Etude expérimentale et numérique de la Sédimentation/Consolidation de sols à très forte teneur en eau

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1 Etude expérimentale et numérique de la Sédimentation/Consolidation de sols à très forte teneur en eau Gilbert LE BRAS (IUT de st nazaire, Dépt. Génie Civil) Alain ALEXIS (GeM) 1/42

2 Introduction Domaine scientifique : comportement des milieux poreux naturels très déformables interdisciplinarité: hydraulique-géotechnique amélioration des connaissances sur les dépôts de sédiments fins Domaines d application : gestion environnementale des zones aménagées : envasements des souilles, chenaux, retenues de barrage, parc régional de Briére gestion industrielle : boues de lavage de granulats (carrières) Port de Trentemout (Nantes) Programmes et contrats: Pr Eu MAST 1 et 2, Pr Nat CARR EAU ( BRGM) 2/42 EDF-LNHE, BRGM, Parc régional de Brière Réservoir du barrage d Oytier (Alpes)

3 Introduction Processus de sédimentation-consolidation Théorie de sédimentation : Kynch (1952) Théorie de consolidation : Gibson et al.(1967) x H Sédimentation libre Chute entravée Interface eau-sédiment Consolidation 3/42 Temps t Courbe de tassement et lignes caractéristiques

4 Objectif Etude du processus de sédimentationconsolidation des sédiments fins cohésifs - par un système de mesure spécifique non destructive, - permettant d accéder à des lois de comportement utilisables en simulation 4/42

5 Situation dans le cadre des travaux de l équipe Alexis,Gallois (1995) Expérimentation Création du système expérimental original Simulation 1DV compressible : compressibilité des phase solide et fluide Alexis,Le Bras (2) Expérimentation Développement du système expérimental ; Essais sédimentationconsolidation à 5, 1, 2 g/l Essais paramétriques : floculation, ségrégation Alexis,Le Bras,Nguyen (28) Expérimentation Amélioration du système expérimental Essais sans et avec ségrégation Simulation 1DV incompressible : Modèle numérique et en tenant compte de la ségrégation Application aux dépôts à terre 5/42 Application aux apports successifs

6 Plan de la présentation 1. Etude expérimentale en laboratoire 2. Modélisation numérique 3. Extension à la ségrégation 4. Application industrielle 6/42

7 Système expérimental : Gamma-densimètre Moteur électrique 15mm Capteur de position Buses de prise de pression Capteur de pression Colonne de sédiment Vers commande moteur des déplacements du chariot Tube de connexion Mixture Scrutateur rotatif Scintillomètre Source Gammadensimètre Calculateur de densité Input Output Unité de contrôle et de données 7/42

8 Concentration initiale Eau Concentration volumique Indice des vides Porosité Densité Concentration massique c=1-n=1/(1+e) e n=e/(1+e) d=1+1,7c C=27.c [ - ] [ - ] [ - ] [ - ] [g/l] 1 1 Domaine hydraulique,19 53,54,982 1,31 5,37 26,,96 1,63 1,74 12,5,926 1,126 2 Domaine intermédiaire Domaine géotechnique Solid,25 3,,75 1, ,555,8,445 1, ,,, 2,7 27 8/42

9 Caractéristiques des matériaux 9/42 Vase naturelle de Méan, Diamètre [ m] Vase naturelle Sable de Fontainebleau Kaolin, Diamètre [ m] Matériau reconstitué [%] [%] Tamisat [%] Diamètre des grains [micromètre] Matériaux Kaolin Sable Fontainebleau Vase de Rezé Vase de Méan Vase d Oytier Courbe Granulométrique Vase d'oytier Kaolin Vase de Rezé Vase de Méan d 5 [ m] Refus à 63 m 4 % 98 % 12 % 33 % 9 % 1-1 Kaolin, Diamètre [ m] [%]

10 Résultats expérimentaux x [mm] Kao (1%Kaolin-C=1g/l) 3h 6h 12h 1j 2j 4j 8j 1.33mn 16j 1.33mn 3h 6h 12h 1j 2j 4j 8j 16j 32j 32j Concentration volumique c [-] Profils de la concentration volumique 1/42 x [mm] Kao (1% Kaolin-C=1g/l) 12h 1j 1.33mn 6h 3h 2j 4j 1.33mn 3h 6h 12h 1j 2j 4j 8j 16j 32j 8j 16j 32j Surpression interstielle [Pa] Profils de la surpression interstitielle

11 Procédure de traitement des données Densité mesurée x,t correspondants Spécificités du système expérimental Pression mesurée x,t correspondants Maillage : x imposés t imposés Concentration volumique, Surpression interstitielle Contrainte totale nette, Gradient hydraulique, Vitesse de chute Contrainte effective = -u w = n -u [Pa] Trajectoire Perméabilité réduite k r = k. c [m/s] 11/42

12 Résultats expérimentaux : matériaux fins cohésifs Trajectoire des particules x [mm] Kao (1%Kaolin - C=1g/l) 1Pa 2Pa 3Pa 4Pa 5Pa 6Pa 7Pa 8Pa t = mn h 2j 8j j Log(temps) t [s] t = 32j 12/42

13 Résultats expérimentaux : Lois de comportement Sédiment ARTIFICIEL c Kaolin 1g/l Sédiment NATUREL Vase Rezé 1g/l c 13/42 Concentration volumique c [-] Concentration volumique c [-] ' v (c) A c 1Pa 2Pa 3Pa 4Pa 5Pa 6Pa 7Pa 8Pa loi puissance Contrainte effective [Pa] ' 1Pa 2Pa 3Pa 4Pa 5Pa 6Pa 7Pa 8Pa loi puissance Contrainte effective [Pa] B Concentration volumique c [-] Concnetration volumique c [-] k (c) k 1 c r ro 1Pa 2Pa 3Pa 4Pa 5Pa 6Pa 7Pa 8Pa Perméabilité réduite kr [m/s] Perméabilité réduite kr [m/s] k r 1Pa 2Pa 3Pa 4Pa 5Pa 6Pa 7Pa 8Pa Fitting

14 Simulation Principales équations 1. Equation de conservation 2. Equation d équilibre 3. Postulat de Terzaghi Modèle théorique Solide fluide c c v s 1 c 1 c vw t x t x v c s (1 c) w x u u u ' v v w v h 14/42 4a. Loi de Darcy 4b. Contrainte effective c 1 t x x ' s c k r w x Advection k(c) u vm k(c) i w x ' (c) v Equation de sédimentation - consolidation ' v k r w Diffusion

15 Résultats de simulation : Kaolin 1g/l x [mm] 15/ Simulation - Kaolin C=1g/l 3h 6h 1j 1.33mn 2j 8j 1.33mn 3h 6h 1j 2j 8j 32j data 1.33mn data 3h data 6h data 1j data 2j data 8j data 32j simulation mesures 32j Concentration volumique c [-] Profils de concentration x [mm] Simulation - Kaolin C=1g/l log(temps) t [s] Trajectoires des particules 1j 8j 1Pa 2Pa 3Pa 4Pa 5Pa 6Pa 7Pa 8Pa Temps de calcul : 2 min pour une durée physique de 32 j avec t=2s et x=1mm) 32j

16 Synthèse de la partie simulation Equations de sédimentation-consolidation 1 DV en grandes déformations qui utilisent une loi de contrainte effective et de perméabilité, Simulation d un essai sur le kaolin : comparaison satisfaisante Calcul fiable et rapide d un cas de sédimentation-consolidation par une approche continue Dans le cas d un matériau naturel, quel est le rôle de la fraction grossière? 16/42

17 Application industrielle Problématique : L accumulation des sédiments au pied d un barrage peut colmater la vanne de vidange de fond. Les dépôts formés diminuent la capacité du réservoir. L envasement des retenues de barrage est lié au processus de sédimentationconsolidation. Objectif : Donner des éléments d appréciation (évolution des concentrations et des résistances) de la faisabilité des méthodes de soutirage de sédiment frais derrière les barrages hydroélectriques. Barrage d Oytier (2 Avril 26) Aval C B A D 17/42

18 Application industrielle Mesures in-situ Cotes NGF Consolidation du dépôt 19-avr 2-avr 21-avr 22-avr plan d'eau Apports successifs Phase Ca [g/l] 1 5 fin [jours] Concentrations g/l Apports des sédiments dans le dépôt 18/42

19 Application industrielle Modélisation numérique des apports Modification au code de sédimentation-consolidation pour tenir compte des apports successifs Cas 1 j 1j (1,6j) 2j (1,96j) 3j (3,4j) 4j (prévision) 8j (prévision) Cotes NGF Consolidation du dépôt 19-avr 2-avr 21-avr 22-avr plan d'eau x [m] j 4j /42 2 j 8j 2j 1j 5 1 Concentration C [g/l] Profils de concentration Concentrations g/l Profils de concentration mesurée (par EDF)

20 Synthèse de la partie applications Expérimentation sur le matériau prélevé : Evolution de la concentration Evolution de la résistance avec la concentration et le temps Modélisation des apports successifs Comparaison seulement qualitative car problème de représentativité du matériau prélevé Evolution de la résistance intéressante pour l étude de faisabilité du soutirage 2/42

21 Rappel des objectifs : Conclusions Regard plus général sur le processus de sédimentationconsolidation Etude du phénomène de sédimentation-consolidation : connaissances sur le comportement des sols de très forte teneur en eau Rôle de la fraction grossière Partie expérimentale : Amélioration du système expérimental Réalisation d une colonne de prélèvement Développement d un nouveau pénétromètre 21/42

22 Partie numérique : Conclusions Réalisation d un code de dépouillement Réalisation d un code de sédimentation-consolidation Réalisation de l extension à la ségrégation Application industrielle : Simulation des apports successifs Evolution de la cohésion Application à la faisabilité du soutirage 22/42

23 Perspectives Perspectives expérimentales Réalisation d essais sur des colonnes de plusieurs mètres de hauteur Essais paramétriques en fonction de la composition du matériau Adaptation du pénétromètre à des campagnes de mesures in-situ Amélioration de la représentativité des méthodes de prélèvement Prolongement des essais de ségrégation avec prélèvement Perspectives numériques Extension de la modélisation à la prise en compte d une granulométrie continue Rendre plus opérationnel le code de simulation Intégration du modèle de ségrégation-sédimentation-consolidation dans des codes plus généraux (Télémac ) 23/42