INTRODUCTION ET GENERALITES I. INTRODUCTION La décomposition du titre de cette matière laisse deviner qu il doit s agir de l étude du mouvement de l eau dans le sol : - Hydraulique : Etude des écoulements de fluides incompressibles newtoniens tels que l eau, mais du point de vue de l ingénieur. - Souterraine : Terme qui désigne dans le contexte actuel le sol sous ses différentes formes pourvu qu il présente, à travers les particules le constituant, une accessibilité au fluide en mouvement. L étude du mouvement des eaux souterraines est d une grande importance à chaque fois que le phénomène d infiltration est présent. Cette importance peut être illustrée sur plusieurs exemples. - Effets de l écoulement interstitiel sur l état de contrainte d une structure poreuse sujette à cet écoulement - Etude du régime d une nappe - Simulation de l intrusion de l eau de mer dans un aquifère dans le cas où on est à proximité de la mer - Etude de la pollution des nappes 1
II. PRESENCE DE L EAU DANS LE SOL II.1. Origine de l eau souterraine L alimentation d un bassin hydrologique est assurée par une partie des précipitations qui sont les précipitations efficaces obtenues en retranchant des premières les pertes par évapotranspiration. L alimentation ci-dessus se répartira en : - ruissellement, qui alimentera l écoulement de surface dans le réseau hydrographique - infiltration, qui alimentera la nappe souterraine La hauteur d infiltration (quantité d eau infiltrée à travers la surface du sol par unité de temps) ou le taux d infiltration (rapport de la hauteur d infiltration à la hauteur de précipitation efficace) sont influencés par plusieurs facteurs dont : - la géomorphologie du bassin : topographie et géométrie du réseau hydrographique, - la lithologie du sol, - la nature des aménagements de surface tels que barrages, rectification des cours d eau etc.. II.2. Aquifère et nappe souterraine On désigne généralement par aquifère un massif perméable suffisamment poreux pour permettre un écoulement significatif d eau interstitielle, et apte au captage d une quantité appréciable d eau provenant de l infiltration. Un aquifère peut être homogène quand il présente une perméabilité d interstice ou en petit (sable, gravier etc..) ou hétérogène quant la perméabilité est essentiellement due aux fissures. La zone saturée d eau interstitielle d un aquifère constitue la nappe ; cette dernière, généralement limitée vers le bas par un fond imperméable, peut être libre ou captive. Pour l instant, définissons ces deux types de nappes en fonction du contact direct ou non avec l atmosphère et en anticipant sur certains termes : - Une nappe libre voit sa surface piézométrique coïncider avec sa surface libre audessus de laquelle il existe une zone non saturée (figure 1.) - Une nappe captive ou confinée est surmontée par une formation peu perméable ou imperméable qui fait que l eau interstitielle se trouve soumise à une pression supérieure à la pression atmosphérique ; quand on opère un forage vertical dans l aquifère contenant ce type de nappe, et à travers le toit imperméable, l eau remonte au-dessus de ce toit ou peut parfois jaillir (figures 2 et 3.) 2
Source Perméable Source gravitaire Figure 1. Source Source artésienne Figure 2. Niveau piézométrique Puits artésien jaillissant Figure 3. 3
En d autres termes, les nappes qui ne remplissent pas tous les interstices de l aquifère ne sont pas sous pression ; ce sont des nappes phréatiques. Les nappes sous pression, remplissent tout l espace intergranulaire et l eau y est sous une pression plus grande en général que la pression ambiante. Les eaux souterraines dans des terrains rocheux fissurés se distinguent des précédentes par la nature de la perméabilité de la roche qui les retient. Les terrains à fissures petites et assez régulièrement distribuées (diaclases) et les terrains dont les fissures sont larges et irrégulières se distinguent les uns des autres quand on veut étudier l écoulement de leurs eaux. Dans ces derniers, ce sont des cours d eau souterrains qui se forment et non des nappes telles qu elles sont décrites ci-dessus. Les nappes souterraines sont généralement alimentées à partir de la surface du sol, leur régime suivra donc, avec un certain retard, l évolution des écoulements de surface. La variation de ces régimes s observe dans la fluctuation du débit des sources et des puits. La suite de ce cours intéressera surtout les eaux souterraine dans des terrains à perméabilité d interstice ou perméables en petit. II.3. Etats de l eau dans le sol L eau interstitielle est présente dans un sol sous deux formes essentielles, gravitaire et en rétention. L eau gravitaire est libre à circuler dans les interstices. Elle peut être égouttée, d où son appellation parfois d eau égouttable. Les interstices relatifs à cette eau sont en réalité les espaces intergranulaires diminués du volumes occupé par l eau non gravitaire ou de rétention. L eau de rétention est celle qui est maintenue dans les vides par des forces moléculaires nettement supérieures à la gravité au voisinage des surfaces des grains solides (ces forces moléculaires peuvent atteindre des dizaines de milliers de fois la force de gravité.) Cette eau ne peut être mobilisée par gravité et du point de vue écoulement, elle contribue par une réduction de l espace correspondant à l eau libre ou en mouvement. L eau de rétention se compose, par ordre d éloignement de la surface d un grain solide et par ordre de force de liaison, de l eau adsorbée et de l eau pelliculaire. L eau adsorbée constitue un film autour du grain (d une épaisseur de l ordre du dixième de micron) et sa quantité augmente inversement à la taille des grains. L eau pelliculaire est moins fortement liée et présente une couche d une épaisseur de l ordre du micron. Dans une nappe phréatique (présentant une surface libre) on rencontre à partir de la surface du sol, et sous une zone d évapotranspiration, une zone de transition par où la nappe est alimentée, en suite une zone de capillarité où la pression est en fait inférieure à la pression atmosphérique (voir plus loin) et enfin, l eau libre saturant l aquifère, dont le niveau est celui donné par un puits piézométrique, et à la surface supérieure de laquelle la pression est égale à la pression atmosphérique. 4
Supposons que l on procède à une coupe dans l aquifère, depuis la surface du sol jusqu à la nappe phréatique dont le niveau correspond à celui auquel l eau remonterait dans un puits piézométrique. On rencontre d abord une zone non saturée contenant de l eau sous les deux formes citées ci-dessus, et de l air, la partie gravitaire de l eau transitera vers la nappe en cas d alimentation de celle-ci. Sous cette zone non saturée on trouve la zone saturée. Cette zone contient de l eau de rétention et de l eau gravitaire, mais sa partie supérieure (au-dessus de la surface libre dans le puits piézométrique) est remplie d eau soumise aux forces capillaires (c est l eau capillaire.) Dans cette zone capillaire se situant immédiatement au-dessus de la surface piézométrique, l eau capillaire peut être continue ou isolée. Piézométre Surface de la nappe Frange capillaire Surface piézométrique Teneur en eau Figure 4. La frange capillaire désigne en pratique l épaisseur de la zone occupée par l eau capillaire continue. Le rôle de cette frange, comme il sera vu ultérieurement, est de retarder l évolution de la surface libre lorsque l écoulement est non stationnaire. Notons cependant que l espace offert à l eau libre au voisinage de la surface libre est réduit du fait de la présence de l air dans la frange capillaire. Une étude plus exhaustive de ce phénomène part généralement de la théorie des écoulement de fluides non miscibles dans un milieu poreux, en adoptant les équations décrivant cette classe d écoulement à l eau et l air. Ceci sort du cadre du présent cours et on se contentera pour le moment d en admettre les résultats le cas échéant. 5
III. ACTIONS DE L EAU SOUTERRAINE Les actions de l eau souterraines peuvent être d ordre chimique ou d ordre mécanique. L aspect chimique est évident si on note que la percolation s opère dans un milieu constitué de grains de matériaux qui peuvent interagir chimiquement en présence de l eau. En ce qui concerne cet aspect, signalons seulement que cela se répercute sur la nappe de deux manières : - changement de la nature de l eau souterraine (sels minéraux etc..) - changement dans la porosité du milieu poreux véhiculant cette eau par dissolution du matériau constituant les grains solides. L aspect mécanique est beaucoup plus important et plus immédiat du fait de la présence du champ de pression interstitielle due à la présence de l eau en mouvement dans les interstices du sol. Une mauvaise estimation des caractères du champ des pressions interstitielles ou une modification inconsidérée du parcours des eaux souterraines peut avoir des conséquences graves sur l environnement (tassements excessifs, glissements de terrains, rupture des digues de retenue ou barrages etc..) Il faut enfin signaler le caractère sournois des écoulements souterrains ; l effet renard en est un exemple éloquent. 6