenceàcoulerlelongdesmottes,ellebrisetousliensdecohésionnon permanents et les mottes s effritent. La gravité et les forces de l écoulement emportent les mottes brisées,lesagrégatsetlesparticulesdesolverslesperforationsdudrain. Silesagrégatsoulesmottes sont de l ordre de grandeur ou plus large que les perforations, elles vont former rapidement un pont face à la perforation. Si les agrégats ou les particules sont plus petites que l ouverture, elles entrerons facilement dans le drain et le processus se poursuivra jusqu à ce qu un agrégats ou groupe de particule ou d agrégats de plus grande dimension vienne former un pont au-dessus de l ouverture ou que

6 196 COLMATAGE DES DRAINS ET MATÉRIAUX FILTRANTS Figure 12.4 Formation d une arche par des petits agrégats et chemin préférentiel vers une perforation(gallaicahnd et al., 1987). le drain soit rempli. Si un pont se forme, tous les autres agrégats ou particules s accumuleront derrière le pont et le solidifieront. Lorsque ce processus, le haut du drain doit être considéré différemmentdubasdudrain. Auhautdudrain,legradienthydrauliqueetlagravités additionnepourpousserlesoldanslesondulationsdudrainfaceauxouvertures. Aubasdudrain,l écoulementestversle haut et agit contre la gravité. Dans cette situation, la pression est nécessairement plus petite qu audessus du drain. Alors, le sol sera moins bien consolidé dans les ondulations sous le drain qu au-dessusdudrainetlespontsserontplusdifficileàbâtiretserontmoinsstables. Lesolpluslâchedansles ondulationsaubasdudrainoffremoinsderésistanceàl écoulementetplusd eauvaentrerparles perforations situées au bas du drain. Si la force de traction de l eau sur les particules est suffisante pour les soulever(phénomène de boulance), les particules entrerons en grande quantité dans le drain. Lesollâchedanslesondulationsaubasdudrainpeutexpliquerpourquoiilsembleentrerplusdesol parlebasdudrainqueparlehaut. Laformationdepontsamèneàconsidéreruncasparticulier:siun agrégat ou une motte épouse exactement la forme de la perforation, celle-ci obstruera complètement la perforation et l eau ne pourra pénétrer dans le drain. Si cette situation est intéressante pour prévenir l ensablement des drains, elle l est moins en terme de drainage.

7 ASPECTS THÉORIQUES 197 Lors de l irrigation souterraine, l écoulement de l eau est inversée par rapport au drainage et il peut alors fragiliser les ponts. Les particules de sol seront plus susceptibles d entrer dans le drain lors des périodes drainage subséquentes. Figure 12.5 Évolution de la tranchée suite à l installation d un drain.

8 198 COLMATAGE DES DRAINS ET MATÉRIAUX FILTRANTS 12.6 PRÉDICTION DE LA SÉDIMENTATION Très peu d études ont essayé de prédire le niveau de sédimentation dans le drain. La première est basée sur l analyse granulométrique et l analyse des agrégats sous tamisage dans l eau(lagacé et Skaggs, 1984): ln(sed) =12,25+0,038AGR_1 0,122SM+0,144 ln AGR_25_50 0,046AGR_10_25+0,502ln AGR_100_200 0,160Argile 0,049Sable 2,964ln(Limon) +0,012CU+0,046ArgileLarg +0,848ln LimonLarg [12.12] SED = Épaisseur de sédiments(mm) AGR_1=Agrégats<0,1mm(%) SM =Sable moyen(%) AGR_25_50=Agrégats[0,25-0,50mm](%) AGR_10_25=Agrégats[0,10-0,25mm](%) AGR_100_200=Agrégats[1,00-2,00mm](%) Argile=Argile(%) Sable=Sable(%) Limon=Limon(%) CU = Coefficient d uniformité Larg = Largeur des pertuis(mm) Lecoefficientdecorrélationobtenuaétéde0,886etlafigure11.6présentelarelationentrelesépaisseurs de sédiments prédites et observées pour les cas analysés. En utilisant les résultats de plusieurs expériences Gallichand et Lagacé(1987) ont présenté une synthès présentée à la figure x. Les résultats peuvent être représntés par l équation suivante qui peut aider à prédire le niveau de sédiments dans les sols pulvérulents: CFHR+Fsol <0,5 [12.13] CF = Coefficient = 1,0(pertuis ronds), = 1,1(pertuis rectangulaires) HR = Rayon hydraulique des pertuis(mm) Fsol=Facteursol=0,68 -(1,187 D60)

9 199 Figure 12.6 Relation entre les épaisseurs de sédiments prédites et observées (Lagacé et Skaggs, 1985). FRACTION Broadhead, 1981 Broughton et al. 1982, et Lagacé, 1983 Gallichand et Lagacé, 1987 Lagacé, 1983 Trafford et Mice, 1972 Wiiardson, 1979 CFHR+FSOIL(mm) Figure 12.7 Prédiction de la fraction de sédiment occupant l espace libre en utilisant différents résultats de la littérature(adapté de Gallichand et Lagacé, 1988).

10 MEMBRANES GÉOTEXTILES Il existe différentes catégories de membranes géotextiles Les membranes tissées Les membranes tissées sont constituées de fibres orientées en deux directions perpendiculaires et qui s entrecroisent mutuellement. Comparativement aux autres méthodes de fabrication, le tissage représente une méthode plus coûteuse, mais il a l avantage de conduire à un produit ayant une structuresimple:ladistributiondelatailledesporesestjusquàuncertainpointuniforme,simpleetfacile à déterminer. D autre part, la géométrie relativement simple des membranes tissées permet de relier directement leurs propriétés mécaniques à celles des fibres. Il faut noter cependant que les caractéristiques de contrainte des membranes tissées sont presque toujoursprésentéesentermesdedirectiondechaîneoudetrame,maissilesmembranessontsoumisesà un effort dans une autre direction(diagonale), leurs propriétés sont considérablement modifiées. Dans l ensemble les membranes tissées offrent quand même des résistances moyennement fortes à très fortes et possèdent aussi une structure de pores simples Les membranes tricotées Alors que pour les membranes tissées les brins sont essentiellement rectilignes, les membranes tricotées sont constituées par des boucles de fibres reliées par des segments linéaires. Ainsi, de par cette structure, les membranes tricotées peuvent être soumises à des tensions dans une ou plusieurs directions sans augmenter de façon significative l effort sur les fibres. Leprocédédetricotageadeuxavantagessurletissage.Ilestmoinscheretiloffrelapossibilitéde fabriquer des tubes. Une des applications de ces tubes est leur utilisation comme filtres autour des drains agricoles Les membranes non tissées Oninclutdanscegroupetouteslesmembranesquinesontnitisséesnitricotées.Ellessontconstituées par des fibres reliées entre elles par différents procédés qui leur confèrent des propriétés particulières. Dans l ensemble, les membranes non tissées sont relativement bon marché et elles présentent des résistances à l effort allant de faible à moyennement forte. Elles ont également une très grande déformabilité. Elles sont largement utilisées comme filtres, comme drains, comme agent séparateur ou dans des travaux de renforcement léger Les membranes aiguillettées L aiguilletage est un procédé mécanique qui consiste à entremêler les filaments au moyen d aiguilles, ce qui confère une certaine résistance à la nappe obtenue. Pour obtenir une plus grande résistance, on peut aussi superposer plusieurs nappes qui seront aiguillettées ensemble.

11 MEMBRANES GÉOTEXTILES 201 Les membranes aiguillettées sont épaisses comparativement à leur poids(85 à 90% de vide) et la structure des pores est assez complexe. Ceci peut représenter un avantage en filtration Les membranes liées thermiquement Les fibres sont liées entre elles par passage entre deux cylindres chauffés et sous une importante pression.onobtientainsiunesouduredesfilamentslesunsauxautresauxpointsdecontact.lamembrane formée est relativement mince; la configuration et la dimension des pores sont indépendantes delacontrainteappliquéeàlamembrane.cependant,ilarrivesouventquesilanappedefibresest chauffée suffisamment pour créer une liaison solide entre les fibres, il s en suit une dégradation de leurs propriétés mécaniques ainsi qu une réduction de leur orientation Les membranes liées chimiquement Cesmembranessontproduitesparimprégnationdelanappedefibresavecunerésinequisertàles lier ensemble. L épaisseur et la structure de ces membranes sont intermédiaires entre les membranes aiguillettées et celles liées thermiquement. Cette méthode est cependant la plus coûteuse et, toutes choses égales d ailleurs, les membranes liées chimiquement ont moins de vide et une perméabilité plus faible Autres types On peut également trouver des membranes fabriquées à l aide d une combinaison de ces techniques de liaison. Ainsi, des membranes liées chimiquement sont souvent aiguillettées. D autre part, de nombreuses membranes sont produites en utilisant plus d une technique de constructionetdeliaison:parexemple.ilestcourantd aiguilletterdesfibressurunsupporttissé. Il apparaît donc qu il existe une grande variété de membranes et il est également évident qu on peut en obtenir un éventail encore plus grand avec le développement de nouvelles techniques et de nouveaux matériaux. Le domaine des caractéristiques de ces membranes est très étendu aussi bien du point de vue des caractéristiques des pores que des propriétés mécaniques. Leur durée de vie peut également être très différente. L ingénieur devra donc reconnaître ces différences et choisir les membranes qui conviennent le mieux pour chaque application particulière.

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