BUREAU DE RECHERCHES GÉOLOGIQUES ET MINIÈRES SERVICE GÉOLOGIQUE NATIONAL

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1 BUREAU DE RECHERCHES GÉOLOGIQUES ET MINIÈRES SERVICE GÉOLOGIQUE NATIONAL B.P Orléans Cedex Tél.: (38) VILLE DE LILLE (NORD) avenue Kennedy COMPLEXE SPORTIF MISE HORS D'EAU CALCUL DU DEBIT DE DRAINAGE EN PERIODE DE CRUE DECENNALE par L.CREMILLEA.PHILIPPART rvlot géologique régional N O R D «PAl'DICALAIS Pert ds Uiinnii, Lénnnai HillimmiiUlli Tél.! (20) 62, ION 078 H?A 16 févmer 1976

2 BRGMrégion Nord le 18 février 1976 LEZENNES (NORD) (76 SGN 078 NPA) L.CREMILLE Complexe sportif Mise hors d'eau Calcul du débit de drainage en période de crue décennale RE SUME La ville de Lille projette la construction d'un comple sportif souterrain, avenue Kennedy à Lille (Nord). La surface piézométrique de la nappe de la craie étant susceptible de baigner le fond de la salle, il a été demandé au BRGM d'estimer le débit d'exhaure en période de crue décennale de la nappe. ' Les nombreux renseignements connus sur l'évolution des niveaux de la nappe à Lille ont permis de définir l'altitude maximale de la surface de la nappe au droit du complexe, Un calcul de la perméabilité verticale de la craie a été effectué à l'aide d'un essai adapté réalisé sur le site. 4 A partir d'une perméabilité verticale de l'ordre de 6,7.10 m/s et d'un abaissement de la nappe de 1 mètre environ, le débit de drainage de l'ouvrage a été évalué à 370 m 3 /h. 10 pages 1 tableau 1 carte 1 figure 2 graphiques

3 S O M M A I R E Pages 1 SITUATION DU PROJET DANS LE CONTEXTE HYDROGEOLOGIQUE 3 2 BUT ET CONTENU DE L'ETUDE CONFIEE AU B.R.G.M 3 3 TRAVAUX ANTERIEURS 4 31 Niveaux de la nappe 4 32 Solution proposée 4 4HAUTEUR MAXIMALE DE LA NAPPE 41 Altitude de la nappe les 6 août 1975 et 12 janvier Evolution de la surface de la nappe depuis Altitude de la nappe en crue décennale 5 5 PERMEABILITE DE LA CRAIE 6 51 Principe de la méthode 6 52 Création du bassin et des ouvrages de contrôle 6 53 Mise en eau et contrôle des niveaux et débits 7 6 DEBIT DE DRAINAGE DU BATIMENT 8 61 Cas de la crue décennale Cas intermédiaires 9 7 CONCLUSIONS 10 LISTE DES ANNEXES TABLEAU Tableau des profondeurs et altitude de la nappe CARTE Carte de situation du Complet Sportif FIGURE Plan du bassin d'essai pour la mesure de la perméabilité verticale GRAPHIQUE 1 GRAPHIQUE II Débit d'infiltration Evolution du débit d'exhaure en fonction de la hauteur d'eau audessus de l'axe des drains

4 3 VILLE DE LILLE (NORD) avenue Kennedy COMPLEXE SPORTIF MISE HORS D'EAU CALCUL DU DEBIT DE DRAINAGE EN PERIODE DE CRUE DECENNALE 1 SITUATION DU PROJET DANS LE CONTEXTE HYDROGEOLOGIQUE La ville de Lille construit actuellement un Complexe Sportif souterrain avenue Kennedy à Lille (Nord), (cf carte de situation). La dalle de la salle des sports est à la cote +17,85 m NGF tandis que le sol des galeries de service se tient à la cote +16,65 m NGF. La cote du sol étant estimée à +23m NGF. La profondeur des planchers sous le sol atteint donc 5,2m et 6,4 m. Sans avoir de données sur le site même du gymnase, les renseignements hydrogéologiques connus dans cette zone indiquent que : la base du bâtiment recoupe entièrement les remblais et limons superficiels et atteint les marnettes (mélange de craie et de limons), les galeries de service sont implantées dans la tête de la craie, la nappe d'eau souterraine contenue dans la craie peut évoluer entre les cotes +11 et +19 m NGF environ. De ce.fait, la base du Complexe Sportif serait susceptible de baigner dans l'eau si aucune protection n'était assurée. Un système de drains placés sous la dalle du gymnase est prévu pour assurer l'évacuation des eaux de la nappe en cas de besoin, la galerie de service étant conçue inondable. 2 BUT ET CONTENU DE L'ETUDE CONFIEE AU B.R.G.M. La mission du B.R.G.M. consiste à calculer le débit maximal qu'il faudra évacuer en crue décennale de la nappe. Ce calcul doit servir à ditnensionner correctement le réseau de drainage. Outre la connaissance de la superficie et de l'enfoncement du bâtiment, déjà acquise, le calcul du débit nécessite de déterminer : la cote maximale à laquelle peut monter la surface piézométrique de la nappe de la craie, la perméabilité de la craie sous le bâtiment L'étude proposée se divise donc en deux parties : l'une, relative à la détermination de la cote maximale de la nappe,est basée sur l'affinage des corrélations entre niveaux d'eau, l'autre relative au calcul de la perméabilité,nécessite des essais in situ à l'aide d'une méthode appropriée.

5 3 TRAVAUX ANTERIEURS Une première note du B.R.G.M. en date du 11 août 1975 situait déjà le problème des niveaux avec une certaine précision et proposait une solution. 31 Niveaux_de_la_na ge Un piézomètre, destiné à connaître le niveau de la nappe sur le site même de l'ouvrage, a été commandé à l'entreprise Meurisse et exécuté fin juillet début août 1975.(voir figure). 311 Ce piézomètre permet d'abord d'avoir une coupe précise des terrains. On constate que la craie franche est recouverte de : 4,3 m de remblais divers 0,5 m de limons 1,2m de marnettes Le site ne se trouve donc pas en zone alluviale dans la vallée de la Deule, mais sur plateau en flanc de vallée. 312 Ce piézomètre permet également de connaître l'altitude de la surface piézométrique sur le site même. Le 6 août 1975 la nappe se tient à H5,90 m NGF. Notons par ailleurs que la situation sur plateau prouve que les niveaux d'eau n'atteignaient pas la cote du sol naturel (située à A,3 m sous le sol actuel) lorsque les remblais n'existaient pas. A cette époque le niveau maximal de la nappe ne pouvait donc atteindre que la cote maximale 23 m A,3 m = +18,7 m NGF. Remarquons cependant que le remblayage des terrains favorise généralement la montée de l'eau par suppression des sources antérieures éventuelles. 32 Solution_p_rop_osée Du fait de la possibilité d'importants débits à évacuer en crue décennale, alors évaluée à +19 m NGF, le B.R.G.M. avait alors estimé plus simple de proposer un radier poids pour s'opposer aux sous pressions. Une épaisseur de dalle de +0,95 m avait été calculée. Au cours de la réunion du 5 novembre 1975, cette proposition fut examinée, discutée et comparée avec le système du radier filtrant. L'ensemble des personnes réunies a finalement opté pour la deuxième solution pour laquelle il devenait donc indispensable de faire un calcul du débit d'exhaure. C'est l'objet de la suite du rapport.

6 A HAUTEUR MAXIMALE DE LA NAPPE 41 Altitude de la nagge les 6 août_l_975_et_j^_janvier_l_97ileî a. ë_ d.ë_is Rë2ubli<jue_à_Lille (tableau I et carte). A 600 mètres au sudouest du Complexe Sportif i e niveau de la nappe de la craie est connu depuis 1962 dans le forage "Beaux Arts" de la Communauté Urbaine de Lille. Le 6 août 1975, le niveau dans ce forage était de 15,5 m NGF. Audelà de la place de la République, en face de la Préfecture, le niveau d'eau était à +15,1 m NGF ce même jour dans le piézomètre S 24 du métro. Par rapport au niveau moyen tflaèe de la République d'altitude +15,3 m NGF, la surface de la nappe se tient donc ce jourlà 60 cm plus haut au Complexe Sportif. Le 12 janvier, les niveaux d'eau étaient respectivement de : +15,29 m au Complexe Sportif +15,07 m au forage "Beaux Arts" +14,74 m au S ,90 m "pour la moyenne des deux derniers La nappe est alors 39 cm plus haute au Complexe Sportif. 42 Evolution_de_la_surfaçe_de_la_nag e_de uis_2962_au_droit_du_comdlexe Sportif Depuis 1962, l'altitude maximale de la nappe constatée au forage "Beaux Arts" est de + 17m NGF. Elle a été atteinte trois fois, en 1962, 1967 et D'après les comparaisons du paragraphe précédent, la surface de la nappe s'est donc élevée trois fois depuis 1962 jusqu'à une cote maximale comprise entre +17,4 m et +17,6 m NGF au droit du Complexe Sportif. 43 Altitude de la nap_p_e en crue décennale D'après des études antérieures, la valeur maximale que peut atteindre la nappe en crue décennale sur la place de la République est de +17,8 m NGF (2 m sous le sol naturel). Cela signifie, d'après le paragraphe 41 et en prenant l'écart maximal de 60 cm, que la nappe peut monter à la cote +17,8 + 0,6 = 18,4 m NGF arrondi à +18,5 m NGF au droit du Complexe Sportif. C'est ce chiffre que l'on considère comme bon pour la suite des calculs. Notons que ce chiffre correspond à une profondeur de 20 cm sous le sol naturel initial et se trouve proche du chiffre avancé au paragraphe 31, ce qui lui donne une justification complémentaire.

7 5 PERMEABILITE DE LA CRAIE Des études générales de la nappe de la craie ont été effectuées depuis 1965 dans la région lilloise. Des modèles mathématiques ont notamment permis, à partir de 1971, de posséder une bonne répartition de la perméabilité horizontale de la craie dans toute cette région. Des calculs approximatifs sont ainsi possibles. Cependant pour un ouvrage précis, la détermination d'une valeur ponctuelle s'impose,d'autant plus que ce sont surtout les perméabilités verticales qui conditionnent les débits dans le cas d'un rabattement 1par drainage. Nous avons donc mis en oeuvre un essai, dit essai Muntz, destiné à la mesure de cette perméabilité. 1 2 Une buse de diamètre 0 1 m,de section S «7,85 10 m,protégée par un anneau de garde. 0 4 mètres, est implantée dans le terrain. Un débit Q est injecté dans la buse centrale, le niveau d'eau étant dans cette buse et dans l'anneau extérieur. maintenu constant Une différence de charge /^ h s'établit entre le niveau dans la buse et de la nappe.elle correspond à la perte de charge due à l'écoulement vertical à travers les terrains d'épaisseur e. La perméabilité verticale se calcule par la formule de DARCY : 52 Création du bassin_et_des_ouvrages_de_contrôle (voir figure) Pratiquement il fallait réaliser, sur l'emprise du complexe, une fouille dont le fond correspondait avec l'altitude du sol situé sous la dalle du gymnase (+17,6 m NGF). Le 7 novembre une réunion de chantier définissait l'emplacement du site d'essai. L'entreprise Aubrun se chargeait de réaliser ce travail. Dans une première phase les terres furent enlevées jusqu'à la cote +18,5m NGF sur une aire de travail suffisante. Dans une seconde phase le bassin luimême fut creusé jusqu'à sa cote finale, soit +17,6 m NGF suivant une forme circulaire de 4 m de diamètre. L'anneau d'un mètre de diamètre fut placé au centre. Deux piézomètres de contrôle furent creusés dans l'anneau de garde. L'un court fut arrêté à 50 cm sous le fond de fouille. L'autre profond fut poursuivi jusque 0,7 m dans la nappe située à 2,5 m sous le fond de fouille. Les deux furent crépines sur 50 cm à partir de leur base. L'axe de chacune des crépines se tient respectivement à +17,3 m NGF et +14,85 m NGF. Une banquette d'approche en béton fut coulée autour des deux ouvrages. Le dispositif était prêt vers la midécembre 1975.

8 53 Mise en_oeuvre_et_contrôle_des_niveaux_et_débits (tableau et graphique I) Des problèmes d'amenée d'eau à partir des bornes d'incendie ainsi que des problèmes de gel retardèrent les essais jusqu'au mois de janvier Tous les problèmes annexes résolus, les essais eurent lieu le 12 janvier Avant le démarrage de l'infiltration,le piézomètre court était sec (profondeur/repère : 1,24 m) indiquant la dêsaturation du milieu aquifère tandis que le piézomètre profond fournissait le niveau de la nappe de la craie (à 3,07 m sous le repère, soit +15,25 m NGF). La mise en eau débuta à 10 heures. À 11 heures, le niveau d'eau dansle piézomètre court était déjà à 0,77 m sous le repère, il était à 2,34 m dans l'ouvrage profond. La buse contenait une hauteur d'eau de 0,51 mètre. Le débit infiltré était de 18,29 1/mn. A partir de 12 heures et jusqu'à la fin de l'essai à 16 hl5 les niveaux furent pratiquement stabibilisés aux valeurs suivantes (valeurs de fin d'essai): Buse centrale Anneau de garde Piézomètre court Piézomètre profond Hauteur ou profondeur par rapport au repère (en m) 0,51 0,515 0,80 2,27 Altitude (m NGF) +18,13 +18, ,54 +16,05 Les débits ne subirent que de faibles variations comme le prouve le graphique I. 4 3 Le débit moyen de l'essai s'établit à 19,12 litres/minute soit 3,19 10 m/s. 54 Çalcul_de_la_germéabilité_verticale Dans la formule du paragraphe 51, Q et S sont maintenant connus.il s'agit à présent de définir h et e. D'après la coupe géologique du piézomètre, l'eau s'est écoulée à travers des marnettes sur les premiers décimètres puis à travers la craie de tête dans les mètres suivants. On peut donc scinder l'écoulement en deux phases en relation avec les 2 types de terrain traversés. L'épaisseur de passage dans les marnettes est de l'ordre de grandeur de la prise de pression du piézomètre court ; le calcul que l'on pourrait effectuer dans cette seule formation serait donc imprécis. Il reste donc le calcul de la perméabilité soit sur l'ensemble des terrains traversés soit sur les premiers mètres de la craie.

9 Le tableau suivant peut être dressé : épaisseur traversée e perte de charge A* gradient e du bassin au piêzomêtre profond 17,62 14,85 2,77 18,13 16,05 2,08 du piézomètre court au piézomètre profond 17,30 14, ,54 16,05 1,49!«0.61 2,45 D'après la formule Q S.i la valeur de perméabilité dans chacun des cas est la suivante : Kv ,19 io" 2 X 7,5 5,4 10 m/s Kv = _ 3,19 7,85 X 6, ,7 10" 4 m/s De ces deux valeurs nous ne conservons que celle qui correspond à la craie, les marnettes pouvant n'être pas continues sous l'ensemble de la dalle : soit Kv = 6,7 10~ 4 m/s Cette valeur est légèrement plus faible, mais de même ordre de grandeur, que ce que fournit les modèles mathématiques généraux pour la perméabilité horizontale. Cette similitude permet de conclure à une bonne isotropie de la craie.(valeur comparable des perméabilités horizontale et verticale). 6 DEBIT DE DRAINAGE DU BATIMENT Le débit de drainage est calculé à partir de la formule qui fournit le débit d'épuisement d'une fouille semicirculaire : Q Ci 2,5 K H V~S~ (Schneebeli page 325) K = perméabilité de la craie K = 6,7 10 m/s H = hauteur entre l'altitude de la nappe et le fond de fouille S = surface mouillée 2 Les dimensions du bâtiment sont de 45 x 70 m. La surface mouillée au sol est donc de m. La surface latérale mouillée dépend du périmètre du bâtiment (égal à 230 mètres) et de la hauteur d'eau audessus du sol.

10 61 Ças_de_la_crue_décennale '' L'altitude de la nappe est fixée à +18,5 m NGF en crue décennale (paragraphe A3). Le fond de fouille est à +17,6 m NGF. La hauteur d'eau à rabattre est donc de 0,9 mètres. H = 0,9 m. 2 2 La surface latérale mouillée vaut alors 207 m et la surface totale S = =3.357m soit V S» 58. Dans ce cas : Q 2,5 x 6,7 x 9 x 5,8 10~ 4 Q 8,7 10~ 2 m 3 /s Q = 315 m 3 /h Ce chiffre représente la valeur maximale du débit d'exhaure dans le cas de la crue décennale Ce chiffre serait légèrement supérieur si on considérait l'axe des drains qui seront placés sous la dalle et qui risquent d'être à une profondeur plus élevée que celle du fond de fouille. 62 Cas intermédiaires Dès que le niveau d'eau dépasse l'altitude du fond de fouille (+17,6 m NGF) ou de l'axe des drains un débit d'exhaure se manifeste, variable avec la hauteur de dépassement. C'est ce débit que l'on va calculer maintenant pour une hauteur H allant de 0 à Im. Deux termes sont variables dans la formule utilisée cidessus H et S(qui dépend de H ), ce dernier terme ne variant que très faiblement. Les calculs ont permis de tracer la droite en annexe (graphique II). Le fait que la courbe soit une droite montre bien que l'influence de la variation de la section mouillée est négligeable. A partir de cette droite, on peut calculer le débit d'exhaure à envisager si les drains sont largement sous le fond de fouille. Ainsi si l'axe des drains est à est de 370 m /h. 15 cm du fond de fouille le débit d'exhaure en crue décennale

11 10 7 CONCLUSIONS Les études générales effectuées par le B.R.G.M. dans la région lilloise ont permis de faire les corrélations nécessaires pour fixer avec une bonne précision l'altitude maximale que la surface piézométrique de la nappe de la craie peut atteindre au droit du Complexe Sportif en crue décennale.cette altitude est de +18,5 m NGF. L'essai ponctuel réalisé sur le site même du Complexe Sportif, dit essai Muntz, a permis par ailleurs, de calculer la valeur de la perméabilité verticale de la tête de la craie en 4 cet endroit. Le dépouillement des essais fournit une valeur de 6,7 10 m/s. Pour un bâtiment de 45 m de largeur sur 70 m de longueur le débit d'exhaure qu'il faut relever pour abaisser la nappe â la cote +17,6 m NGF est, d'après les chiffres précédents,, de 315 m /h en période de crue décennale. Ce débit peut augmenter jusqu'à 370 m /h si l'axe des drains est 15 cm sous le fond de fouille. L.CREMILLE, Ingénieur I.D.N. A.PHILIPPART, Techniciensupérieur hydrogéologue Service Géologique Régional NordPasdeCalais du B.R.G.M.

12 Etats piézométriques d'août 75janvier 76 N de feuille : 14 N de huitième: 7 India BRGM un Commune et propriétaire LIUE CUDL 'Beaux Arts' LlLLL CUDL 'Beaux Arts 1 LlLLL Ville llllllll LILLE VILLE LILLE VILLE LILLE VILLE LILLE VILLE IDENTIFICATION Ouvrage «Jaturo for* S24 piézo S 3C )iézo 3,0 >rofbn d )iézo court buse centrale inneai de jarde Profondeur Alt tuât 19,3 25,0 10,0 0,52 Sol fl9,9 23,1 17,62 17,62 17,62 17,62 Toit craie Ptufcndtui Altitude 7,0 + 13,( b,4 + 13,6 4,8à 6,0 +17,0 )istance de l'ouvrage à Etude : Gymnase KENNEDY Nappe de : ] a craie Nature du repère Sol,tubage, rfcrgcl^dcuc bord tubage bord bubage bord ;ubage bord tubage bord tubage zéro d'un mètre zéro d'un mètre REPERE Nature du Altitude sol autour de l'ouvra^ houtwr/so! sol bâti ment remblai place cour école fond d i+18,32 bassin fond de bassin +17,4/ 0 +19,9f 0 +24,1C 1,0 0,70 +18,34 0,72(5 17, ,62 0 BRGMS.G.R/N.PALEZENNES (MORD) Observateur JM.B O N N A R T UDservateur. fl pht) TppÄRT NAPPE Profondeur et altitude août ,5 +15,1 8,20 +15,9( 12 jarv avant 'essai apres Tessa 2,40 +15,0; 5,24 114,74 8,81 H5.29 3,07 H5,25 >1,24 sec 0 0 i 2,27 H6.05 0,80 117,54 0,51»18,13 0,51 (18, Observations fosé. à.. \i rr lairie >osé pour essai n o i» "O 1UNTZ >ose pour essai O yo MUNTZ o IO O>' ro iro IX 1 un ro > I to a o 00 N.B. Toutes les profondeurs sont exprimées en mètres, les altitudes en m NGF. (système Lailemand,référence plaque égout vers l'école). L'altitude du fond du bassin (+17,6) correspond sensiblement avec celle du fond de fouille sous le gymnase (dalle : +17,85).

13 Carte VILLE DE LILLE (NORD) Avenue Kennedy COMPLEXE SPORTIF CARTE DE SITUATION DU COMPLEXE SPORTIF LEGENDE v S3c tf, e,,.,,,., indice interne ï 7ç Qn \ piézomètre creé dans le cadre de l'étude altitude le 6 août BA forage "Beaux Arts" +1Q98 S24 piézomètre metro Indice Interne amtude de la nappe en avrilmai 1975., *.Gare aux March* Extrait d'une carte inédite à paraître dans un prochain rapport. B. R. G. M. Service géologique regional NORD PASDECALAIS Rapport n» : 76 5GN 078 NPA Plan n : Date : Echelle 1/10 000

14 ...I ß. R. G. M. Service géologique régional NORD PASDECALAIS Rapport n : 7$ SGN 078 NPA Plan ri" : Date Figure VTLL: TT3 LILL'S (ÏÏORD) avenue Kennedy Complexes sportif FLAK DU BASSTN D'ESSAI +2A10

15 B. R. G. M. Servie«géologique régional NORD PASDECALAIS Rapport n 76 SGN 078 NPA Plan n«: Date : 1602H76 VILLE DE LILLE (NORD) âyênûêjçènnèiiy Complexe sportif DgPQUI XfNjEpH D^ L'EEsurwwn Gfophiqml

16 B. R. G. M. Servie«gtologiqu«régional NORD PASDECALAIS Rapport n» : 76 SGN 078 NPA Plan n : Dat» : VILLE DE LILLE (NORD) aveñüe'riññedy Complexe sportif Grophfquc JT EVOLUTION DU DEBIT D'EXHAURE EN FONCTION DE LA Uni it»ir H M U I M