N d ordre : 2008-ISAL-073 Année 2008 THESE ETUDE HYDRAULIQUE DES TRANCHEES DE RETENTION / INFILTRATION. Présentée devant

Transcription

1 N d ordre : 28-ISAL-73 Année 28 THESE ETUDE HYDRAULIQUE DES TRANCHEES DE RETENTION / INFILTRATION Présentée devant L INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON Pour obtenir LE GRADE DE DOCTEUR Formation doctorale : Génie Civil Ecole Doctorale MEGA : Mécanique Energétique Génie civil Acoustique Par Antoine PROTON Ingénieur INSA Lyon Titulaire du DEA Soutenue le 1 Septembre 28 devant la commission d examen Mme. Sylvie BARRAUD MCF-HDR INSA Lyon LGCIE M. Olivier BLANPAIN Professeur Université Lille 1 Rapporteur M. Bernard CHOCAT Professeur INSA Lyon LGCIE Directeur de thèse M. Tim FLETCHER Professeur Monash University Rapporteur M. Daniel GRAILLOT Professeur Mines de Saint Etienne M. Pierre CHADOIN Ingénieur SOGEA Rhône-Alpes Invité M. Jean CHAPGIER Ingénieur Grand Lyon Invité

2

3 N d ordre : 28-ISAL-73 Année 28 THESE ETUDE HYDRAULIQUE DES TRANCHEES DE RETENTION / INFILTRATION Présentée devant L INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON Pour obtenir LE GRADE DE DOCTEUR Formation doctorale : Génie Civil Ecole Doctorale MEGA : Mécanique Energétique Génie civil Acoustique Par Antoine PROTON Ingénieur INSA Lyon Titulaire du DEA Soutenue le 1 Septembre 28 devant la commission d examen Mme. Sylvie BARRAUD MCF-HDR INSA Lyon LGCIE M. Olivier BLANPAIN Professeur Université Lille 1 Rapporteur M. Bernard CHOCAT Professeur INSA Lyon LGCIE Directeur de thèse M. Tim FLETCHER Professeur Monash University Rapporteur M. Daniel GRAILLOT Professeur Mines de Saint Etienne M. Pierre CHADOIN Ingénieur SOGEA Rhône-Alpes Invité M. Jean CHAPGIER Ingénieur Grand Lyon Invité

4 Liste des écoles doctorales de Lyon

5 Avant-propos Cette étude se situe dans le cadre de l aménagement urbain et plus particulièrement de la gestion des eaux pluviales. Pour les raisons que nous verrons plus loin, tout nouvel aménagement est aujourd hui soumis à des contraintes de limitation des rejets d eaux pluviales. De nombreuses techniques dites «alternatives» ou «compensatoires» permettent de réduire les flux d eau rejetés à l aval d un aménagement urbain. Les tranchées de rétention / infiltration sont une de ces techniques. Le programme de recherche qui est à l origine de cette thèse réunit trois acteurs principaux : l entreprise SOGEA Rhône-Alpes, Le Grand Lyon et l INSA de Lyon. SOGEA Rhône-Alpes est une entreprise de travaux publics qui intervient pour des marchés de travaux de VRD (Voirie et Réseaux Divers) et de stations d épuration. Le Grand Lyon est une collectivité locale qui réunit 57 communes autour de Lyon. Elle a, entre autre, en charge l exploitation et le développement du réseau d assainissement sur son territoire, et impose les conditions de rejet pour les aménagements situés sur sa zone de compétence. L INSA de Lyon - et plus particulièrement le LGCIE, Laboratoire de Génie Civil et d Ingénierie Environnementale - étudie depuis de nombreuses années les techniques alternatives. L entreprise SOGEA Rhône-Alpes dont le métier est la pose de canalisations est très intéressée par la maîtrise de cette technique alternative. En phase chantier, la construction des tranchées de rétention / infiltration se rapproche beaucoup de la pose de canalisations. La Direction de l Eau du Grand Lyon construit et gère le système d assainissement de la Communauté Urbaine de Lyon. La collectivité est intéressée à ces deux titres - construction et entretien - pour la recherche sur ces ouvrages. Le laboratoire LGCIE de l INSA de Lyon travaille depuis longtemps sur les techniques alternatives. Les ouvrages habituellement étudiés sont les bassins de rétention et les bassins d infiltration. La recherche sur les tranchées de rétention / infiltration complète l acquisition de connaissances dans le domaine des techniques alternatives. Ces trois acteurs ont fait le constat que les tranchées de rétention / infiltration, malgré de nombreux avantages techniques et économiques, sont des ouvrages sous-utilisés par les aménageurs. En conséquence, ils ont souhaité créer les conditions nécessaires au développement de leur utilisation et lever l un des freins identifié comme principal : la méconnaissance de leur fonctionnement hydraulique pendant un événement pluvieux et des risques de colmatage associés à leur vieillissement. Ces travaux ont été conduits dans le cadre d une convention CIFRE financée par l ANRT.

6

7 Remerciements Je commence par remercier mon patron Pierre Chadoin, Directeur de SOGEA Rhône- Alpes, qui est à l origine du projet de recherche. L exercice était inédit pour notre structure ; il a su réunir les conditions propices à un travail, je l espère, de qualité. Je remercie Bernard Chocat, mon directeur de thèse et directeur du laboratoire LGCIE de l INSA de Lyon. Je mesure la chance d avoir pu travailler aux côtés de quelqu un de grande valeur. Il m a guidé, écouté et soutenu tout au long de ces travaux. Je remercie ensuite les membres du jury d avoir accepté de juger ce travail, les rapporteurs Olivier Blanpain et Tim Fletcher ainsi que Sylvie Barraud et Daniel Graillot. Je remercie aussi les membres de mon comité de thèse : Irini Djéran-Maigre et Georges Raimbault. Je remercie la Direction de l Eau du Grand Lyon et notamment Jean Chapgier grâce à qui nous avons pu disposer du terrain nécessaire aux expérimentations. Par ailleurs, l association d un gestionnaire a permis de développer la problématique scientifique de cette thèse. De nombreuses personnes ont participé à ce travail. Au laboratoire, les techniciens Erwan Le Saux, Dominique Babaud et Yvan Béranger m ont aidé à entretenir le site expérimental et à faire fonctionner les instruments de mesure. Je remercie Sébastien Le Coustumer pour nos échanges à propos de l infiltration et du colmatage. Je remercie mes collègues du bureau d études de SOGEA Rhône-Alpes, Christophe Janin, Bernard Mouterde et Patrick Arjol ; ils m ont initié au métier de canalisateur. Merci à Rémi Terrier pour la qualité des analyses de MES ; merci aussi à Mireille Lardenois et Nicole Thollet qui ont relu attentivement le manuscrit. Je tiens aussi à remercier le créateur Alexandre Bancel pour sa participation au projet. Cette recherche a largement été valorisée par l expérience du terrain. A ce titre, je remercie Philippe Gery, Maurice Collonge et Johann Fourrier, chefs d agence à SOGEA

8 Rhône-Alpes pour leur implication dans le projet. Je tiens à leur associer les conducteurs de travaux et le personnel de chantier qui ont mis en œuvre les tranchées de régulation de débit. Les questions techniques soulevées à chaque opération, en conception et en réalisation, ont constitué un pendant nécessaire aux considérations scientifiques. Je tiens à remercier également les maîtres d ouvrage et maîtres d œuvre qui nous ont fait confiance et grâce à qui nous sommes passés de la théorie à la pratique. Enfin, je remercie tendrement Camille, ma femme, pour l aide qu elle m a apportée dans la relecture du manuscrit.

9 Résumé Les tranchées de rétention / infiltration sont utilisées pour limiter les débits de ruissellement des eaux pluviales urbaines. Bien que techniquement et économiquement performants ces ouvrages sont sous-utilisés. Cette thèse vise à lever certains des obstacles à leur utilisation. Elle s appuie sur un site expérimental permettant d observer le comportement hydraulique de 6 tranchées de rétention et de 2 tranchées d infiltration construites à l échelle 1 en situation complètement contrôlée. L étude du fonctionnement des tranchées expérimentales de rétention allure des lignes d eau et des hydrogrammes produits - a permis d améliorer les connaissances sur le comportement hydraulique d une tranchée munie de drains. Elle a en particulier montré que les tranchées remplies avec du matériau granulaire de forte porosité, galet 2-8, se comportaient sur le plan hydraulique plus comme des conduites de forte rugosité que comme des sols. De ce fait la formule de Manning-Strickler s avère être la mieux adaptée pour calculer les pertes de charge linéaires. Un autre résultat important est que les échanges d eau entre les drains et le corps de la tranchée ne semblent pas limités par les fentes de diffusion. Ces connaissances nouvelles ont servi de base à la construction d un modèle de simulation hydraulique des tranchées de rétention. Cet outil de simulation est capable, pour un événement pluvieux donné, de prévoir l évolution des hauteurs d eau dans la tranchée ainsi que celle du débit rejeté à son exutoire. Une procédure originale a ensuite été mise en place pour accélérer le vieillissement d une tranchée d infiltration. Cette procédure a permis d observer la diminution des capacités d infiltration de l ouvrage pour une durée de fonctionnement équivalente à 6 ans. L objectif de cette partie de la recherche était d améliorer les connaissances sur le vieillissement et le colmatage des tranchées. Cette étude a permis de montrer que le modèle de Bouwer représente bien le fonctionnement de la tranchée à différents stades de colmatage. Le colmatage du fond de l ouvrage semble très rapide, presque complet après 3 années de fonctionnement. La résistance hydraulique de paroi reste pour sa part sensiblement constante au cours du temps. Ces résultats ont permis de coupler le modèle de Bouwer avec le modèle de stock. Nous avons enfin proposé une méthode qui permet de diminuer les incertitudes de mesure sur la résistance hydraulique initiale du sol, paramètre principal du modèle. La connaissance de ce paramètre donne au modèle la capacité de prédire l évolution des hauteurs d eau dans la tranchée pour n importe quelle pluie et à n importe quel stade du vieillissement. Mots clefs : tranchées de rétention / infiltration, techniques alternatives, hydrologie urbaine, modélisation

10

11 Abstract The detention/infiltration trenches are used to limit the flows of urban stormwater. Although they are technically and economically efficient these hydraulic works remain underused. This PhD thesis aims at overcoming some of the obstacles to their use. It is based on an experimental apparatus allowing to observe the hydraulic behaviour of 6 detention trenches and 2 infiltration trenches built on real scale in completely controlled conditions. The study of the way experimental detention trenches work (based on the aspect of water profiles and outflow hydrographs) has allowed to improve knowledge on the hydraulic behaviour of a trench supplied by french drains. It specifically showed that the trenches filled with granular material of strong porosity (gravel 2-8) behave the hydraulic level rather as a pipe with strong roughness than as a soil. For this reason Manning-Strickler s formula proves to be the best to calculate linear pressure losses. Another important result is that water exchanges between the drains and the trench body do not seem to be limited by the diffusion slits. This new knowledge has been used as a basis to build a hydraulic model to simulate the detention trenches behaviour. The hydraulic model is based on storage concept. This simulation tool is able, for any given rainy event, to forecast the evolution of water profiles in the trench and the discharge flows. An original method was then defined to accelerate the ageing of an infiltration trench. This method has made it possible to observe the reduction of the structure s infiltration capacities for an equivalent operating time of 6 years. The objective of this part of the research was to improve knowledge on trenches ageing and clogging. This study shows that the Bouwer s model gives a good picture of the way trenches behave at various states of clogging. The clogging of the bottom of the trench seems to be very fast (almost complete after 3 years of operation). The hydraulic resistance of the walls remains constant during the operating time. These results made it possible to couple Bouwer s model with the storage model. We finally proposed a method which allows to decrease the uncertainties implied in the measurement of the ground s initial hydraulic resistance, which stands for the main parameter of the model. The knowledge of this parameter gives to the model the capacity to predict the evolution of water levels in the trench for any rain and at any state of ageing. Key words: infiltration / detention trenches, BMPs, urban hydrology, urban drainage, modelling.

12

13 Nomenclature α : coefficient de Forchheimer [L -1.T] β : coefficient de Forchheimer [L -2.T 2 ] b : largeur de fond de tranchée [L] c : coefficient de constriction [-] C : constante de Chézy [L 1/2.T -1 ] C d : coefficient de débit d un drain [-] C f : fonction de forme des drains [-] H : perte de charge [L] z : différence de cotes [L] D : diamètre moyen de galet [L] D h : diamètre hydraulique [L] dx : pas d espace [L] dt : pas de temps [T] dv s : variation du volume stocké [L 3 ] e : indice des vides [-] e i : épaisseur de l interface colmatée [L] f : rugosité des drains (Busolin et al., 1995) [L 1/2 ] F : rugosité du galet (Busolin et al., 1995) [L 1/2 ] Fr : nombre de Froude [-] g : accélération de la pesanteur [L.T -2 ] grad : gradient hydraulique [-] h : hauteur d eau [L] h am : hauteur d eau à l amont du tronçon [L] h av : hauteur d eau à l aval du tronçon [L] h nette : hauteur nette de pluie [L] H : différence de charge relative [L] H r : charge relative [L] i : indice de discrétisation d espace [-] J : perte de charge par unité de longueur [-] I : pente du fond de la tranchée [-] k : rugosité d une canalisation [L] K : coefficient de Darcy [L.T -1 ] K i : conductivité hydraulique de la couche colmatée [L.T -1 ]

14 K p : conductivité hydraulique du sol sous-jacent [L.T -1 ] l infl : longueur de l influence aval sur le tronçon [L] λ : coefficient de perte de charge [-] λ i : coefficient d Izbash [L.T -1 ] l : longueur [L] m : coefficient d Izbash [-] υ : viscosité cinématique [L 2.T -1 ] n : coefficient de Manning [L -1/3.T] ρ : densité [L -3.M] p : pression atmosphérique [L -1.M.T -2 ] P : pression interstitielle du sol sous-jacent [L -1.M.T -2 ] P h : périmètre mouillé hydraulique [L] P cr : pression critique d un sol [L] q : vitesse d infiltration [L.T -1 ] q as : capacité d infiltration [L.T -1 ] Q d : débit transitant dans le drain [L 3.T -1 ] q diff : débit de diffusion par unité de longueur [L 2.T -1 ] Q e : débit d entrée [L 3.T -1 ] Q f : débit d infiltration par le fond [L 3.T -1 ] Q g : débit transitant dans le galet [L 3.T -1 ] q inf : débit d infiltration surfacique [L.T -1 ] Q inf : débit d infiltration [L 3.T -1 ] q p : débit d infiltration surfacique de paroi [L.T -1 ] Q p : débit d infiltration par les parois [L 3.T -1 ] Q s : débit de sortie [L 3.T -1 ] Q t : débit total [L 3.T -1 ] q t : débit d infiltration surfacique [L.T -1 ] R e : nombre de Reynolds [-] R : résistance hydraulique [T] R f : résistance hydraulique du fond [T] R h : rayon hydraulique [L] R p : résistance hydraulique de paroi [T] Ø : diamètre d une canalisation [L] S a : surface active d un bassin versant [L 2 ] S am : section mouillée amont [L 2 ] S av : section mouillée aval [L 2 ] S d : section de drain [L 2 ] S f : section des fentes du drain [L 2 ]

15 S g : section de galet [L 2 ] S inf : surface d infiltration [L 2 ] S p : surface de paroi [L 2 ] S f : surface de fond [L 2 ] t : temps [T] T : pente du talus de tranchée [-] TP : temps de parcours [T] υ : viscosité cinématique [L 2.T -1 ] u : vitesse de l eau [L.T -1 ] u e : vitesse de l eau à l entrée d un tronçon [L.T -1 ] u d : vitesse de l eau dans les drains [L.T -1 ] u g : vitesse de l eau dans le galet [L.T -1 ] V s : volume d eau stocké [L 3 ] y : hauteur piézométrique [L] z : cote radier [L]

16

17 Sommaire Cadre et objectifs de l étude Chapitre 1. Présentation du sujet Introduction Fonctionnement des tranchées de rétention / infiltration Alimentation des tranchées Stockage temporaire Vidange des tranchées Etat des connaissances état de l art A l échelle du bassin versant A l échelle de l ouvrage Phénomène de colmatage Maintenance et entretien des tranchées Conclusion Chapitre 2. Méthodologie Introduction Expérimentation Présentation des tranchées de rétention / infiltration étudiées Présentation du dispositif expérimental Mesurage Modélisation Présentation générale du modèle Discrétisation des équations Influence aval Plan d expérimentation Modèle hydraulique Etude de l'évolution du fonctionnement des tranchées d infiltration Conclusion... 17

18 Chapitre 3. Modélisation hydraulique Introduction Etudes préalables Morphologie des tranchées de rétention / infiltration Validation du code de calcul Validation des hypothèses du modèle de stock Calcul du gradient hydraulique Détermination des pas de temps et d espace du calcul Spécificité du dispositif expérimental Modélisation hydraulique pour une tranchée sans drain Différentes équations de stockage possibles Calage et choix de l équation de stockage Validation de l équation de stockage du galet Modélisation hydraulique pour une tranchée avec drains Equation de stockage pour une section mixte drain-galet Calage du modèle Validation du modèle Conclusion Chapitre 4. Modélisation de l infiltration Introduction Observations du fonctionnement hydraulique à long terme d une tranchée d infiltration Choix de la tranchée d infiltration étudiée Alimentation de la tranchée d infiltration Résultats des expérimentations Exploitation des résultats Modèle d infiltration Modèle de Bouwer Application aux tranchées d infiltration Calage du modèle de Bouwer Localisation et quantification du colmatage Evolution des résistances hydrauliques Hypothèse : seul le fond de la tranchée se colmate Etude qualitative sur le phénomène de colmatage... 24

19 4.5. Validation du modèle couplé Couplage des modèles Résultats de la validation Modélisation prédictive d une tranchée d infiltration Modélisation diachronique d une tranchée d infiltration La difficulté d évaluer le paramètre limitant Méthode proposée Conclusion Conclusion et perspectives Références bibliographiques Table des figures Table des tableaux

20

21 Cadre et objectifs de l étude En France, les eaux pluviales sont sous la responsabilité du propriétaire du terrain sur lequel elles ruissellent. L article 64 du code civil indique que «les fonds amont ne doivent pas aggraver les servitudes d écoulement des fonds aval». La responsabilité de la gestion des eaux pluviales est donc locale. Ce sont les propriétaires des terrains (privés ou publics) qui sont responsables des eaux qui ruissellent sur leur territoire. Si la construction et l exploitation des ouvrages de transport et de traitement des eaux usées sont financées par une redevance prélevée sur le coût de l eau potable, la charge financière des réseaux d assainissement pluvial n est pas imputée à l usager du système d assainissement ni subventionnée par les agences de l eau sauf dans certains cas particuliers. Les travaux de construction et de maintenance du système d assainissement pluvial sont donc entièrement à la charge de l impôt des collectivités locales. L accroissement des zones urbanisées augmente les volumes et les débits d eau de ruissellement. Des réseaux secondaires sont alors nécessaires pour assainir les périphéries des villes. Ces réseaux sont connectés aux collecteurs structurants du centre historique de la ville, généralement situés au point bas de l agglomération, vers les rivières ou la mer. Le premier effet de cette évolution est alors l engorgement des systèmes d assainissement. Les débordements des réseaux, notamment dûs aux pluies d orage, sont de plus en plus fréquents dans les parties anciennes des villes, où les dégâts sont le plus coûteux. Le deuxième effet du développement urbain est qualitatif : la pollution et la dégradation des milieux récepteurs. Les flux de polluants, dûs aux rejets industriels et domestiques, augmentent considérablement. Le constat de cette dégradation est à l origine de l émergence du système d assainissement séparatif, basé sur la séparation des eaux pluviales et des eaux usées. Cette mise en séparatif a pour but de réduire la quantité d effluents à traiter à l aval des réseaux, en station d épuration. 21

22 Etude hydraulique des tranchées de rétention / infiltration Devant les difficultés techniques, environnementales et économiques de la mise en œuvre des solutions traditionnelles d assainissement pluvial (canalisations), les collectivités imposent de plus en plus souvent, pour les nouveaux aménagements, la mise en place d ouvrages de rétention et / ou infiltration. Ces mesures vont dans le sens des deux principes énoncés dans le guide technique «La ville et son assainissement», CERTU (23) : «Le premier principe sera de limiter au strict nécessaire l imperméabilisation des sols» ; «Le deuxième principe sera d éviter de concentrer les rejets dans les collecteurs, mais au contraire de rechercher toute autre solution de proximité : réutilisation, dispersion en surface en favorisant l infiltration, ou le ruissellement dans un réseau hydrographique à ciel ouvert ; le stockage préalable pouvant être utilisé dans tous les cas». Les techniques alternatives permettent d assurer les fonctions principales du réseau d assainissement pluvial protéger les populations et les biens des inondations et assécher la ville en maîtrisant les coûts de construction et d exploitation des ouvrages associés. Du point de vue hydrologique et environnemental, les techniques alternatives permettent de réduire les pointes des débits de ruissellement générés par la ville en temps de pluie ainsi que les charges de polluants associés. Leur principe de fonctionnement hydraulique consiste à stocker temporairement les eaux pluviales et à les rejeter à débit contrôlé vers le réseau d assainissement ou le milieu récepteur, par infiltration ou vers les réseaux de surface, Warnaars et al. (1999), CERTU (23). Les techniques alternatives de gestion des eaux pluviales sont aujourd hui des outils indispensables au développement urbain. Si, il y a 2 ans, ces techniques n'étaient utilisées que dans le cas d aménagements ne disposant pas d exutoire naturel (par exemple en Seine-Saint-Denis), leur utilisation est aujourd hui généralisée à toutes les régions et pour tout type d aménagement, de la zone industrielle au logement individuel. Cette évolution a pour effet de modifier les pratiques habituelles des acteurs de la construction, du maître d ouvrage à l entrepreneur. Les questions d assainissement pluvial se posent très en amont et au plus tard lors du dépôt du permis de construire. Le mode de gestion des eaux pluviales est décrit à l échelle du bassin hydrographique dans le SDAGE et à l échelle locale dans le SAGE et dans les documents d urbanisme (SCOT et PLU) si ces documents existent. De nombreuses solutions techniques permettent de répondre à la problématique de la limitation des débits et volumes d eau rejetés par la ville en temps de pluie. Dans ce 22

23 Cadre et objectifs de l étude programme de recherche, nous avons décidé de nous intéresser plus particulièrement aux tranchées de rétention / infiltration. Ces ouvrages sont en effet simples à construire, économiques, faciles à intégrer dans le tissu urbain, et malgré tout peu utilisés et mal connus. Les tranchées de rétention / infiltration sont des ouvrages linéaires généralement implantés le long des voiries. Le fonctionnement hydraulique des tranchées se déroule en 3 phases : collecte des eaux de ruissellement, stockage temporaire et restitution à débit limité vers le milieu récepteur. L eau est souvent injectée par des drains puis stockée dans du matériau granulaire de forte porosité. Plus précisément, nous avons décidé de faire porter les efforts sur deux aspects, considérés comme les freins principaux à l utilisation des tranchées de rétention / infiltration : la méconnaissance de leur fonctionnement hydraulique pendant un événement pluvieux, la méconnaissance des risques de colmatage lors du vieillissement de l ouvrage. Le premier objectif pratique de ce programme de recherche est donc de construire un modèle de simulation du fonctionnement hydraulique des tranchées de rétention / infiltration. Cet outil de simulation doit être capable, pour un événement pluvieux donné, de prévoir les hauteurs d eau dans la tranchée et le débit rejeté à son exutoire. Cet outil a pour vocation première d être utilisé en phase de conception, à partir de données classiques d un projet d assainissement pluvial, caractéristiques du bassin versant et pour tout type de caractéristiques de tranchée (pente, section transversale, nombre et disposition des drains, mode de vidange ). Pour atteindre cet objectif il est nécessaire d améliorer les connaissances sur le fonctionnement hydraulique d une tranchée munie de drains. Le second objectif est de concevoir des ouvrages en tenant compte de l évolution de leur comportement dans le temps. Si la construction d un outil de simulation doit permettre de prévoir, à l échelle d un événement pluvieux, les variables hydrauliques (débits et hauteurs d eau) agissant au sein des tranchées, nous souhaitons ici prendre en compte les effets du vieillissement (ou du colmatage) sur le fonctionnement hydraulique des tranchées. Cet objectif correspond au besoin de l entreprise de proposer un produit 23

24 Etude hydraulique des tranchées de rétention / infiltration pérenne et au besoin de la collectivité d améliorer les procédures de contrôle et d entretien des tranchées. Pour atteindre cet objectif, il est nécessaire d améliorer les connaissances sur le vieillissement et le colmatage des tranchées. Cette recherche est essentiellement expérimentale et repose sur le suivi de tranchées modèles construites à l échelle 1 sur un terrain mis à disposition par le Grand Lyon. Ces tranchées ont été construites spécialement pour la recherche et font partie d un dispositif expérimental permettant de contrôler les conditions de fonctionnement et d acquérir un maximum de données. Pour présenter ce travail, nous avons découpé le mémoire en 4 chapitres : Le premier chapitre fait une synthèse sur les travaux de recherche ayant porté sur les mécanismes hydrauliques mis en jeu dans les tranchées de rétention / infiltration. Le deuxième chapitre présente les moyens et la méthodologie mis en œuvre pour atteindre les objectifs scientifiques de la thèse. Le troisième chapitre présente les résultats de calage et de validation du modèle de simulation hydraulique. Le quatrième chapitre est consacré à l étude de la variation dans le temps de la capacité de la tranchée à infiltrer les eaux pluviales. 24

25 Chapitre 1. Présentation du sujet Nous détaillerons dans ce chapitre les caractéristiques morphologiques des tranchées de rétention / infiltration ainsi que leur mode de fonctionnement. Puis une étude bibliographique en rapport avec nos objectifs présentera des travaux de recherche ayant porté sur des tranchées ou des ouvrages similaires. Deux échelles d espace sont prises en compte : l échelle du bassin versant et l échelle de l ouvrage. Les deux derniers paragraphes sont dédiés au comportement à long terme des tranchées d infiltration : phénomène de colmatage et préconisation d entretien et de maintenance. «J'ai pris un cours de lecture rapide et j'ai pu lire "Guerre et Paix" en vingt minutes. Ça parle de la Russie.» Woody Allen. 25

26 Etude hydraulique des tranchées de rétention / infiltration 1.1. Introduction Fonctionnement des tranchées de rétention / infiltration Alimentation des tranchées Stockage temporaire Vidange des tranchées Etat des connaissances état de l art A l échelle du bassin versant A l échelle de l ouvrage Phénomène de colmatage Maintenance et entretien des tranchées Conclusion

27 Chapitre 1. Présentation du sujet 1.1. Introduction Ce premier chapitre a pour but de faire une synthèse des connaissances actuelles sur le fonctionnement hydraulique des tranchées de rétention / infiltration. Nous nous intéressons tout d abord au fonctionnement hydraulique global des tranchées et à leur place dans l environnement urbain. Nous présentons ensuite un «état de l art» des connaissances sur les mécanismes hydrauliques mis en jeu dans les tranchées. Nous abordons ensuite l étude bibliographique à différentes échelles de temps et d espace. Dans un premier temps, nous nous intéressons à des études de terrain où le fonctionnement des tranchées est étudié à l échelle du bassin versant pour différentes échelles de temps, de l événement pluvieux à quelques années de fonctionnement. L échelle d espace est ensuite réduite pour arriver à celle de l ouvrage ou de ses composants. Nous verrons que différentes approches ont été tentées pour représenter le fonctionnement hydraulique des tranchées de rétention / infiltration. Certaines recherches considèrent l ouvrage dans sa globalité, d autres cherchent à expliquer le fonctionnement hydraulique des composants principaux (drains et galet) des tranchées de rétention / infiltration. Nous abordons ensuite les questions liées à l infiltration des eaux pluviales par les tranchées et au phénomène de colmatage. Enfin, dans un dernier paragraphe, nous présentons les éléments bibliographiques disponibles sur les modalités d entretien et de maintenance des tranchées. 27

28 Etude hydraulique des tranchées de rétention / infiltration 1.2. Fonctionnement des tranchées de rétention / infiltration Le fonctionnement hydraulique des tranchées de rétention / infiltration se déroule en 3 phases : collecte des eaux de ruissellement, stockage temporaire et restitution à débit limité vers le milieu récepteur. Les schémas suivants (Figure 1.1 à Figure 1.14) résument les mécanismes hydrauliques mis en jeu par les tranchées de rétention / infiltration Alimentation des tranchées Les eaux pluviales sont recueillies soit par ruissellement direct (Figure 1.1) dans le corps de la tranchée soit par un système classique de grilles ou avaloirs, descentes de toiture et regards (Figure 1.2). Les tranchées recueillent l eau au plus près du point de chute de la pluie. Le transfert de l eau du bassin versant à la tranchée est très rapide. ruissellement ruissellement chaussée réseau Figure 1.1 Alimentation des tranchées par ruissellement direct Figure 1.2 Alimentation des tranchées par réseau d assainissement L alimentation des tranchées de rétention / infiltration par ruissellement direct est performante des points de vue hydraulique et qualité. L alimentation est continue sur la longueur de la tranchée (Figure 1.3) : l eau se diffuse donc très rapidement dans le matériau poreux. En pénétrant par le haut de la tranchée, une partie des polluants contenus dans les eaux pluviales se dépose sur le granulat avant d atteindre le sol en place. Si la tranchée est bordée d une bande enherbée, celle-ci accroît le rendement épuratoire de l ouvrage (Balades et al., 1995). D un autre côté, l absence d ouvrage d injection réduit fortement les coûts de construction et d exploitation de la tranchée. Les tranchées de ce type sont généralement implantées dans les aménagements peu denses. 28

29 Chapitre 1. Présentation du sujet Figure 1.3 Tranchée alimentée par ruissellement direct Dans les zones très urbanisées, les tranchées sont souvent placées sous les trottoirs le long des voiries. L eau pénètre alors dans les tranchées par des ouvrages d injection ponctuels type grilles de voiries ou avaloirs (Figure 1.4). L injection de l eau dans les tranchées est alors localisée. Figure 1.4 Tranchée alimentée par une grille avaloir 29

30 Etude hydraulique des tranchées de rétention / infiltration Stockage temporaire L eau recueillie est ensuite temporairement stockée (Figure 1.5). dans les vides du matériau poreux Figure 1.5 Stockage des eaux pluviales Le matériau poreux est contenu dans un géotextile ou une géomembrane. Le géotextile a une fonction de séparation. Il empêche que les fines contenues dans le sol support ne pénètrent dans le matériau poreux. Il préserve ainsi la capacité de stockage de l ouvrage. Si l infiltration est déconseillée, le matériau de stockage est contenu dans une géomembrane qui assure l étanchéité de l ouvrage. Lorsque la tranchée est contenue dans un géotextile, elle est dite «de rétention / infiltration» (Figure 1.6), lorsqu elle est contenue dans une géomembrane, elle est dite «de rétention» (Figure 1.7). Figure 1.6 Tranchée d infiltration Figure 1.7 Tranchée de rétention 3

31 Chapitre 1. Présentation du sujet Le matériau poreux de stockage est caractérisé par son indice des vides et sa résistance mécanique. Divers matériaux (grave propre, cylindres béton, caissons polymères, pneus (Figure 1.8 à Figure 1.12)) sont cités à titre d exemple. Figure 1.8 Grave concassée 3/ 6 Figure 1.9 Gravier roulé lavé 2/8 Figure 1.1 Caissons polymères à 95% de vide Figure 1.11 Cylindre béton Figure 1.12 Cylindre béton en vrac indice des vides : 6% 31

32 Etude hydraulique des tranchées de rétention / infiltration Les critères de choix du matériau poreux de stockage sont l indice des vides, le coût, l encombrement disponible du sous-sol et la résistance mécanique. Malgré le nombre de matériaux disponibles pour construire les tranchées, le plus généralement utilisé est le gravier propre. Les raisons sont le coût (quoique fortement dépendant de la disponibilité locale), la facilité de mise en œuvre ( matériau autobloquant) et la bonne résistance mécanique Vidange des tranchées L eau est évacuée soit par infiltration dans le sol support (Figure 1.13) soit à débit limité vers le réseau d assainissement ou vers un exutoire de surface. (Figure 1.14). Sol perméable Sol imperméable Ouvrage béton Figure 1.13 Evacuation des tranchées par infiltration Figure 1.14 Evacuation des tranchées dans le réseau d assainissement Si l évacuation des eaux pluviales à débit limité vers le réseau d assainissement permet de limiter les débits de pointe, l infiltration déconnecte les surfaces imperméabilisées du système d assainissement. Le nouvel aménagement est alors, du point de vue hydrologique, transparent. D une manière générale, l infiltration des eaux pluviales est une façon de compenser les effets de l urbanisation sur le cycle naturel de l eau (évaporation condensation précipitation - ruissellement - infiltration). Par leur morphologie (linéarité), les tranchées sont des ouvrages particulièrement efficaces pour infiltrer les eaux pluviales : Le ratio surface d infiltration / volume de stockage est élevé ; Les tranchées sont moins vulnérables à l hétérogénéité des sols rencontrés que les ouvrages d infiltration ponctuels de type puits ou bassins. Néanmoins, l infiltration des eaux pluviales comporte des risques pour la qualité des eaux souterraines. Il est généralement préconisé de garder une épaisseur de sol non saturé de 1 mètre sous le fond de l ouvrage (Barraud et al., 1994). 32

33 Chapitre 1. Présentation du sujet 1.3. Etat des connaissances état de l art La présentation des acteurs de ce programme de recherche oriente l étude bibliographique vers deux axes principaux : La connaissance du fonctionnement hydraulique des tranchées, La connaissance de leur comportement à long terme. Ce paragraphe présente une revue bibliographique des études ayant porté sur les tranchées de rétention / infiltration. Les recherches proposées peuvent être classées selon leur échelle d espace et / ou de temps. Les premières études portent sur l observation du fonctionnement hydraulique de tranchées en service à l échelle du bassinversant. Puis les recherches se sont concentrées sur les mécanismes hydrauliques mis en jeu lors du passage de l eau dans des structures granulaires munies ou non de drains. Ensuite nous proposons des études sur l infiltration des eaux pluviales par des tranchées et sur le phénomène de colmatage. Les pratiques d exploitation et de maintenance des tranchées sont enfin présentées. Certaines études décrites dans ce paragraphe portent sur les chaussées à structure réservoir, technique alternative très voisine des tranchées de rétention / infiltration de par leur constitution A l échelle du bassin versant Problématique Historiquement, les premières études sur les tranchées de rétention / infiltration ont consisté à vérifier leur aptitude à limiter le ruissellement des eaux pluviales. Ces études, à l échelle du bassin versant, portent sur l observation d ouvrages en service. La question initialement posée est : «Les ouvrages de type tranchée sont-ils capables de limiter les débits de pointe en temps de pluie?». 33

34 Etude hydraulique des tranchées de rétention / infiltration Etudes expérimentales Raimbault et Metois (1992) ont réalisé la première étude de bilan hydrologique sur une chaussée à structure réservoir située à Rezé (44). La chaussée (Figure 1.15) a un volume utile de 234 m 3. Le bassin versant de référence a une superficie de 5.5 ha avec un coefficient d imperméabilisation estimé à.28. Il est constitué d un habitat pavillonnaire. La pente de ce bassin versant est de 2%. Figure 1.15 Coupe type de la chaussée à structure réservoir (Raimbault et Metois, 1992) L objectif principal de l expérimentation est d étudier le bilan hydrique de la chaussée à structure réservoir et d observer la réponse des drains situés au point bas de l ouvrage. Les autres objectifs sont spécifiques à l étude des chaussées à structure réservoir : étude du colmatage de l enrobé poreux et étude de la stabilité mécanique de la structure de chaussée. La chaussée à structure réservoir est implantée sur un site peu perméable (argile et roche). L exutoire de l ouvrage est le réseau d assainissement de la commune de Rezé. L ouvrage est équipé de deux sondes à ultrason pour les mesures des niveaux d eau et d un débitmètre à seuil qui mesure le débit de sortie. Un pluviographe est installé sur le site. Le dispositif expérimental n a pas vocation à acquérir des données susceptibles d alimenter un modèle de simulation hydraulique des chaussées à structure réservoir mais à observer le fonctionnement hydraulique d un ouvrage en service. 34

35 Chapitre 1. Présentation du sujet Les résultats obtenus (Tableau 1.1) montrent un abattement des débits de pointe allant de 9 à 99%. Lors de la période d expérimentation, les pluies d orage n ont pas pu être mesurées. Tableau 1.1 Abattement des débits d eau ruisselée par une chaussée à structure réservoir (Raimbault et Metois, 1992) Raimbault et Metois (1992) observent également des abattements sur les volumes d eau ruisselée. Ces résultats montrent la capacité d infiltration de ce type d ouvrage, même pour des sols a priori peu perméables. Une autre recherche française, menée par Balades et al. (1998), démontre la capacité des tranchées de rétention / infiltration à limiter les débits d eau de ruissellement. Cette étude s appuie sur l observation du fonctionnement hydraulique d une tranchée en exploitation au cœur d une zone industrielle avec fort trafic (Figure 1.16). Figure 1.16 Implantation de la tranchée expérimentale (Balades et al., 1998) 35

36 Etude hydraulique des tranchées de rétention / infiltration Cette tranchée est équipée d un drain situé 3 cm au-dessus du fond de l ouvrage (Figure 1.17). Elle repose sur un sol de type argileux de faible perméabilité : k = 1-6 m/s. La tranchée est contenue dans un géotextile qui autorise l infiltration des eaux pluviales. Néanmoins, étant donnée la faible perméabilité du site, la tranchée a été conçue comme une tranchée de rétention avec rejet au réseau d assainissement pluvial de la Communauté Urbaine de Bordeaux. Figure 1.17 Section transversale de la tranchée expérimentale (Balades et al., 1998) La tranchée est instrumentée avec un piézomètre, un débitmètre de sortie et un préleveur automatique. Un pluviographe à basculements d augets est installé sur le site expérimental. Le critère de performance hydraulique de la tranchée est le coefficient de ruissellement fictif du bassin versant. Ce coefficient est donné par la relation : volume d eau rejeté par la tranchée coefficient de ruissellement fictif = hauteur d eau précipitée x surface du bassin versant Le coefficient de ruissellement théorique du bassin versant est de.86. Les expérimentations portent sur 117 jours de pluie au cours de l année Les observations montrent que le coefficient de ruissellement fictif de l ensemble [bassin versant tranchée d infiltration] est en moyenne de.24. La tranchée joue donc un rôle prépondérant dans la limitation des volumes rejetés. Les mesures effectuées sur le volume rejeté en sortie de la tranchée montrent un abattement de 4% du volume théorique produit par la pluie. 36

37 Chapitre 1. Présentation du sujet Les résultats de cette recherche rejoignent les conclusions de Raimbault et Metois (1992). Les ouvrages rétention / infiltration de ce type favorisent l infiltration des eaux pluviales même sur des sites réputés peu perméables. Dans le même temps, Sansalone (1998) observe une efficacité hydraulique du même ordre pour une tranchée située le long d un boulevard urbain à fort trafic (15 véhicules/jour). L ouvrage étudié est une portion de tranchée de 2 m de long, le dispositif expérimental est présenté en Figure Figure 1.18 Section transversale de la tranchée expérimentale (Sansalone, 1998) De la même façon que pour Balades et al. (1998), le critère de performance hydraulique de la tranchée est le coefficient de ruissellement fictif du bassin versant drainé par cette tranchée d infiltration pour des évènements pluvieux isolés. Tableau 1.2 Abattement des volumes d eau ruisselée par tranchée d infiltration (Sansalone, 1998) 37

38 Etude hydraulique des tranchées de rétention / infiltration Les résultats montrent une diminution des volumes rejetés ; le coefficient de ruissellement fictif de la voirie ainsi drainée varie entre.23 et.76 selon les événements pluvieux. Schlüter et Jefferies (24) ont mesuré les débits à l exutoire d une tranchée d infiltration implantée dans un quartier résidentiel à Broxden, Ecosse. Les résultats les plus optimistes montrent un abattement de 9% sur les volumes rejetés et de 77% sur les débits de pointe. Synthèse sur les études à l échelle du bassin versant L ensemble des recherches présentées dans ce paragraphe a pour but d observer des ouvrages de rétention / infiltration en service. Les dispositifs expérimentaux mis en place sont relativement basiques ; ils permettent de calculer des bilans entrée sortie et non d acquérir des données capables d alimenter un outil de simulation du fonctionnement hydraulique des tranchées. Les résultats de ces études sont intéressants à deux points de vue : Premièrement, les tranchées de rétention / infiltration (ou les chaussées à structure réservoir) assurent leur fonction de technique alternative en réduisant les flux (débit et volume) d eau de ruissellement. L utilisation de ces ouvrages limite le ruissellement à l aval des zones qu ils drainent. Deuxièmement, les tranchées de rétention / infiltration possèdent une forte capacité d infiltration. Les résultats montrent que même lorsqu elles sont implantées sur des sites réputés peu perméables, une partie non négligeable de l eau amenée à l intérieur de ces ouvrages s infiltre dans le sol. Si les tranchées sont conçues pour fonctionner en rétention pure, le fait de laisser la possibilité d infiltrer (en enrobant le matériau poreux dans un géotextile) permet de limiter les rejets au réseau d assainissement pluvial ou au réseau hydrographique de surface et de réalimenter ainsi les nappes phréatiques. 38

39 Chapitre 1. Présentation du sujet A l échelle de l ouvrage Problématique Les expériences et les études citées au paragraphe précédent ont permis de démontrer l efficacité des tranchées pour limiter les débits et volumes d eau ruisselée à l exutoire des bassins versant qu elles drainent. Ces expériences se situent à l échelle du bassin versant et considèrent l ouvrage dans son environnement. Les mesures réalisées permettent, par des bilans entrée - sortie de mesurer l efficacité hydraulique des tranchées. Une tranchée d infiltration reste néanmoins un ouvrage hybride, dont la définition oscille entre un sol, une conduite ou un réservoir. La conséquence de cette nature hétérogène est qu il n existe pas ou peu de formulation simple pour déterminer un débit admissible en fonction d une pente et d une section. Certains auteurs se sont penchés sur les phénomènes hydrauliques agissant au sein des tranchées, dans le matériau granulaire et dans le drain, en passant ainsi de l échelle du bassin versant à l échelle de l ouvrage. Couplage drain-matériau poreux sur une tranchée d infiltration Dans une étude de cas menée sur une zone résidentielle, Busolin et al. (1995), sont amenés à décrire le fonctionnement hydraulique des tranchées de rétention. Cette étude qui fait suite aux travaux de Argue (1994) consiste à concevoir un projet de zone résidentielle dans lequel la gestion des eaux pluviales est à la base de la conception des voiries (Figure 1.19). Le réseau d assainissement est de type séparatif. Les eaux pluviales sont récupérées sur les trottoirs et voiries qui sont placés en hauteur par rapport à des noues. Les noues sont plantées d herbe afin de nécessiter un minimum de maintenance. Une tranchée de rétention / infiltration continue est placée sous la noue. L eau s infiltre de la noue vers la tranchée à travers un filtre de sable. 39

40 Etude hydraulique des tranchées de rétention / infiltration Figure 1.19 Conception des voiries pour une gestion des eaux pluviales (Busolin et al., 1995) Ce système tranchée noue permet une gestion douce des eaux pluviales. Les capacités de stockage des noues et des tranchées sont utilisées en fonction de l intensité de l événement pluvieux. Les pluies de faible intensité sont traitées uniquement par les noues, la capacité de stockage des tranchées est mobilisée pour les pluies de forte intensité (Figure 1.2). La noue enherbée assure la fonction hydraulique de rétention pour les pluies de période de retour inférieure à 1 an. Les pluies d occurrence supérieure sont traitées par la tranchée de rétention / infiltration. Figure 1.2 Système de tranchée - noue (Busolin et al., 1995) 4

41 Chapitre 1. Présentation du sujet L objectif de cette étude est de concevoir la zone résidentielle de façon à optimiser le traitement des eaux pluviales. Le système de gestion des eaux pluviales ne comporte pas de canalisation ; la tranchée assure la fonction transport des eaux pluviales vers l exutoire (dans ce cas, le réseau d assainissement de la collectivité). Les auteurs ont cherché à modéliser le fonctionnement hydraulique des tranchées en mode transport, c'est-à-dire pour une capacité de débit. Les tranchées doivent être capables d évacuer les débits de fuite de l ensemble des ouvrages mis en place pour la rétention des eaux pluviales. Busolin et al. (1995) estiment que pour de faibles pentes, la capacité de débit des tranchées est trop faible pour assurer une fonction transport ; l ajout de drains est alors nécessaire. Le modèle proposé par Busolin et al. (1995) est relativement simple. Il écrit que le débit capable d une tranchée est la somme du débit capable du ou des drains et du débit capable du galet utilisé en matériau de remplissage : Q = Q + Q t d g 1.1 Où : Et : Q Q d g = u S 1.2 d g d = u S 1.3 g La tranchée est considérée comme la superposition d une partie canalisation et d une partie galet. Les vitesses dans le drain et dans le galet sont exprimées avec des relations similaires. La débit dans le drain est donnée par la relation : Q d π = 4 2g. H f l Ø Avec H la charge du drain sur la longueur, l la longueur du drain et f le facteur de friction du drain au sens de la formule de Darcy-Weisbach (Swamee et Jain, 1976). Sachant que la section du drain s exprime par l expression : Avec Ø le diamètre du drain. Le débit dans le drain est alors donné par la relation : Pour déterminer la capacité d écoulement dans le galet, Busolin et al. (1995), partent du principe que le matériau poreux se comporte comme une canalisation en régime d écoulement turbulent ; l expression du débit dans le galet est alors donnée par la relation : 41

42 Etude hydraulique des tranchées de rétention / infiltration Q g = F 2g. H S l t πø 4 2 Cette formulation de la capacité de débit dans le matériau poreux est toutefois approximative. La surface mouillée du galet doit s exprimer en fonction de la hauteur d eau dans la tranchée. Les auteurs font l hypothèse que la section mouillée du drain est constante alors qu elle varie en fonction de la hauteur d eau dans la tranchée. La somme des équations 1.4 et 1.5 permet d obtenir l expression de la capacité de débit d une tranchée constituée de galet et de drains. On a donc : g. H πø Ø 1.6 Q T = F S t + F l 4 f La capacité de débit de la tranchée de deux paramètres : f : rugosité du drain F : rugosité du galet. s exprime donc simplement ; elle nécessite le calage Ces deux paramètres ont été calés expérimentalement sur des ouvrages construits à échelle réduite. Le calage de la rugosité des drains est donné pour différents diamètres et différentes pentes (Figure 1.21) : Figure 1.21 Rugosité des drains (Busolin et al., 1995) Les observations réalisées ont permis de montrer que la rugosité du galet était relativement constante pour les pentes étudiées et égale à : F. 27 m 1 =