Etude hydrogéologique des formations de pente et leur drainage*

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1 Etude hydrogéologique des formations de pente et leur drainage* Marcel RAT Adjoint au chef du département de géotechnique Laboratoire central des Ponts et Chaussées RÉSUMÉ La stabilisation des pentes naturelles en mouvement est très souvent obtenue par drainage. L'implantation des réseaux de drainage ne peut se faire que par une bonne connaissance du régime hydrogéologique. Des observations piézométriques détaillées sur trois sites ont permis de mieux connaître ce régime, et surtout de montrer que l'hypothèse de l'alimentation amont n'était pas toujours valable. Le facteur le plus important est l'infiltration qui, par l'intermédiaire d'un écoulement hypodermique, recharge les nappes. Les variations de perméabilité sur une verticale jouent aussi un très grand rôle. Les observations faites sur une tranchée drainante parallèle aux courbes de niveau (inefficacité) confirment ces conclusions et posent le problème du réseau de drainage le mieux adapte. Enfin, on a observé que dans les milieux argileux de fortes épaisseurs, la répartition des pressions hydrauliques ne suivait pas la loi hydrostatique. MOTS CLÉS : 42 - Stabilisation des talus - Versant - Drainage - Hydrogéologie Comportement - Infiltration - Expérimentation - In situ Perméabilité - Piézomètre - Mesure - Nappe phréatique - Tranchée. La majorité des désordres survenant dans les talus est en relation avec un problème d'ordre hydrogéologique. Le drainage est donc l'un des moyens d'arrêter les mouvements et, dans le cas des pentes naturelles instables, actuellement le plus efficace. Beaucoup d'études théoriques ont été consacrées au fonctionnement des systèmes drainants [1,2,3]. Malheureusement, elles font appel à une schématisation extrême des conditions hydrogéologiques et on peut se demander si finalement elles représentent bien la réalité. La réponse à cette question est oui dans les cas simples (nappe alluviale, milieux homogènes, alimentation parfaitement connue). En revanche, dans les formations hétérogènes complexes, comme les formations de pente, la réponse est moins claire. En effet, de nombreux articles rapportent des cas de drainage qui naturellement ont généralement donné satisfaction, c'est-à-dire que le drainage a arrêté les mouvements de terrain en cours. Cependant, une analyse plus précise de leur contenu montre de profondes lacunes. Les conditions hydrogéologiques avant glissement ne sont pas connues ; si la carte piézométrique au niveau du mouvement est relativement précise, il y a peu de données à l'amont et à l'aval; les choix du système drainant et de son dimentionnement ne sont pas précisés ; l'étude du fonctionnement sur plusieurs cycles hydrogéologiques est rarement faite. * Cet article a fait l'objet d'une communication au symposium de Bled (Yougoslavie mai 1981) sur l'étude et le traitement des glissements de terrain, que nous évoquons en 3 e partie de ce Bulletin. 7 Bull, liaison Labo. P. etch sept.-oct Réf. 2620

2 De toutes ces lacunes, il résulte qu'il est très difficile d'apprécier sur ces cas la validité des études théoriques. Compte tenu de l'importance des pentes naturelles, les laboratoires des Ponts et Chaussées ont entamé, il y a une dizaine d'années, une recherche sur l'hydrogéologie des formations de pente et les méthodes de drainage adaptées. En raison de la difficulté de ces études, la recherche a été menée sur des sites expérimen taux et les résultats actuellement obtenus remettent en cause un certain nombre de schémas classiquement retenus. Trois sites sont été étudiés Fleurfontaine près de Nancy (fig. 1) [4], Créancey près de Dijon (fig. 2) [5], Sallèdes près de Clermont-Ferrand Ils correspondent à des situations que l'on trouve fréquemment en France. Ces pentes sont constituées par un substratum marneux ou argileux, pouvant être altéré sur 1 ou 2 m d'épaisseur Elles sont recouver- Fig. 1 - Coupe géologique du site expérimental de Fleurfontaine et implantation des équipements. 8

3 Dispositif B Fig. 2 - Coupe schématique du site de Créancey avec localisation des dispositifs de mesure et valeurs des perméabilités. Argile de surface Marne très altérée I Marne * altérée, tendre Marne saine Lanterne Cellule de pression interstitielle Valeurs des perméabilités (cas de Créancey) A 2 = 1 x 10" ; A, = 1x 10"' B, = 1 x 10"! m/s C, = 5 x 10" 8 m/s m/s C 2 = 5 x 10~ 8 m/s m/s C, = 1 x 10" 5 m/s tes par un tapis d'éboulis de nature variée, dont l'épaisseur est de quelques mètres. Les instabilités concernent surtout ce tapis. Au sommet des pentes, on peut trouver une falaise (calcaire pour les sites 1 et 2, basaltique pour le site 3), qui limite un plateau. Classiquement on interprète le système hydrogéologique de la manière suivante [6] : l'eau s'infiltre sur les plateaux, les calcaires ou basalte forment ainsi des «châteaux d'eau» qui servent à l'alimentation continue des éboulis, créant ainsi un niveau aquifère superficiel. Dans ces conditions, on comprend que toute tranchée drainante, parallèle aux courbes de niveau de la pente, intercepte l'eau, rabat la nappe et est donc particulièrement efficace. Nous nous sommes proposés de vérifier cette théorie sur les sites, afin de mieux cerner les conditions d'implantation des tranchées drainantes (nombre, profondeur) et leur efficacité, tant à l'amont qu'à l'aval (en particulier, afin de préciser la notion de rayon d'action très utilisée dans les études théoriques) E «5 m 10m J '1 eneur r T n eau : e e ma / ' f r T 'X / V Infiltration d'un front de pluie du 15-7 au 23-7 >- ÉQUIPEMENT DES SITES Pour étudier ces différents points, il est nécessaire de connaître parfaitement le régime hydrogéologique de ces formations. Les sites ont été équipés de nombreux piézomètres, avec généralement plusieurs points de prise de pression sur une même verticale. Compte tenu de la faible perméabilité des milieux, des cellules de pressions interstitielles ont été aussi utilisées. Des essais Lefranc, à niveau variable ont été réalisés dans ces piézomètres, soit avant leur pose, soit après. Ils permettent d'avoir une idée de la perméabilité des terrains. La plage de variation est considérable: de 10-5 m/ s à 10-9 m/s. 1^ O 'S 2 a Drainage de la nappe au-delà du ( Jours ) M M JOOcrr >- / y Va iatior de la t snsior iée à t infil ratior t i Fig. 3 - Suivi de l'infiltration et de l'évapotranspiration. (0) 9

4 Cet équipement a été complété sur les sites de Fleurfontaine et de Sallèdes pour étudier le comportement de la zone non saturée par des tensiomètres et par des cellules capacitives et des tubes neutroniques pour mesurer les teneurs en eau. Les tensiomètres permettent de connaître le sens de l'écoulement vertical de l'eau : infiltration, évapotranspiration. En période de drainage, l'existence d'un point de flux nul permet de connaître le devenir de l'eau (fig. 3). Les mesures de teneur en eau permettent de suivre d'une manière plus précise les fronts d'infiltration et éventuellement de réaliser un bilan hydrique du site. OBSERVATIONS Sur une même verticale, tout d'abord, les pressions de l'eau que l'on observe apparaissent au premier abord très dispersées. Cependant, une observation plus détaillée, en particulier les variations dans le temps permettent de différencier trois niveaux qui se distinguent par leur comportement hydrogéologique : Le niveau 1 (perméabilité de l'ordre de m/s) compris entre 0 et 1 m de profondeur est le siège de nappe temporaire en été, permanente en hiver. Il correspond à l'écoulement hypodermique. Ce sont ces nappes temporaires qui peuvent faire penser à un comportement aléatoire des niveaux. Il est limité à la base par un niveau plus imperméable, lié probablement à une zone de battement de nappe (hydromorphie des sols) ; Le niveau 2 (perméabilité de l'ordre de ÎO 6-10" 7 m/s) correspond à la base des éboulis et éventuellement aux marnes altérées. Il contient la nappe des éboulis. Dans la suite de cet article, notre propos sera limité à cette nappe ; nous verrons comment on peut la définir et quel est son comportement. En hiver, son niveau piézométrique est identique à celui du niveau 1 ; Le niveau 3 (perméabilité généralement inférieure à 10" 9 m/s) correspond aux marnes saines, très peu perméables. Sur le site de Créancey et de Sallèdes, des cellules ont étudié la répartition des pressions interstitielles. On constate que ces pressions varient peu dans le temps (ce qui concorde avec la très faible perméabilité du milieu) et qu'elles ne correspondent pas à un équilibre hydrostatique (fig. 4) ; elles montrent en effet une infiltration. Il faut noter que cette répartition est beaucoup plus favorable pour les problèmes de stabilité, que celle prise actuellement dans les calculs (équilibre hydrostatique). ÉTUDE DE LA NAPPE DES ÉBOULIS Dans un milieu aussi hétérogène, du point de vue perméabilité (de 10" 5 à 10 8 m/s), le problème de la définition d'une surface piézométrique n'est pas évident. En fait, l'utilisation de cellules de pressions interstitielles a permis de définir une surface piézométrique, mais naturellement avec une précision moindre que dans le cas de milieu très perméable et 10

5 Fig. 5 - Temps de réponse des piézomètres (Fleurfontaine). / i H ' 11 ' 2 0 / / S S 20 2k NOVEMBRE 73 DÉCEMBRE 73 JANVIER 74 FEVRIER 74 MARS 74 AVRIL H H2Î 2,7 T.V. Limon argileux brun Argile gris bleu plastique 4,4 H20 5,0 Limon.argileux I ocre avec eboulis : Oí 5 i i MAI 74 JUIN 74 JUILLET 74 AOUT 74 SEPTEMBRE 74 OCTOBRE 74 homogène. Cette difficulté est en partie liée au fait que le temps de réponse du piézomètre dépend de la perméabilité du milieu dans lequel il est implanté (fig. 5) et en partie de l'effet barométrique non négligeable (fig. 6) et variable d'un piézomètre à l'autre. Ah (cm) La nappe étant ainsi définie, on peut étudier son comportement. On constate tout d'abord que tous les piézomètres ont un comportement identique (fig. 7), c'est-à-dire que la recharge ou le drainage de la nappe se fait à la même époque : la recharge s'effectue brutalement en hiver (aune époque dépendant de la pluviométrie), le drainage débutant au mois d'avril. Ce fait est en contradiction totale avec l'hypothèse du «château d'eau». Dans ce cas, en effet on devrait pour la recharge de la nappe observer un décalage dans le temps entre les piézomètres amont (les premiers à réagir) et les piézomètres situés à l'aval, et pour le drainage de la nappe, un décalage inversé (il devrait débuter par les piézomètres aval situés près de l'exutoire). Le comportement de la zone non saturée explique en partie ces observations. En été, on observe parfaitement après une pluie la progression du front d'infiltration, mais il faut des événements pluvieux très importants et donc très rares pour qu'il y ait recharge Fig. 6 - Effet barométrique (Fleurfontaine). APa en cm d'eau de la nappe. En fait l'eau infiltrée est généralement reprise par l'évapotranspiration ou s'écoule légèrement (écoulement hypodermique) en constituant une petite nappe perchée très temporaire. 11

6 Fig. 7 - Évolution des piézomètres sur le site de Fleurfontaine. Le niveau très peu perméable situé entre les ensembles 1 et 2 (fig. 8) joue un rôle de barrière et l'on constate aussi que sa teneur en eau ne varie pas. Sous ce niveau, la nappe des éboulis se draine lentement et l'on constate une diminution très progressive dans le temps des teneurs en eau. C'est cette libération très progressive de l'eau par les terrains, qui doit être responsable du comportement parallèle des piézomètres. 1, (%) I I ' I I I I i I ' I En automne, l'évapotranspiration ne peut plus reprendre toute la pluie (on a vérifié que le ruissellement sur ces pentes était nul). Il se crée donc dans le milieu 1 une nappe. A partir de cette nappe, l'eau va pouvoir s'infiltrer dans le milieu 2, et l'on observe effectivement la progression du front d'infiltration. Quand celui-ci atteint le niveau piézométrique, on a une recharge brutale de la nappe (2 ou 3 m), le niveau atteint étant alors celui de la nappe hypodermique. On comprend très bien que ce phénomène intervient simultanément en tout point de la pente. L'effet n'est pas instantané, il se fait sur une semaine ; ce laps de temps peut correspondre à une mise en pression progressive de l'eau de la nappe par l'air de la zone en cours de saturation qui se comprime. A partir de ces données sur le fonctionnement de la nappe, des valeurs de perméabilités obtenues, on pourrait penser faire un bilan hydrique du versant. En fait, les essais réalisés pour l'instant ne sont pas très concluants, car la précision sur les teneurs en eau est trop faible (de l'ordre de 1 % en valeur absolue pour des variations de 2 à 3 %). Sur le site de Sallèdes, qui est en cours d'étude, on pense pouvoir 2,00-3,00-4,00 - Z (ml Zone de très faible perméabilité Fig. 8 - Variation des teneurs en eau sur une verticale à Sallèdes; mise en évidence de la zone à très faible perméabilité. réaliser un tel bilan dans les années à venir, le fonctionnement hydraulique de l'ensemble de la pente étant alors m o d e lise, en tenant compte du couplage milieux saturé et non saturé. Mais a priori, il semble que les mouvements d'eau verticaux conditionnent les mouvements horizontaux. 12

7 EXPERIMENTATION D'UNE TRANCHEE DRAINANTE Le comportement hydrogéologiqire de ces pentes étant à peu près élucidé, il devenait possible de tester l'efficacité d'une tranchée drainante. Sur le site de Sallèdes, une telle tranchée a été réalisée selon les principes habituels en France : tranchée creusée à la pelle mécanique jusqu'au substratum marneux sain (vers 5 m de profondeur), parallèlement aux courbes de niveau de la pente. Sa longueur est de 30 m. Elle est équipée d'un drain et l'on peut mesurer le débit drainé. La tranchée étant à proximité des stations neutron et tensiomètre, on a pu suivre en continu les variations de teneur en eau et de tension de l'eau, à l'amont et à l'aval de la tranchée. Les résultats des mesures ont été décevants. Il a fallu attendre plusieurs jours pour constater une légère accélération de la vitesse de drainage au niveau du limnigraphe situé 6 m à l'aval de la tranchée, cependant qu'à l'amont aucune variation n'a été décelée. La recharge de la nappe en hiver a été aussi particulièrement suivie. On retrouve la recharge simultanée des piézomètres de part et d'autre de la tranchée, les niveaux atteints étant les mêmes que ceux des années précédentes (fig. 9). Le drainage, l'année suivante, n'a rien indiqué d'anormal. En conclusion, il semble que la tranchée drainante réalisée n' a qu' une influence très limitée (fig. 10). On ne peut cependant pas mettre en doute son fonctionnement. Les débits collectés sont en effet de lfj- 4 m 3 /s. Cette valeur est élevée, en effet si on applique la formule Q = T.i.l. - (T : transmissivité ; i : gradient de la nappe égal à 0,1 ; 1: longueur de la tranchée égale à 30 m), la transmissivité de l'aquifère doit être de l'ordre de 3.1f> 5 m/s, ce qui, compte tenu de l'épaisseur de l'aquifère (de l'ordre de 3 m), donne une perméabilité moyenne de 10-5 m/s, nettement supérieure à celle obtenue par les essais Lefranc. Le problème est d'expliquer ce fonctionnement apparemment anormal de la tranchée drainante. Or, si l'on reprend le comportement de la nappe, on constate que tous les piézomètres proches ou lointains de l'exutoire de la nappe (situé au bas de la pente) réagissent en même temps et de la même manière. La localisation du point de drainage n'apparaît donc pas fondamentale et ainsi le fait de réaliser une tranchée drainante ne modifie pas les niveaux. Deux questions se posent: 1. Que devient l'alimentation amont au niveau des falaises dans le fonctionnement hydrogéologique? Il ne fait aucun doute que dans certains cas elle existe, comme en témoigne la présence d'une ligne de source continue ou presque. Pour les sites étudiés, elle doit être faible, bien que non nulle. L'écoulement qui en résulte se superpose à celui que nous avons décrit, et selon l'importance relative des deux, la tranchée drainante sera plus ou moins efficace. La réponse à cette question dépend aussi de la précision avec laquelle on sera capable dans l'avenir de faire le bilan hydrique d'une pente. 2. Comment peut-on drainer ces nappes? Il n'est pas facile d'apporter une réponse à cette question, mais Réalisation de la tranchée drainante Fig. 9 - Comportement des piézomètres au voisinage de la tranchée drainante à Sallèdes. (m) (m) T3 T2 T1 T4 Fig Coupe piézomètrique au droit de la tranchée drainante à Sallèdes. nous avons mis en évidence deux points : le rôle de l'infiltration et celui de la zone hydromorphe du sol vers 1 mètre d'épaisseur. La réalimentation de la nappe se fait par infiltration à travers cette zone hydromorphe à partir de la nappe hypodermique. Si un drainage superficiel (reposant sur cet imperméable) arrive à drainer suffisamment rapidement l'écoulement hypodermique, on peut penser éviter en grande partie la réalimentation de la nappe des éboulis et ainsi obtenir le résultat souhaité. Pour ces raisons, on vient de réaliser sur le site de Sallèdes un drainage du type agricole (superficiel), seulement on ne dispose pas actuellement du recul nécessaire pour conclure à son efficacité. Mais, il faut remarquer que nos ancêtres connaissaient parfaitement ce système, car on retrouve actuellement dans de nombreuses 13

8 pentes, qui deviennent instables, des drains en poterie. L'absence d'entretien de ces drains est probablement à l'origine de la reprise des glissements. Ainsi donc, si nos résultats se confirment, ils apporteront une justification à une pratique ancienne. CONCLUSION Ces expériences ne prétendent pas résoudre tous les problèmes liés aux écoulements dans les formations de pente. Leur but doit être aussi d'amener les ingénieurs à réfléchir sur la conception des ouvrages de drainage. Trop souvent pris par le temps (car après un glissement de terrain il faut agir vite), on utilise des schémas de nappes classiques, sans se préoccuper totalement de l'adéquation de ces schémas à la réalité. Ces études montrent à l'évidence le rôle des conditions hydrogéologiques et leur répercussion sur la conception et l'implantation d'un système de drainage. L'hydrogéologie des formations de pente est complexe. Pour bien comprendre le mécanisme, il est nécessaire actuellement de faire appel à des techniques variées, qu'il ne semble pas possible d'extrapoler à tous les cas. Il faudra donc, à partir de recherches faites sur des sites expérimentaux, dégager une méthodologie précise d'étude des formations de pente et arriver à préconiser, selon le fonctionnement hydrogéologique des sites, le système de drainage le plus efficace. Pour leur part, les laboratoires des Ponts et Chaussées poursuivent leur recherche dans ce domaine. Je tiens à remercier M. Livet, Assistant au laboratoire régional des Ponts et Chaussées de Clermont- Ferrand, pour le travail qu'il effectue dans cette recherche. C'est grâce aux nombreuses mesures qu'il a effectuées et à leur qualité, aux nombreuses discussions que nous avons eues, que cette synthèse a été possible. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES [1] CEDERGREEN H.R., Seepage, drainage and flow nets, 1967, John Wiley and Sons inc., New York, London, Sidney, 489 p. [2] HUTCHINSON, Assenment of the effectiveness of corrective measures in relation to geological conditions and types of slope movement, Symposium Landslides and other mass movement, Theme 3, General report, Bull. AIGI, 16, dec [3] RAT M., Drainages, Bull, liaison Labo. Ponts et Chaussées, n spécial III, Stabilité des talus, dec. 1976, p [4] LlVET M., Étude hydrogéologique des formations de pente de la butte d Amance, Rapp. recherche LPC, 52, févr. 1976, 108 p. [5] TINETTE R., Étude des circulations d'eau dans les marnes du Lias, Bull, liaison Labo. Ponts et Chaussées, 107, mai-juin 1980, p [6] Passage de l'autoroute Nancy-Metz au lieu-dit «Le Château-sous-Clévant», Bull, liaison Labo. Ponts et Chaussées, n spécial N, juil. 1970, p

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