DIRECT-PUSH TECHNOLOGY (DPT)

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1 RECOMMANDATIONS POUR LA MESURE DE PARAMETRES GEOPHYSIQUES, GEOTECHNIQUES, HYDROGEOLOGIQUES ET GEOCHIMIQUES ET LE PRELEVEMENT DES EAUX SOUTERRAINES, DES SOLS ET DES GAZ DU SOL PAR DIRECT-PUSH TECHNOLOGY (DPT) PROJET CARACITYCHLOR Étude réalisée pour le compte de l ADEME par l INERIS (J. Michel) Coordination technique : Yves Duclos Service Friches Urbaines et Sites pollués (SFUSP) - Direction Villes et Territoires Durables (DVTD) ADEME (Angers) RAPPORT FINAL

2 Toute représentation ou reproduction intégrale ou partielle faite sans le consentement de l auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite selon le Code de la propriété intellectuelle (art. L 122-4) et constitue une contrefaçon réprimée par le Code pénal. Seules sont autorisées (art ) les copies ou reproductions strictement réservées à l usage privé de copiste et non destinées à une utilisation collective, ainsi que les analyses et courtes citations justifiées par la caractère critique, pédagogique ou d information de l œuvre à laquelle elles sont incorporées, sous réserve, toutefois, du respect des dispositions des articles L à L du même Code, relatives à la reproduction par reprographie. Any representation or reproduction of the contents herein, in whole or in part, without the consent of the author(s) or their assignees or successors, is illicit under the French Intellectual Property Code (article L 122-4) and constitutes an infringement of copyright subject to penal sanctions. Authorised copying (article 122-5) is restricted to copies or reproductions for private use by the copier alone, excluding collective or group use, and to short citations and analyses integrated into works of a critical, pedagogical or informational nature, subject to compliance with the stipulations of articles L L incl. of the Intellectual Property Code as regards reproduction by reprographic means. Direct-push technology 2

3 SOMMAIRE LISTE DES ABREVIATIONS... 6 RESUME... 7 ABSTRACT Introduction Problématique liée aux solvants chlorés et contexte du projet CaraCityChlor Livrables du projet CityChlor Direct-push technology Caractérisation des gaz du sol : configuration des puits à gaz et techniques de prélèvement des gaz du sol Modèles pour la prédiction des transferts de vapeurs vers l air intérieur Dégradation du chlorure de vinyle dans la zone non saturée Site atelier «France» - Exemple d utilisation d outils de caractérisation des eaux souterraines, des sols, des gaz du sol et de l air intérieur de sites contaminés par des solvants chlorés en milieu urbain Objet du présent rapport - Introduction au DPT Présentation générale de la technologie DPT (Direct-push technology) Description Avantages par rapport à d autres techniques Souplesse et possibilités techniques Représentativité des résultats Limites Comblement des sondages Recommandations générales Caractéristiques techniques du DPT Description des techniques Méthodes d insertion des tubes Description Recommandations générales Le DPT pour la mesure des paramètres géophysiques, géotechniques et hydrogéologiques Description Les méthodes Recommandations générales Le DPT pour la détection des contaminants Description Recommandations générales Systèmes de prélèvement DPT Description Les méthodes Recommandations générales Ouvrages permanents pour le prélèvement d eaux souterraines et de gaz du sol mis en place par le DPT Description Recommandations générales Etudes de cas Utilisation de la sonde EnISSA MIP et de la membrane hydrophobe flexible Description du site et définition du problème Tests mis en œuvre sur site Direct-push technology 3

4 4.1.3 Résultats et interprétation Informations complémentaires Screening à l aide des techniques DPT Description du site et définition du problème La recherche des sources : screening dans les gaz du sol Propagation en profondeur : screening à l aide du MIP Utilisation du CPT, du MIP et du BAT pour caractériser un site Description du site Tests réalisés Informations complémentaires Références Annexe 1 : Membrane interface probe (MIP) Annexe 2 : Membranes hydrophobes flexibles Annexe 3 : Echantillonneur BAT Direct-push technology 4

5 LISTE DES FIGURES Figure 1 : Utilisation du DPT sur site Figure 2 : Les différentes méthodes d insertion des tubes Figure 3 : Vue schématique des sondes DPT pour la mesure des paramètres géophysiques, géotechniques et hydrogéologiques Figure 4 : Schéma des sondes LIF et MIP Figure 5 : Schéma des systèmes de prélèvement (sols, gaz du sol et eaux souterraines) Figure 6 : Schéma des installations pour le prélèvement des gaz du sol et des eaux souterraines Figure 7 : Comparaison des résultats obtenus par le MIP «classique» et la sonde EnISSA MIP Figure 8 : Vue aérienne du site Figure 9 : Localisation des sondages CPT-MIP Figure 10 : Sonde MIP Figure 11 : Couleur indiquant la présence de DNAPL Figure 12 : Echantillonneur BAT LISTE DES TABLEAUX Tableau 1 : Caractéristiques techniques du DPT Tableau 2 : Systèmes permettant l introduction des tubes dans le sol Tableau 3 : Méthodes de mesures des paramètres géophysiques, géotechniques, hydrogéologiques et géochimiques Tableau 4 : Caractéristiques des sondes permettant la détection des contaminants Direct-push technology 5

6 LISTE DES ABREVIATIONS ADEME BTEX(N) CPT CV DCE DELCD (D)NAPL DPT EC EnISSA FID GCMS HAP INERIS LIBS LIF MIP MTBE PCE PID RNS TCEI XRF Agence de l environnement et de la maîtrise de l énergie Benzène, toluène, éthylbenzène, xylène, (naphthalène) Cone penetrometer test Chlorure de vinyle Dichloroéthène Détecteur de conductivité électrolytique (Dense) non-aqueous phase liquid Direct-push technology Conductivité électrique Enhanced in situ soil analysis Détecteur à ionisation de flamme Chromatographie en phase gazeuse couplée à un détecteur de masse Hydrocarbure aromatique polycyclique Institut national de l environnement industriel et des risques Spectroscopie sur plasma induit Fluorescence induite par laser Membrane interface probe méthyl-tert-butyl éther Perchloroéthylène Détecteur à photo-ionisation Ribbon NAPL sampler Trichloroéthylène Fluorescence X Direct-push technology 6

7 RESUME Le DPT (Direct-Push Technology) fait référence à un ensemble de techniques utilisées pour des investigations sur les sols, les gaz du sol et les eaux souterraines. Ces techniques reposent sur l insertion de tubes creux de petit diamètre dans le sol, en les poussant ou par vibrations. Ces tubes peuvent être équipés de sondes pour la mesure ponctuelle ou en continu de paramètres hydrogéologiques, géophysiques, géotechniques et géochimiques, comme par exemple la conductivité hydraulique du sol ou encore le niveau d eau. Ils peuvent également être complétés par des outils de prélèvements à leur extrémité, permettant de collecter des échantillons de sol, d eau souterraine ou encore des gaz du sol. Enfin, des outils pour la mise en place d ouvrages permanents pour le prélèvement d eaux souterraines et de gaz du sol peuvent être adaptés sur les tubes. Le DPT est un outil polyvalent qui permet la réalisation d investigations de manière flexible et plus économique que les techniques traditionnelles. Le DPT est utilisé pour la réalisation d investigations dans le sol depuis une vingtaine d années. Cependant, des disparités apparaissent au sein de l Europe en terme d utilisation de ce type de techniques. Le projet CityChlor offre une bonne opportunité pour échanger sur les retours d expérience relatifs à l utilisation des techniques DPT au sein des pays partenaires et d éliminer ces disparités. Ce document s adresse aux bureaux d études, maîtres d ouvrage et autorités. Son but est de disséminer les techniques DPT en donnant un aperçu de leurs avantages et de leurs limites et en examinant tout particulièrement les outils les plus pertinents pour les pollutions aux solvants chlorés. Puisque les équipements évoluent encore rapidement, ce document ne présente pas une liste exhaustive de tous les systèmes disponibles. En effet, de nouveaux outils sont en cours de développement et les équipements existants peuvent être utilisés de manière différente pour satisfaire aux besoins spécifiques de chaque site. ABSTRACT Direct-Push Technology (DPT) refers to a group of techniques used for subsurface investigation by driving, pushing and/or vibrating small-diameter rods into the ground. By attaching tools to the end of the rods, they can be used for in-situ measurements or for the collection of samples from soil, groundwater or soil air. DPT holds a group of versatile techniques that aid in cost-efficient and flexible soil investigation. DPT are being applied in environmental soil investigation since 20 years, but there is a big difference in the status of these techniques within Europe. The CityChlor project offers an excellent opportunity to exchange experiences with DPT and to eliminate these dissimilarities. This document addresses to consultants, contractors and authorities. The goal of this document is to enhance the knowledge on DPT by giving a balanced overview of advantages and drawbacks, focusing on tools relevant for pollution with chlorinated solvents. As the equipment is still rapidly evolving, this document does not include a complete overview of all tools manufactured by specific companies. Not only are new tools being developed, but existing equipment is being used in creative ways to meet the needs of sitespecific conditions. Direct-push technology 7

8 Direct-push technology 8 Juin 2013

9 1 Introduction 1.1 Problématique liée aux solvants chlorés et contexte du projet CaraCityChlor Selon l annexe 2 de la Directive Cadre sur les Eaux Souterraines, les solvants chlorés font partie des contaminants les plus rencontrés dans les sols et les eaux souterraines du fait de leur large utilisation comme solvants et agents de dégraissage. La pollution par les solvants chlorés en milieu urbain est, dans de nombreux cas, causée par des activités économiques ou industrielles de proximité telles que les pressings, les garages, les imprimeries ou les usines de traitement de surface, souvent anciennes, qui génèrent à l échelle d une agglomération des sources de contamination multiples. Ces activités, qui ne dépassent pas un cadre local, sont situées au cœur du tissu urbain ; la pollution est donc souvent située sous des zones résidentielles et de ce fait difficilement accessible. Par ailleurs, les vapeurs de solvants chlorés peuvent migrer à travers les dalles des habitations et affecter notablement la qualité de l air intérieur ; ce type de pollution en milieu urbain revêt donc des enjeux importants. La gestion des sites pollués par des solvants chlorés suit des processus souvent longs, complexes et coûteux et dépasse très souvent les capacités financières du seul pollueur. De plus, ces pollueurs sont souvent difficiles à retrouver et leurs responsabilités respectives ne sont pas aisées à établir dans le cas de mélange de pollutions provenant de différentes sources. La pollution pose non seulement un risque sanitaire dû à l exposition des populations aux contaminants mais elle limite également le développement économique et urbanistique et altère la qualité de vie. La configuration hétérogène de la pollution des sols par des solvants chlorés et la volatilisation de ces composés lors de leur prélèvement rendent la caractérisation des zones sources et des panaches délicate. De nombreux documents, guides techniques, publications scientifiques sont disponibles sur les différents aspects considérés, de la caractérisation au traitement, mais les méthodes innovantes sont peu considérées dans les pratiques courantes. En outre, différents guides de bonnes pratiques existent au niveau européen, mais leurs contenus sont parfois très divergents et de nombreux choix ne sont pas justifiés (par exemple par une validation expérimentale sur le terrain). Les verrous sont également liés principalement au manque d appropriation de ces nouvelles techniques par les réalisateurs des études. C est pourquoi le projet CityChlor a été mené. Il s agissait d une collaboration entre 9 partenaires en Allemagne (ITVA, ville de Stuttgart), en Flandres (OVAM, villes de Mortsel et de Ghent), en France (ADEME, INERIS) et aux Pays-Bas (Bodem+, ville d Utrecht). Ce projet avait non seulement pour but de rassembler des connaissances techniques sur la caractérisation et la dépollution des solvants chlorés en milieu urbain, mais aussi d élaborer un mode de gestion intégrée des sites contaminés par des solvants chlorés. Cette approche intégrée combine tous les aspects pertinents pour remédier aux difficultés qu une telle pollution peut causer en milieu urbain. Selon la typologie du site et son contexte, non seulement les solutions techniques concernant la caractérisation et la dépollution de ces sites doivent être considérées, mais également les aspects socio-économiques comme le développement urbain, la communication avec les parties prenantes, ainsi que les aspects financiers et juridiques. Le projet CityChlor propose par ailleurs de considérer de plus larges zones par rapport à l approche classique par site : il s agit alors d une approche qui permet la remédiation, la surveillance et la maîtrise de plusieurs sources et panaches de pollution dans une zone donnée. De ce fait, le processus de gestion des risques ainsi que la dépollution seront facilités, induisant une utilisation plus durable de l espace et une amélioration de la qualité de l environnement urbain. Les résultats de ce projet, comprenant notamment des guides de bonnes pratiques sur l utilisation des techniques de caractérisation et de remédiation des pollutions aux solvants chlorés en milieu urbain sont disponibles sur le site internet du projet CityChlor ( Afin de progresser vers une meilleure gestion des sites (caractérisation plus fine, identification des phénomènes, évaluation des risques plus juste), l intégration de ces innovations dans les pratiques courantes en France sera facilitée par un travail d appropriation et de tests dans le contexte français. C est pourquoi le projet CaraCityChlor, co-financé par l ADEME et mené par l INERIS, a été mis en place en complément du projet CityChlor. Ainsi, plusieurs pistes de progrès ont été identifiées pour améliorer les connaissances concernant la caractérisation de trois milieux rencontrés sur les sites pollués : les eaux souterraines, les gaz (gaz du sol et air ambiant) et les sols. Le projet CaraCityChlor se propose de compléter, dans le contexte français, les tests de plusieurs outils ou techniques mis en œuvre dans le cadre du projet CityChlor (direct-push technology, prélèvements de gaz du sol et tests de différentes configurations de puits à gaz) et approches (modélisation du transfert de vapeurs vers l air intérieur) de Direct-push technology 9

10 caractérisation de sites urbains pollués par les solvants chlorés. Les travaux comprennent également l étude de l atténuation naturelle du chlorure de vinyle ainsi que le test du protocole de démonstration de l atténuation naturelle proposé dans le cadre du projet ATTENA. Ces techniques ont été mises en œuvre sur un site atelier afin d identifier les pièges principaux, de tester l applicabilité en conditions réelles (difficultés d accès, type de lithologie adapté à ces méthodes) et d évaluer de manière réaliste les coûts engendrés sur le terrain. Le retour d expérience concerne l efficacité des techniques de caractérisation testées mais également la facilité de mise en œuvre et l intégration dans une approche globale de gestion du site. 1.2 Livrables du projet CityChlor Pour une meilleure communication vis-à-vis des lecteurs, les résultats des projets CityChlor et CaraCityChlor ont été mis en commun et les livrables du projet CaraCityChlor correspondent à une traduction en français des livrables du projet CityChlor. Ainsi, 5 rapports et guides sont disponibles en français dans le cadre du projet CaraCityChlor et sont présentés dans les paragraphes suivants Direct-push technology Le DPT (Direct-Push Technology) fait référence à un ensemble de techniques utilisées pour des investigations sur les sols, les gaz du sol et les eaux souterraines. Ces techniques reposent sur l insertion de tubes creux de petit diamètre dans le sol, en les poussant ou par vibrations. Ces tubes peuvent être complétés par des outils de prélèvements à leur extrémité, permettant de collecter des échantillons de sol, d eau souterraine ou encore des gaz du sol. Ils peuvent également être équipés de sondes pour la mesure ponctuelle ou en continu de paramètres hydrogéologiques, géophysiques, géotechniques et géochimiques, comme par exemple la conductivité hydraulique du sol ou encore le niveau d eau. Le guide de bonnes pratiques pour la mise en œuvre des techniques DPT sur site est structuré selon 4 parties principales. Il propose une synthèse des possibilités du DPT, de ses avantages et ses limites ainsi que des points d attention généraux lors de sa mise en œuvre. Ensuite, une description des techniques permettant la mesure de paramètres géotechniques, géophysiques, hydrogéologiques et géochimiques, des techniques de prélèvement des sols, des gaz du sol et des eaux souterraines disponibles avec le DPT ainsi que la mise en place d ouvrages pour le suivi des eaux souterraines et des gaz du sol selon cette technologie est présentée. Pour chaque technique, des recommandations spécifiques de mise en œuvre ont été émises, grâce au retour d expérience fourni par les tests réalisés sur site. De plus, les différentes études sur site conduites dans le cadre du projet CityChlor et mettant en œuvre certaines techniques DPT sont présentées de manière synthétique dans ce guide. Enfin, certaines techniques sélectionnées pour leur application spécifique aux solvants chlorés sont décrites plus en détail (voir rapport CaraCityChlor : Recommandations pour la mesure de paramètres géophysiques, géotechniques, hydrogéologiques et géochimiques et le prélèvement des eaux souterraines, des sols et des gaz du sol par Direct-Push Technology (DPT), INERIS, 2013) Caractérisation des gaz du sol : configuration des puits à gaz et techniques de prélèvement des gaz du sol Ce rapport concernant la caractérisation des gaz du sol est divisé en 3 parties principales. Tout d abord, il dresse un état des lieux des différentes installations et techniques permettant le prélèvement des gaz du sol. Les configurations de piézairs ainsi que les techniques de prélèvement des gaz du sol testées sur le site atelier «France» dans le cadre du projet CityChlor sont ensuite synthétisées. Enfin, des recommandations pratiques sont proposées pour la sélection des configurations de piézairs et des techniques de prélèvement les plus appropriées pour le suivi des gaz du sol (voir rapport CaraCityChlor : Caractérisation et suivi des gaz du sol, INERIS, 2013) Modèles pour la prédiction des transferts de vapeurs vers l air intérieur En premier lieu, les modèles analytiques pour la prédiction des transferts de vapeurs vers l air intérieur sont décrits, notamment les modèles Johnson et Ettinger et Volasoil. Dans le cadre du projet CaraCityChlor, ces modèles ont été testés en s appuyant sur des données expérimentales acquises sur le site atelier «France» et les résultats des modélisations sont comparés dans ce document (voir rapport CaraCityChlor : Modèles de prédiction des transferts dans l air intérieur, INERIS, 2013). Direct-push technology 10

11 1.2.4 Dégradation du chlorure de vinyle dans la zone non saturée Le document élaboré dans le cadre de cette partie présente les travaux expérimentaux réalisés pour mettre en évidence la dégradation du chlorure de vinyle dans la zone non saturée. Il s agit de l installation de puits à gaz sur le site atelier «France» et de mesures et prélèvements de gaz du sol dans ces piézairs. Des expériences de laboratoire en microcosmes ont été menées et sont décrites et interprétées dans ce rapport. Une synthèse bibliographique sur le sujet est également proposée (voir rapport CaraCityChlor : Dégradation du chlorure de vinyle dans la zone non saturée, INERIS, 2013) Site atelier «France» - Exemple d utilisation d outils de caractérisation des eaux souterraines, des sols, des gaz du sol et de l air intérieur de sites contaminés par des solvants chlorés en milieu urbain Ce rapport présente les investigations réalisées par l INERIS sur le site atelier «France». Dans le cadre des projets CityChlor et CaraCityChlor, des techniques de caractérisation des eaux souterraines, des sols, des gaz du sol et de l air intérieur ont été mises en œuvre et évaluées sur ce site. En premier lieu, 3 techniques DPT ont été testées : le CPT (cone penetrometer test) afin d avoir des informations sur la lithologie, le MIP (membrane interface probe) pour une détermination qualitative des zones contaminées sur le site et enfin l échantillonneur BAT permettant le prélèvement d eaux souterraines à une profondeur donnée. Les conditions de ces tests ainsi que les résultats et leur interprétation sont présentés dans ce rapport. Suite à ces reconnaissances, 4 piézomètres «en flûte de pan» ont été installés pour évaluer les échantillonneurs passifs pour la mesure de la qualité des eaux souterraines. Au total, 4 échantillonneurs passifs ont été testés sur ce site : les PDBs (polyethylene diffusion bags), les membranes de dialyse, les dosimètres en céramique et les modules Gore. Ces tests n étaient pas compris dans le périmètre du projet CaraCityChlor mais figurent cependant dans le rapport de site afin de permettre au lecteur d avoir une vue globale des investigations menées. En effet, ces tests ont été conduits dans le cadre des projets CityChlor et PassCityChlor (mené par l INERIS et co-financé par l ADEME). Le guide de bonnes pratiques pour une utilisation des échantillonneurs passifs pour la mesure de la qualité des eaux souterraines dans le contexte des sites pollués est disponible en anglais sur le site internet du projet CityChlor. Il sera disponible en français sur les sites internet de l INERIS et de l ADEME à partir du mois de novembre Le rapport de site présente en détail les tests réalisés sur les échantillonneurs passifs, ainsi que leurs résultats et interprétations. Par ailleurs, les différentes configurations de puits à gaz mises en œuvre sur ce site et les techniques de prélèvement des gaz du sol sont comparées en termes de représentativité de l échantillon obtenu. Enfin, le protocole de démonstration de l atténuation naturelle développé dans le cadre du projet ATTENA a été testé et est commenté dans ce rapport. 1.3 Objet du présent rapport - Introduction au DPT Le DPT (Direct-Push Technology) fait référence à un ensemble de techniques utilisées pour des investigations sur les sols, les gaz du sol et les eaux souterraines. Ces techniques reposent sur l insertion de tubes creux de petit diamètre dans le sol, en les poussant ou par vibrations. Ces tubes peuvent être équipés de sondes pour la mesure ponctuelle ou en continu de paramètres hydrogéologiques, géophysiques, géotechniques et géochimiques, comme par exemple la conductivité hydraulique du sol ou encore le niveau d eau. Ils peuvent également être complétés par des outils de prélèvements à leur extrémité, permettant de collecter des échantillons de sol, d eau souterraine ou encore des gaz du sol. Enfin, des outils pour la mise en place d ouvrages permanents pour le prélèvement d eaux souterraines et de gaz du sol peuvent être adaptés sur les tubes. Le DPT est un outil polyvalent qui permet la réalisation d investigations de manière flexible et plus économique que les techniques traditionnelles. Le DPT est utilisé pour la réalisation d investigations dans le sol depuis une vingtaine d années. Cependant, des disparités apparaissent au sein des pays d Europe en terme d utilisation de ces techniques. Le projet CityChlor offre une bonne opportunité pour échanger sur les retours d expérience relatifs à l utilisation du DPT au sein des pays partenaires et d éliminer ces disparités. Ce document s adresse aux bureaux d études, maîtres d ouvrage et autorités. Son but est de disséminer les techniques DPT en donnant un aperçu de leurs avantages et de leurs limites, de fournir des recommandations opérationnelles d utilisation, ceci en examinant tout particulièrement les outils les plus pertinents pour les pollutions aux solvants chlorés. Puisque les équipements évoluent encore rapidement, ce document ne présente pas une liste exhaustive de tous les systèmes disponibles. En effet, de nouveaux outils sont en cours de développement et les équipements existants peuvent être utilisés de manière différente pour satisfaire aux besoins spécifiques à chaque site. Direct-push technology 11

12 Ce rapport est structuré de la manière suivante : tout d abord, le DPT est présenté dans le Chapitre 2 qui propose une synthèse des possibilités du DPT, de ses avantages et ses limites ainsi que des points d attention généraux lors de sa mise en œuvre. Le Chapitre 3 présente les techniques permettant la mesure de paramètres géotechniques, géophysiques, hydrogéologiques et géochimiques, les techniques de prélèvement des sols, des gaz du sol et des eaux souterraines disponibles avec le DPT ainsi que la mise en place d ouvrages pour le suivi des eaux souterraines et des gaz du sol selon cette technologie. Pour chaque technique, des recommandations spécifiques de mise en œuvre ont été émises, grâce au retour d expérience fourni par les tests réalisés sur site. Les travaux sur sites mettant en œuvre le DPT dans le cadre du projet CityChlor sont présentés dans le Chapitre 4. Ils comprennent notamment les tests réalisés par l INERIS sur le site atelier «France». Enfin, certaines techniques spécifiquement dédiées aux pollutions aux solvants chlorés sont décrites en annexe. Direct-push technology 12

13 2 Présentation générale de la technologie DPT (Direct-push technology) 2.1 Description Le DPT (Direct-Push Technology) fait référence à un ensemble de techniques utilisées pour des investigations sur les sols, les gaz du sol et les eaux souterraines. Ces techniques reposent sur l insertion de tubes creux de petit diamètre dans le sol, en les poussant ou par vibrations. Ces tubes peuvent être équipés de sondes pour la mesure ponctuelle ou en continu de paramètres hydrogéologiques, géophysiques, géotechniques et géochimiques, comme par exemple la conductivité hydraulique du sol ou encore le niveau d eau. Ils peuvent également être complétés par des outils de prélèvements à leur extrémité, permettant de collecter des échantillons de sol, d eau souterraine ou encore des gaz du sol. Enfin, des outils pour la mise en place d ouvrages permanents pour le prélèvement d eaux souterraines et de gaz du sol peuvent être adaptés sur les tubes. Le DPT est un outil polyvalent qui permet la réalisation d investigations de manière flexible et plus économique que les techniques traditionnelles. Le DPT peut être utilisé dans des formations non consolidées pour des investigations sur les sols, les eaux souterraines et/ou les gaz du sol. Le DPT peut être utilisé pour répondre à des nombreuses questions. Différentes techniques peuvent être combinées en une seule sonde. L utilisation du DPT permet de réagir de manière flexible sur site par rapport aux résultats et d adapter le programme d investigations. Ce principe est illustré Figure 1 avec les 3 types d utilisation du DPT : avec des sondes de mesure, pour le prélèvement d échantillons d eau souterraine, de sol et de gaz du sol et enfin pour l installation d ouvrages permettant le suivi des eaux souterraines et des gaz du sol. L avantage de cette méthode est une acquisition de résultats de manière plus économique et avec une meilleure qualité par rapport aux techniques utilisées classiquement. Par ailleurs, la localisation des sondages est optimisée. Question Planification projet/ investigations Adaptation de la stratégie d investigation Capteurs - géologie - hydrogéologie - polluants Résultats Installation - piézomètre - piézair Evaluation et décision Prélèvements - eau souterraine - sol - gaz du sol Figure 1 : Utilisation du DPT sur site Direct-push technology 13

14 2.2 Avantages par rapport à d autres techniques Les investigations au DPT sont plus rapides et plus flexibles que les méthodes de forage conventionnelles. Grâce au petit diamètre des sondes, cette technique est moins invasive, ce qui permet de réduire le temps nécessaire au prélèvement et augmente la quantité de données collectées. Le nombre de points échantillonnés est plus important qu avec les techniques conventionnelles pour le même temps d investigation et le même budget. Puisque le sol est seulement poussé sur les côtés lors de la descente des tubes, cette technique ne génère pas de déchets, ce qui réduit les coûts d investigation. Par ailleurs, le diamètre limité des sondes minimise l impact des investigations sur le sous-sol. Le matériel est également plus facile à nettoyer que les équipements classiques de forage, limitant ainsi les risques de contamination croisée. 2.3 Souplesse et possibilités techniques Un nombre important de sondes est disponible pour la mesure de paramètres physiques et hydrogéologiques et pour le prélèvement des sols, des gaz du sol et des eaux souterraines dans des conditions bien définies (par exemple prélèvement à des profondeurs données). Certaines d entre elles peuvent être combinées, menant à une optimisation des investigations. La flexibilité importante de cette technique permet également une installation rapide et efficace des équipements de mesure et de prélèvement dans le sol pour des observations en continu. En fonction du diamètre de l équipement de sondage, des mesures réalisées classiquement dans les ouvrages mis en place à l aide des techniques conventionnelles peuvent être conduites (par exemple, mesures des rayonnements gamma pour la détection des horizons argileux). Plusieurs techniques nécessitent néanmoins un étalonnage par d autres techniques ou par des prélèvements et analyses de sols. 2.4 Représentativité des résultats Cette technique permet des mesures et des prélèvements ponctuels dans l espace et dans le temps. Il n est pas possible de reproduire des mesures au même endroit, sauf dans le cas de la mise en place d ouvrages permanents (piézomètres et piézairs). Cependant, en considérant une faible variabilité spatiale des paramètres mesurés à l échelle du cm ou du dm, des données reproductibles peuvent être obtenues. Ceci signifie que des mesures répétées dans la même zone conduiront à des résultats similaires si les paramètres mesurés ne changent pas dans la zone considérée. Ceci implique que malgré la petite surface investiguée autour de la sonde (de l ordre du dm), une grande représentativité des résultats peut être obtenue. 2.5 Limites Le DPT peut être uniquement utilisé dans des formations non consolidées. Le résultat d un sondage et en particulier la profondeur atteinte dépendent principalement du «potentiel de déplacement» de la matrice solide autour de la sonde et non de la granulométrie du sol. La profondeur atteinte est donc liée à la facilité avec laquelle le sol peut être poussé sur les côtés de la sonde. Cette technique peut ainsi être utilisée avec succès dans une large gamme de granulométrie allant de l argile aux graviers et dans des cas exceptionnels dans des roches fortement altérées. Pour des matériaux non consolidés et dans des conditions favorables, des profondeurs de plus de 50 m peuvent être atteintes. Cependant, le risque d endommager les sondes augmente avec la profondeur. Les profondeurs usuelles d application du DPT sont comprises entre 15 et 35 m. Les profondeurs pouvant être atteintes diminuent en général lorsque le diamètre des sondes et des tubes augmente. Cette limite de profondeur est due à une plus grande friction des tubes et à un déplacement plus important de sol, résultant d une plus grande section et en particulier d une plus grande surface de tubes. En fonction de la lithologie sur site, la friction peut être diminuée et des profondeurs plus importantes peuvent être atteintes en réalisant un avant-trou (par exemple avec une tarière) ou un forage avant l insertion des tubes. Les diamètres usuels des tubes sont compris entre 38 et 100 mm (1,5 et 4 ). Les mesures réalisées à l aide du DPT sont des mesures ponctuelles. La zone investiguée correspond à la zone à proximité immédiate de la sonde. Pour la mesure de la distribution spatiale d un paramètre, plusieurs sondages sont nécessaires, par exemple selon des transects. Direct-push technology 14

15 Lorsque le DPT est utilisé pour déterminer la lithologie, il est recommandé de mettre en œuvre cette technique à proximité de sondages bien décrits afin de calibrer les outils en vue de leur utilisation pour la description de profils verticaux. Enfin, il est recommandé de ne pas réaliser de sondages à l aide du DPT au travers d horizons imperméables au sein d aquifères profonds lorsque l isolation hydraulique des différents horizons ne peut pas être garantie. Dans ce cas, l utilisation du DPT doit être limitée aux horizons superficiels. C est pourquoi une bonne connaissance du contexte géologique sur site est nécessaire préalablement à des investigations à l aide du DPT. 2.6 Comblement des sondages Afin d éviter la propagation verticale de la pollution ainsi que les chemins préférentiels, il est recommandé de combler et de compacter les sondages réalisés avec le DPT. Ceci est obligatoire dans le cas où le sondage connecte hydrauliquement des horizons qui n étaient pas en continuité hydraulique auparavant ou lorsque des polluants «plongeants» (DNAPL) sont présents, puisqu ils pourraient migrer verticalement le long du forage créé. Dans ce cas, des tubages «à double cimentation» peuvent être mis en place pour éviter la propagation des contaminants au travers d une couche «imperméable». Pour ce faire, et dès lors que cela est possible techniquement, un coulis de bentonite-ciment est injecté sous pression dans le forage à partir du bas de l ouvrage lorsque les sondes sont remontées. Pour garantir une bonne étanchéité, la qualité du coulis bentonite-ciment, en termes de viscosité et de matériaux utilisés doit être cohérente avec les caractéristiques du sol. Lorsque les techniques DPT sont utilisées pour la mesure de paramètres géophysiques et géochimiques (par exemple conductivité électrique, MIP (membrane interface probe) et LIF (fluorescence induite par laser)), la méthode mentionnée ci-dessus ne peut pas être utilisée en général. Dans ce cas, un nouveau sondage de diamètre supérieur et avec des tubes creux au même endroit peut être réalisé pour l injection du coulis bentonite-ciment. Cependant, un comblement complet du sondage ne peut pas être garanti avec cette technique puisque le nouveau sondage peut être dévié verticalement par rapport au sondage initial. La méthode la plus simple pour combler un sondage consiste à verser le coulis bentonite-ciment depuis la surface. Des billes de bentonite (non recommandé), une boue de bentonite ou un coulis bentonite-ciment sont versés depuis la surface dans le sondage après que les sondes aient été retirées. Cette méthode peut s avérer efficace si le sondage ne s effondre pas lors du retrait des sondes et si le sondage est peu profond (moins de 5 mètres en général). Cependant, dans la plupart des situations, elle ne s avère pas aussi efficace que les autres méthodes. 2.7 Recommandations générales Un plan détaillé des travaux et des sondages doit être réalisé, précisant la configuration de chaque sondage (ordre des sondages, paramètres à mesurer, profondeurs ). Les réseaux enterrés et éventuels obstacles doivent être repérés. En cas de doute, un avant-trou manuel doit être réalisé. Le travail doit être exécuté par du personnel qualifié pour interpréter les résultats sur site. Une bonne connaissance du contexte géologique est nécessaire. Pendant les mesures et immédiatement après, un premier contrôle des résultats en termes de qualité et de cohérence doit être mené. Lorsqu un étalonnage des sondes est nécessaire, les résultats de cet étalonnage doivent rester disponibles pour une interprétation ultérieure. Les outils doivent être nettoyés entre les sondages et lorsque le travail est terminé, afin d éviter les contaminations croisées. Les résultats sont visualisés sous forme de graphique. Il est recommandé de joindre les données brutes au rapport. Direct-push technology 15

16 2.8 Caractéristiques techniques du DPT Le Tableau 1 présente certaines caractéristiques techniques du DPT. Diamètre extérieur Tableau 1 : Caractéristiques techniques du DPT Ordre de grandeur 35 à 80 mm en général, pouvant aller jusqu à 100 mm Remarques Epaisseur des tubes : 8 à 10 mm Profondeur atteinte 15 à 35 m (dépend de la lithologie) Jusqu à 50 m Temps nécessaire à la réalisation d un sondage Taille de l équipement Sondages simples (mesures de paramètres physico-chimiques) : environ 30 min pour 10 m. Sondages avec prélèvement des eaux souterraines : environ 3 h pour 5 échantillons à des profondeurs différentes. Installation d un équipement de mesure : environ 1 h par sonde. De l équipement manuel à l équipement monté sur un camion Direct-push technology 16

17 3 Description des techniques Ce chapitre présente les différentes techniques associées au DPT : la mesure de paramètres géotechniques, géophysiques, hydrogéologiques et géochimiques, les techniques de prélèvement des sols, des gaz du sol et des eaux souterraines, sans mise en place d ouvrages permanents, la mise en place d ouvrages permanents pour le suivi des eaux souterraines et des gaz du sol. Pour chaque technique, des recommandations spécifiques de mise en œuvre ont été émises, grâce au retour d expérience fourni par les tests réalisés sur site. Auparavant, les méthodes d insertion des tubes sont abordées. 3.1 Méthodes d insertion des tubes Description L insertion des tubes dans le sol se fait en général par une force motrice statique ou dynamique, ou une combinaison des deux. Les méthodes statiques utilisent la masse d un véhicule ainsi que l ancrage dans le sol pour pousser les tubes. Les méthodes dynamiques utilisent un marteau hydraulique à haute ou basse fréquence ou encore un moteur à vitesse élevée pour la production de vibrations à haute fréquence. Les sondes, les tubes et/ou les équipements de mesure et de prélèvement de petit diamètre sont poussés ou martelés dans le sol. La Figure 2 présente les méthodes d insertion des tubes dans le sol. Statique Dynamique a) Méthode statique : les tubes sont enfoncés dans le sol grâce à une puissance hydraulique et au poids du véhicule ancré dans le sol b) Méthodes statique et dynamique combinées : les tubes sont enfoncés grâce à un marteau hydraulique et au poids du véhicule ancré dans le sol si nécessaire c) Méthodes statique et dynamique combinées : les tubes sont enfoncés dans le sol grâce à des vibrations haute fréquence et au poids du véhicule. L ancrage au sol n est pas nécessaire Figure 2 : Les différentes méthodes d insertion des tubes Direct-push technology 17

18 3.1.2 Recommandations générales La taille et le châssis de l équipement (par exemple chenillette, camion ) et les caractéristiques du site comme une faible hauteur, des passages étroits, un sol meuble, des pentes fortes peuvent limiter l emploi des techniques DPT. En général, plus le châssis est lourd, plus il peut enfoncer les sondes profondément dans le sol. En revanche, les gros châssis sont plus difficiles à mettre en œuvre sur certains types de terrains. Le Tableau 2 présente les différents systèmes permettant l introduction des tubes dans le sol. Tableau 2 : Systèmes permettant l introduction des tubes dans le sol Poids (kg) Profondeur usuelle (m) Profondeur maximale (m) Mobilité Marteau manuel Très bonne Marteau hydraulique sur unité mobile Presse hydraulique ancrée dans le sol Camion avec presse hydraulique Bonne Bonne Moyenne 3.2 Le DPT pour la mesure des paramètres géophysiques, géotechniques et hydrogéologiques Description Avec les sondes DPT, les paramètres géophysiques, géotechniques et hydrogéologiques peuvent être mesurés à une profondeur donnée ou selon un profil vertical. En fonction du type de sonde, un ou plusieurs paramètres peuvent être mesurés simultanément pendant la réalisation du sondage. On distingue 3 types de mesures : mesures continues pendant la réalisation du sondage, mesures continues dans les tubes creux, mesures à une profondeur donnée. Le résultat est un profil vertical continu ou discret (succession de plusieurs valeurs à des profondeurs données). La Figure 3 présente les différents types de systèmes de mesures. Direct-push technology 18

19 Enregistrement des données Enregistrement des données Enregistrement des données Sonde de mesure Insertion du tube Sonde de mesure Sonde de mesure a) La sonde permettant la mesure est installée directement sur le tube. Les données sont enregistrées durant l avancement dans le sondage ou à des profondeurs données. b) La mesure est réalisée lorsque la profondeur désirée est atteinte par le tube. La sonde est alors descendue dans le tube et réalise une mesure en continu lors de sa descente. c) A la profondeur désirée, un filtre est ouvert et si nécessaire développé. Une sonde de mesure est installée et les mesures sont réalisées. Figure 3 : Vue schématique des sondes DPT pour la mesure des paramètres géophysiques, géotechniques et hydrogéologiques Les méthodes Le Tableau 3 présente les différentes méthodes de mesures des paramètres géophysiques, géotechniques, hydrogéologiques et géochimiques. Direct-push technology 19

20 Tableau 3 : Méthodes de mesures des paramètres géophysiques, géotechniques, hydrogéologiques et géochimiques Méthode Paramètres mesurés Informations données Couverture verticale Remarques Cone Penetrometer Test (CPT) Conductivité électrique (EC) Sondage au marteau Résistance et frottements du cône, pression de l eau porale Conductivité électrique Nombre de coups de marteau / 10 cm Cohérence et densité du sol, lithologie Teneur en argile, variations de la lithologie Variations dans la cohérence et la compaction du sol Continue Continue Quasi-continue Introduction des sondes de manière statique avec une vitesse constante Peut être utilisé comme un indicateur indirect de pollution (y compris les NAPL) Sonde de teneur en eau Teneur en eau Conductivité électrique, volumique, variations Permittivité relative du type de matériau traversé Continue Introduction statique Sonde neutronneutron gamma - gamma Sonde gamma Pénétromètre sismique Injection-logging (DP- IL) Hydraulic Profiling Tool (HPT) Mesures de température DP-slugtest Atténuation des rayonnements neutron ou gamma artificiels Intensité du rayonnement gamma naturel Vitesse des ondes compressibles et de cisaillement Vitesse et pression d injection de l eau Vitesse et pression d injection de l eau Température Fluctuations induites de pression d eau Teneur en eau, densité des matériaux Teneur en argile Lithologie et caractéristiques élastiques Continue Continue Quasi- continue Variations de la conductivité hydraulique Quasi- continue relative Délimitation de couches peu Continue perméables Distribution de A des profondeurs la données température Perméabilité hydraulique A la profondeur maximale atteinte Mesures dans les tubes creux, résultats affectés par le type de tube Mesures dans les tubes creux, résultats affectés par le type de tube Production et enregistrement de signaux séparés : resp. à la surface et dans la sonde La qualité des résultats dépend de la portée du filtre : de faibles perméabilités nécessitent des mesures sur des temps longs (> 1 h) Test de dissipation Adaptation de la pression de l eau porale Perméabilité hydraulique A des profondeurs données Introduction statique des tubes Direct-push technology 20

21 3.2.3 Recommandations générales Du personnel qualifié est nécessaire pour la mise en œuvre de ces techniques. Avant et après l utilisation de ces sondes, des mesures de contrôle de leur étalonnage doivent être réalisées. Lorsque les sondes nécessitent un étalonnage, les résultats de cet étalonnage doivent rester disponibles pour une interprétation ultérieure. Lorsque les mesures sont réalisées avec des sondes descendues dans les tubes creux, l influence de ces tubes sur les résultats doit être prise en compte. Lorsqu un avant trou ou un forage avant l introduction des tubes sont réalisés, cette étape doit être prise en compte dans l interprétation des résultats. En général, lorsque les sondes de mesures sont installées directement sur les tubes, celles-ci ont un diamètre supérieur à celui des tubes afin de réduire la friction sur ceux-ci lors de la réalisation du sondage. Pendant les mesures et immédiatement après, un premier contrôle des résultats en termes de qualité et de cohérence doit être mené sur site. Lors de l interprétation des résultats, la possible déviation des sondes par rapport à la verticale doit être prise en compte. Les résultats sont visualisés sous forme de graphique. Il est recommandé de joindre les données brutes au rapport. Toutes les informations relatives au sondage doivent être enregistrées (type de sonde, vitesse de sondage, temps ). 3.3 Le DPT pour la détection des contaminants Description Certaines sondes permettent des mesures qualitatives et semi-quantitatives de polluants organiques tels que les contaminants organiques volatils, les composés aromatiques (BTEX) et les hydrocarbures aromatiques polycycliques ainsi que des contaminants inorganiques à des profondeurs données ou selon un profil vertical. En fonction du type de sonde utilisée, il est possible de détecter les contaminants de manière individuelle ou les familles de contaminants. Les sondes existant pour la détection des contaminants sont : la sonde MIP : membrane interphase probe. Elle peut être utilisée pour la détection de tous les composés organiques de point d ébullition inférieur à C dans les zones saturée et non saturée (voir Figure 4 et annexe 1), les sondes LIF (fluorescence induite par laser), à savoir ROST (rapid optical screening tool), UVOST (ultra-violet optical screening tool) et TARGOST. Ces sondes peuvent être utilisées pour la détection des hydrocarbures légers et des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), voir Figure 4, la sonde XRF et LIBS : fluorescence X et spectroscopie sur plasma induit par laser. Elles peuvent être utilisées pour la détection des métaux lourds, les sondes GeoVis, Videocone : détection visuelle des NAPL. Ils peuvent être détectés visuellement par une caméra attachée à une sonde. L image permet un examen visuel de la stratigraphie et les zones contenant des NAPL peuvent être mises en évidence. La surface capturée par la camera est cependant petite (2 x 3 mm pour la sonde GeoVis, résolution 20 µm), les membranes hydrophobes flexibles : détection des NAPL par coloration. Cette technique repose sur l utilisation de liners équipés d un ruban imprégné d un colorant et insérés dans le sol. Les réactions provoquant un changement de couleur sur le liner indiquent la présence de DNAPL (voir annexe 2). Direct-push technology 21

22 Sonde LIF Impulsion de lumière Lumière émise Sonde MIP Gaz Gaz + polluants Fenêtre de saphir Membrane Pollution organique Contaminants organiques Bloc chauffant Figure 4 : Schéma des sondes LIF et MIP Le Tableau 4 présente les caractéristiques des sondes permettant la détection des contaminants. Tableau 4 : Caractéristiques des sondes permettant la détection des contaminants Sonde Polluant Couverture verticale Remarque A une profondeur MIP Hydrocarbures légers, BTEX donnée quasi continue LIF (ROST, UVOST, TARGOST ) BTEX, hydrocarbures, HAP Continue avec identification de polluant à une profondeur donnée Détection de HAP seulement avec la sonde TARGOST et dans une moindre mesure avec la sonde ROST XRF et LIBS Métaux Continue Détection visuelle NAPL Continue Membranes hydrophobes flexibles DNAPL Continue Direct-push technology 22

23 3.3.2 Recommandations générales Ces sondes peuvent être utilisées en association avec d autres sondes comme les sondes CPT (cone penetrometer test) et EC pour la détermination de la lithologie et de la pollution de manière simultanée. La sonde MIP peut être utilisée en association à différents détecteurs (généralement PID, FID, DELCD). Les limites de détection dépendent du détecteur choisi. La détection des concentrations dans la gamme des valeurs de dépollution usuelles 1 n est pas possible avec la sonde MIP conventionnelle. Ces sondes peuvent donc uniquement être utilisées pour délimiter des zones sources ou des panaches ou pour l identification de profondeurs pour le prélèvement traditionnel. De nouveaux développements permettent la connexion d un chromatographe en phase gazeuse aux détecteurs pour une mesure semi-quantitative (EnISSA MIP, voir chapitre 4.1). La qualité des résultats issus du MIP dépend, entre autres, de la stabilité de la température du bloc chauffant la membrane. Dans le cadre d un contrôle qualité, le profil de température doit être examiné. Une température très élevée du bloc de chauffage peut mener à des réactions conduisant à la formation de polluants non voulus et non connus. En général, les sondes ont un diamètre supérieur à celui des tubes afin de réduire la friction sur ceux-ci lors de la réalisation du sondage. 3.4 Systèmes de prélèvement DPT Description Les systèmes DPT peuvent être utilisés pour le prélèvement ponctuel, sans installation d ouvrages permanents, du sous-sol. Il existe différents systèmes pour le prélèvement du sol, des gaz du sol et des eaux souterraines. Les systèmes de prélèvement peuvent aussi être utilisés pour la mise en place d une surveillance à court terme. Pour le prélèvement des sols, les sondes sont remplies durant la réalisation du sondage. Pour le prélèvement des gaz du sol et des eaux souterraines, les sondes sont descendues à la profondeur désirées et l échantillon est prélevé in-situ ou par pompage à partir de la surface. Un schéma des systèmes de prélèvement est présenté Figure 5. 1 La France n est pas concernée par ces valeurs Direct-push technology 23