TEST DE METHODES GEOPHYSIQUES SUR COUVERTURES DE CSD : SITE EXPERIMENTAL

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1 TEST DE METHODES GEOPHYSIQUES SUR COUVERTURES DE CSD : SITE EXPERIMENTAL TEST OF GEOPHYSICAL METHODS ON LANDFILL COVERS : EXPERIMENTAL SITE Fanny GENELLE (1, 2), Colette SIRIEIX 1, Véronique NAUDET (1, 3), Bruno DUBEARNES 4, Joëlle RISS 1, Fabien NAESSENS 1, Stéphane RENIE 2, Sylvain TRILLAUD 5, Michel DABAS 5, Philippe BEGASSAT 6 1 Université Bordeaux 1 GHYMAC, Talence, France 2 HYDRO INVEST, Champniers, France 3 BRGM, Orléans, France 4 EAUGEO, Orx, France 5 GEOCARTA, Paris, France 6 ADEME, Angers, France RÉSUMÉ Dans les centres de stockage de déchets, les couvertures présentent parfois des défauts de perméabilité. On se propose de mettre en œuvre plusieurs méthodes géophysiques pour tenter de les détecter et les caractériser. Des mesures sont aussi effectuées sur un site expérimental au sein duquel des anomalies ont été créées. Les premiers résultats des mesures électriques sont présentés ici. ABSTRACT Landfill covers are likely to have permeability defects that provide preferential pathways for flow. We attempt to perform several geophysical methods in order to test their ability to detect and define them. Geophysical surveys will be carried out also on an experimental site containing anomalies. The first results of electrical methods are presented here. 1. Introduction Les centres de stockage de déchets (CSD) ont une couverture en surface chargée d assurer leur étanchéité. Cette couche de protection peut subir des dégradations liées aux actions mécaniques, climatiques et hydrauliques s exerçant à sa surface, mais également être altérée dès sa pose. La couverture n assure alors plus totalement sa fonction d étanchéité, ce qui se traduit par une augmentation de la quantité de lixiviats. Plusieurs auteurs ont mis en évidence l apparition de défauts lors de l installation de la couverture (Forget et al., 2005 ; Phaneuf et Peggs, 2001). Outre les contrôles destructifs ponctuels qu il est possible d effectuer, les méthodes géophysiques seraient un moyen de caractériser à une plus grande échelle l état de la couverture en place. Une étude a déjà été menée sur un modèle réduit de couverture argileuse contenant des hétérogénéités de composition et de compactage (Guyonnet et al., 2003). Elle a été le lieu de mise en œuvre de deux méthodes géophysiques, à savoir le radar géologique et l EM38. Cependant, la plupart des anomalies détectées ne 819

2 correspondaient pas aux positions des hétérogénéités. Des corrélations significatives apparaissaient uniquement avec l EM38 en mode dipôle horizontal pour les hétérogénéités superficielles. Notre étude consiste à combiner et comparer quatre méthodes géophysiques : la résistivité électrique (cartographie par ARP et tomographie), la polarisation spontanée et la thermographie infrarouge à l échelle du site expérimental et du CSD. Après une rapide présentation des méthodes géophysiques mises en œuvre, le site expérimental est décrit ainsi que les anomalies et capteurs présents. La dernière partie est consacrée aux premiers résultats obtenus en tomographie de résistivité électrique. 2. Les méthodes géophysiques 2.1. Les méthodes de résistivité électrique Les deux méthodes sont basées sur le même principe qui consiste, pour des dispositifs standards, à injecter un courant électrique dans le sol entre deux électrodes et à mesurer la différence de potentiel entre deux autres électrodes. Après correction du facteur géométrique, il en résulte des valeurs de résistivité électrique apparente L ARP (Automatic Resistivity Profiling) L ARP, développé par GEOCARTA, est constitué d un dipôle émetteur et de trois dipôles récepteurs tractés par un quad (Figure 1.). Ce dispositif très rapide à mettre en œuvre se trouve bien adapté à l acquisition de mesures sur de grandes surfaces, comme ce sera le cas sur les CSD. Figure 1. Schéma indiquant la position des électrodes par rapport au quad (à gauche) et photographie du dispositif prise sur un CSD (à droite) L écartement croissant entre dipôles émetteur et récepteur, de 0,5 m, 1 m et 1,7 m (Figure 1), fournit un enregistrement simultané des résistivités apparentes correspondant à trois niveaux d investigation croissants (Dabas, 2009) La tomographie de résistivité électrique (TRE) Cette méthode consiste à mettre en place des électrodes métalliques espacées entre elles d un même écartement et raccordées à une flûte branchée sur un 820

3 résistivimètre, dans notre cas il s agit du Syscal Pro (IRIS Instruments). Les électrodes jouent successivement le rôle d électrodes d injection de courant et de mesure de différence de potentiel sur toute la longueur du dispositif. L écartement croissant entre électrodes permet d augmenter la profondeur d investigation. Ce matériel présente de nombreuses possibilités quant au choix des dispositifs de mesures. Des pseudo-sections de résistivité apparente sont réalisées à partir des mesures qui, pour un même dispositif et un même écartement, seraient directement comparables aux mesures ARP. Ces pseudo-sections peuvent par ailleurs être inversées afin d obtenir un modèle de la résistivité électrique du terrain. Un rapprochement entre des données de résistivité électrique apparente acquises en ARP et en tomographie électrique a déjà été effectué dans le cadre d une prospection menée en 2003 sur un terrain agricole situé en Allemagne (Dabas, 2009), le long d un profil longitudinal de près de 160 m et à une profondeur de 0,5 m ; l auteur montre une grande ressemblance entre les données mesurées en ARP avec un écartement inter-électrode de 0,5 m et celles mesurées en tomographie de résistivité électrique selon un dispositif Wenner avec le même écartement. Il en va de même pour les deux autres écartements. 2.2.La polarisation spontanée (PS) Cette méthode, couramment appelée méthode PS, permet d obtenir la distribution du potentiel électrique naturel du sol depuis la surface. Des différences de potentiel sont mesurées entre deux électrodes non-polarisables, une électrode de base et une électrode de mesure, à l aide d un voltmètre à haute impédance d entrée. Après traitement des données, une cartographie du site peut être réalisée. Une étude géophysique mettant en œuvre des mesures PS a été réalisée en 2007 sur un barrage en terre (Bolève et al., 2009). Elles ont été associées à des profils de tomographie de résistivité électrique dans le but de localiser d éventuelles zones de fuites. Le modèle de terrain issu de l inversion des données de tomographie de résistivité électrique ainsi que la connaissance de données qualitatives de perméabilité et de conductivité hydraulique des différents matériaux constitutifs du terrain sont nécessaires pour réaliser l inversion des données PS. Les auteurs en concluent que les anomalies négatives correspondent à des zones d infiltration d eau. Dans le cadre de CSD, les anomalies négatives de PS peuvent aussi être significatives de réactions redox qui ont lieu dans les déchets (Bavusi et al., 2006 ; Naudet et al., 2004). 2.3.La thermographie infrarouge Cette méthode fournit la répartition spatiale des données de température sous forme de thermogrammes, créés à partir des radiations reçues par une caméra infrarouge. Ces dernières résultent en réalité de la somme de trois composantes : la radiation émise par l objet, celle réfléchie par l objet et l interaction avec l atmosphère (Sirieix et al., 2005). Les variations de température en surface seront donc fonction de la variation de distribution des constantes thermiques dans le sous-sol et de l historique des variations de températures (saisonnières ou diurnes). Un défaut de perméabilité peut être responsable d une discontinuité thermique mesurable depuis la surface sous certaines conditions mais aussi présenter une température différente de celle de la couverture argileuse car directement influencée par l eau d infiltration qui y circulera plus rapidement que dans la couverture. 821

4 Cependant, sur CSD, le comportement thermique de la couverture comprend également la chaleur produite par la fermentation des déchets. 3. Le site expérimental Dans le but de mieux appréhender les signatures géophysiques de divers défauts possibles d une couverture, un site expérimental a été construit. Il devrait permettre d une part de préciser les limites des différentes méthodes géophysiques en fonction des défauts types rencontrés et, d autre part, de ne pas prendre en compte, dans un premier temps, l effet de l activité des déchets sur les méthodes passives (PS et thermographie infrarouge). 3.1.Présentation Le site est implanté sur le terrain de la société HYDRO INVEST et se compose de deux parcelles distinctes. Elles représentent deux «modèles» de couvertures où sont incorporés des défauts couramment observés sur CSD. Les anomalies, au nombre de 11, sont localisées dans la géomembrane et le matériau de couverture. Ce dernier a été déposé et compacté en trois fois, une première couche de 40 cm d épaisseur et les deux autres de 30 cm. Les caractéristiques de chaque parcelle sont résumées dans le Tableau I. Tableau I. Caractéristiques des deux parcelles expérimentales Parcelle 1 Parcelle 2 Dimensions totales des parcelles 16 m x 12 m 11 m x 12 m Epaisseur 1,15 m 1,50 m Terre végétale (15 cm) Eléments constitutifs Sol compacté (1 m) Anomalies 7, principalement dans le sol compacté : - 2 fissures de 10 cm - 1 fissure de 4 cm - 1 dépression - 1 piézomètre - 2 géodrains Terre végétale (15 cm) Géotextile Graviers (30 cm) Géosynthétique bentonitique (GSB) Sol compacté (1 m) 4, principalement dans le GSB : - 1 déchirure associée à une fissure de 4 cm dans le sol compacté - 1 déchirure - 1 arrachage - 1 défaut de recouvrement Les anomalies de la parcelle 1 Ces anomalies sont de nature différente : fissure, dépression etc (Figure 2). - Trois fissures artificielles représentent des malfaçons liées à la mise en place et à l altération par retrait-gonflement du matériau de couverture contenant de l argile. Chacune d entre elles traverse toute l épaisseur du matériau de couverture sur une longueur de 2,5 m. Le vide laissé par les fissures de 4 et 10 cm, est comblé par du sable. - Une dépression circulaire, simulant une irrégularité dans l épaisseur de la couche, est creusée sur 20 cm de profondeur et 2 m de diamètre en partie supérieure du matériau compacté. 822

5 - Le piézomètre traverse la totalité de l épaisseur de la couverture. Il permet de connaître l éventuelle influence d un puits vertical sur le milieu environnant. - Un géodrain est positionné après la mise en place de la première et de la deuxième couche de sol, soit respectivement à 0,75 m et 0,45 m par rapport à la surface finale des parcelles. Ces géodrains, d une épaisseur de 8 mm sur une surface voisine de 1 m², sont des éléments supplémentaires pour définir le niveau de détection des méthodes géophysiques employées dans le cadre de cette étude Les anomalies de la parcelle 2 La parcelle 2 diffère de la parcelle 1 notamment par l ajout d un GSB au-dessus de la terre compactée. Les anomalies sont constituées de déchirure, arrachage et défaut de recouvrement du GSB. Dans le cadre d un CSD, elles résultent de dégradations opérées lors de la pose de la géomembrane. - L un des défauts est situé à deux niveaux car il associe une déchirure du GSB sur une longueur de 2,5 m à une fissure de 4 cm de large traversant le sol compacté (de dimensions identiques à celle de la parcelle 1). - Une seconde déchirure ouverte est créée sur une longueur de 3 m. - L arrachage semi circulaire réalisé sur un rayon de 1,5 m peut représenter l effet d un coup de godet donné par un engin de chantier sur CSD. - Un défaut de recouvrement est fait entre deux lés de GSB, sur une largeur de 40 cm et une longueur de 2 m. 3.2.Instrumentation Ce site est équipé de capteurs situés à différentes profondeurs par rapport à la surface de la terre végétale visible. Il comprend : - 10 sondes de température de type PT100, - 10 capteurs d humidité (sondes thétaprobes de Sols Mesures), - 39 électrodes de polarisation spontanée (PS) de SDEC, Les données fournies par les capteurs de température et d humidité donnent une indication sur l avancée du front d infiltration de l eau avec la profondeur. Les électrodes PS installées à demeure constituent un réseau de capteurs enterrés à différentes distances des anomalies, qui fournit un suivi en continu de la PS. D autre part, des cartographies PS seront réalisées en surface, dans des conditions climatiques variées. Le suivi en continu des différents paramètres s accompagne de l acquisition de données météorologiques à l aide d une station implantée à proximité des parcelles. 823

6 Figure 2. Capteurs et anomalies au sein des parcelles expérimentales (cf. Tableau 1.) 4. Les premières mesures de tomographie de résistivité électrique De nombreux panneaux électriques, de dimensions et dispositifs variables, ont été effectués sur l ensemble du site afin de recouper les différentes anomalies (Figure 2). L un d entre eux est présenté ici : les mesures ont été faites en Octobre 2009 au moyen de 48 électrodes espacées de 50 cm selon un dispositif dipôle-dipôle. Les données de résistivité acquises ont été inversées au moyen du logiciel RES2DINV en faisant varier les différents paramètres de l inversion. La pseudosection (Figure 3. a) montre de forts contrastes de résistivités aux deux extrémités du panneau ainsi qu une signature typique de fracture. Un des modèles de terrain obtenu par une inversion de type robuste et en doublant le nombre de blocs (deux blocs entre deux électrodes) est présenté en Figure 3 pour un dispositif dipôle-dipôle. Sur ce modèle, la profondeur d investigation voisine de 2,5 m est supérieure à l épaisseur totale de la couverture de la parcelle 1 qui est de 1,15 m. La limite entre le sol compacté et les alluvions limoneuses sousjacentes est nette, excepté sur la partie Nord du panneau, entre 4 m et 6 m, où elle est moins précise. Ceci s explique par la difficulté à inverser en présence d une discontinuité aussi étroite car cela se reproduit sur les autres panneaux réalisés au droit des différentes fissures. Le modèle de terrain fait ensuite apparaître deux principales différences de résistivité au sein du sol compacté qui présente une résistivité moyenne voisine de 20 Ω.m. 824

7 Figure 3. Pseudo-section de résistivité apparente (a), Pseudo-section de résistivité apparente recalculée à partir du modèle de résistivité (b), Modèle de résistivité (c) La première hétérogénéité est située à 6 m du début du profil et se poursuit sur toute l épaisseur de la parcelle. Elle est marquée par une résistivité aux alentours de 50 Ω.m. La seconde se trouve entre 8,5 et 9,5 m à partir de 0,4 m de profondeur et présente une résistivité de 35 Ω.m. Par ailleurs, de petites hétérogénéités sont localisées dans la partie très superficielle du matériau de couverture ; elles sont typiques du dispositif employé (dipôle-dipôle) et du fait d avoir augmenté le nombre de blocs. En comparant les Figures 2 et 3, il est possible d interpréter les deux hétérogénéités électriques comme le résultat des anomalies créées au sein de la parcelle. La première hétérogénéité électrique correspond à l effet de la fissure remplie de sable. Avec un espacement entre électrodes de 0,5 m nous distinguons la fissure oblique large de 0,1 m, remplie de sable sec. La fissure est détectable mais pas avec sa véritable valeur de résistivité (>1000 Ω.m) et sans une limite franche, en profondeur, avec le substratum. La seconde hétérogénéité correspond au géodrain mis en place à 0,45 m de profondeur et de 8 mm d épaisseur. Cependant, son épaisseur est nettement plus importante sur le modèle qu elle ne l est en réalité. 825

8 La modélisation du site permet de montrer le rôle des effets de bord liés au talus et à la géomembrane. Les autres panneaux confirment ces résultats sauf sur la parcelle 2 où la géomembrane joue un rôle électrique déterminant. Par ailleurs, on a déjà pu prouver la capacité de l ARP à détecter les géodrains lors d une première prospection sur le CSD de Sainte Sévère en Charente datant de Juin 2009 (Genelle, 2010). 5. Conclusion Les mesures réalisées sur le site expérimental, où la position et les caractéristiques des anomalies sont connues, permettront de déterminer clairement le niveau de détection attendu par les différentes méthodes de résistivité électrique. Les premières mesures de tomographie de résistivité électrique avec un espacement entre électrodes de 0,5 m donnent de bons résultats concernant la détection de fissures de 10 cm de large et de géodrains de 8 mm d épaisseur en période sèche. L ensemble des méthodes géophysiques présentées ici sera mis en œuvre sur le site expérimental dans des conditions climatiques différentes et en mesurant l ensemble des paramètres tels que la pluviométrie, la température afin de préciser les conditions optimales de mesure pour chaque type d anomalies. A la différence de cet environnement «contrôlé», la prospection sur site réel comportera plus d inconnues. La comparaison entre parcelle expérimentale et mesures sur site devrait permettre d enrichir l interprétation et la mise en œuvre des méthodes géophysiques. Remerciements : Nous tenons à remercier l ADEME pour son soutien financier. Bavusi M., Rizzo E., Lapenna V. (2006) Electromagnetic methods to characterize the Savoia di Lucania waste dump (Southern Italy). Environmental Geology, Bolève A., Revil A., Janod F., Mattiuzzo J.L., Fry J.-J. (2009) Preferential fluid flow pathways in embankment dams imaged by self-potential tomography. Near Surface Geophysics, Dabas M. (2009). Theory and practice of the new fast electrical imaging system ARP. Seeing the Unseen, Geophysics and Landscape Archaeology, CRC Press, Forget B., Rollin A.L., Jacquelin T. (2005). Lessons learned from ten years of leak detection surveys on geomembrane. Proceedings of Sardinia. Genelle F., Méthodes croisées de recherche de fuites dans les couvertures de centres d enfouissement technique. Rapport n 1, Genelle F., Méthodes croisées de recherche de fuites dans les couvertures de centres d enfouissement technique. Rapport n 2, Guyonnet D, Gourry J-C., Bertrand L., Amraoui N. (2003) Heterogeneity detection in an experimental clay. Canadian Geotechnical Journal. Naudet V., Revil A., Rizzo E., Bottero JY., Bégassat P. (2004) Groundwater redox conditions and conductivity in a contaminant plume from geoelectrical investigations. Hydrology and Earth System Sciences. 8, Phaneuf R., Peggs I.D. (2001). Landfill construction quality : lessons learned from electrical resistivity testing of geomembrane liners. Geotechnical Fabrics Report. 19, Sirieix C., Defer D., Antczack E. (2005) Méthodes thermiques d évaluation non destructive. Méthodes d évaluation non destructive de l état d altération des ouvrages en béton, Edition Presses de l Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, Paris,