Les ouvrages de fermeture

Les ouvrages de fermeture comprennent les scellements, les bouchons des alvéoles HA et les remblais.

3.4.1 Fonctions de sûreté et options de conception des scellements

3.4.1.1 Les différents types de scellements et leurs contributions aux fonctions de sûreté

D’une manière générale les scellements contribuent à s’opposer à la circulation de l’eau dans le système de stockage. Ils sont classés en trois catégories :

•

scellements verticaux ;

•

scellements inclinés ;

•

scellements horizontaux (ou scellements de fond).

Les scellements verticaux et inclinés sont implantés dans les liaisons surface-fond qui traversent les formations sus-jacentes, dont certaines (les calcaires du Barrois et les horizons poreux de l’Oxfordien calcaire) sont significativement plus transmissives que le Callovo-Oxfordien. Des scellements situés au droit de l’unité Silto-Carbonatée (USC) et de l’unité de transition (UT) du Callovo-Oxfordien pour les puits, et au droit de l’USC pour les descenderies, contribuent à limiter les flux d’eau entre le système de stockage et les formations sus-jacentes. De plus des scellements de séparation des formations aquifères sont prévus au droit du Kimméridgien. Ceux-ci participent à mobiliser la capacité naturelle de dispersion et de dilution des formations encaissantes. Il est à noter que l’Andra n’attribue pas de fonction de sûreté après fermeture aux ouvrages d’étanchéité réalisés au droit du Barrois et au toit du Callovo-Oxfordien pour l’exploitation des liaisons surface-fond.

Les scellements horizontaux sont implantés dans l’unité argileuse (UA) du Callovo-Oxfordien, dans les galeries de liaison reliant les quartiers de stockage et les liaisons surface-fond. Ces scellements augmentent la « résistance hydraulique » des galeries. Au moins deux scellements sont placés sur chaque trajet entre un quartier et les liaisons surface-fond : cette disposition permet de répartir les pertes de charge hydraulique au sein des galeries. L’Andra retient de positionner l’un de ces scellements au plus près des quartiers de stockage⁷³. En cas de perte de la fonction hydraulique des

72 Les incertitudes sur ces évaluations sont en partie liées à celles sur les inventaires en organiques et leurs variabilités dans les différentes familles.

73 Au stade actuel, une distance maximale de 400 mètres est considérée entre ce scellement et l’alvéole le plus proche.

scellements verticaux ou inclinés, les scellements horizontaux limitent ainsi les flux d’eau et les flux de radionucléides en solution transportés le long des galeries jusqu’à la base des liaisons surface-fond.

Le besoin et le mode de scellement de l’entrée des alvéoles MA-VL ainsi que leur retour d’air sont également étudiés. A ce stade, le principe des scellements horizontaux peut être utilisé, et l’Andra examine aussi la possibilité d’un remblai de forte densité et de perméabilité spécifiée, éventuellement constitué d’un mélange d’argilite et d’argile gonflante.

La figure ci-après illustre les schémas de principes des trois typologies de scellements précités.

Figure 3.4-1 : Schémas de principe des scellements inclinés, verticaux, horizontaux

Le tableau ci-après précise la contribution des principaux types de scellement aux fonctions de sûreté après fermeture de Cigéo.

Tableau 3.4-1 : Contribution des différents types de scellements dans le Callovo-Oxfordien à la fonction « S’opposer aux circulations d’eau »

Sous-fonction de

sûreté Objectif Type de scellements

Limiter les flux

•

Pendant le transitoire de saturation du stockage :



limiter les flux d’eau

provenant des formations

sus-jacentes

•

Après saturation totale du

stockage (régime

3.4.1.2 Options de conception des scellements verticaux et inclinés dans le Callovo-Oxfordien Parmi l’ensemble des scellements, en regard de leur position en sortie du stockage, les scellements des ouvrages de liaison surface-fond jouent le rôle le plus important dans la sûreté passive après fermeture.

Cette option de sûreté suit les recommandations du guide de sûreté de l’ASN de 2008 (1) qui indique que « Les liaisons jour-fond et éventuellement certaines galeries et certains ouvrages de l’installation de stockage devront faire l’objet de scellements assurant une étanchéité de qualité spécifiée. Cette préoccupation doit être intégrée dès leur conception ».

L’Andra retient une conception des scellements verticaux et inclinés sur la base des meilleures techniques disponibles : à ce stade, leur composant principal est un noyau à base d’argile gonflante, occupant toute la section de la descenderie et du puits et placé en contact direct avec les argilites.

Cette conception s’appuie sur les caractéristiques mécaniques intrinsèques des argilites au droit de l’USC favorables (comme observé au Laboratoire souterrain, au niveau -445 m), à l’absence de zone fracturée connectée, donc in fine à l’absence d’EDZ, et à la bonne tenue du terrain qui nécessite peu de soutènement lors de l’excavation, ce qui devrait faciliter la dépose du revêtement avant la construction du noyau.

La formulation de l’argile constitutive du noyau (argile gonflante pure ou mélangée à des additifs comme du sable siliceux ou calcaire) vise à obtenir une perméabilité aussi petite que possible et raisonnable. A ce stade, le matériau et sa densité sèche de mise en place seront choisis de façon à

obtenir une pression de gonflement (pression effective) restant, au cours de son évolution, dans un domaine jusqu’à 4 MPa maximum⁷⁴.

De même, l’Andra retient un objectif de perméabilité à saturation en grand du noyau de l’ordre de 10^-11 m/s, sur la base des résultats des évaluations, études, recherches et essais réalisés notamment au Laboratoire souterrain.

Le noyau argileux doit être confiné mécaniquement afin de permettre sa mise en charge hydromécanique à volume constant et ainsi favoriser la reprise éventuelle des jeux de mise en place et une bonne interface hydraulique avec les argilites. A ce stade, le confinement est assuré par des massifs de béton, qui doivent résister mécaniquement aux sollicitations hydrauliques et gaz de part et d’autre du noyau qui pourraient survenir dans le temps, notamment lors du transitoire hydraulique-gaz du stockage. Leur longueur, que l’on considère à ce stade de l’ordre d’un diamètre de l’ouvrage à sceller, et leurs modalités d’ancrage éventuel dans la roche (USC pour les scellements de descenderies, USC et Oxfordien carbonaté pour les scellements de puits) seront dimensionnés à cette fin. L’emploi de formulations de béton de type « bas pH » (pH du béton sain [après prise] ≤ 11) est spécifié à la fois pour les massifs et pour les tronçons de revêtements qui pourraient rester en place (en particulier au droit des massifs). Ce type de formulation contribue à (i) une bonne mise en place garante de leur fonction mécanique (limitation du retrait par limitation de l’échauffement lié à la prise du béton,) (ii) une très lente évolution chimique et physique du béton sur le long terme et (iii) une limitation de l’effet chimique du béton sur le noyau argileux, favorable aux propriétés hydrauliques et hydromécaniques du noyau.

La longueur du noyau lui confère une marge de robustesse vis-à-vis notamment (i) d’une réduction des propriétés de perméabilité et de gonflement du noyau à l’interface avec les massifs d’appui en béton, qui pourrait être liée à une perturbation alcaline ou (ii) d’une diminution à long terme des propriétés mécaniques des massifs d’appui avec pour conséquence un léger déconfinement du noyau dans la zone proche de ces massifs. Dans les puits, on retient la plus grande longueur possible compte tenu de l’épaisseur de l’USC, permettant de tirer parti des propriétés mécaniques favorables des argilites de cette unité. Pour les descenderies, une longueur du noyau minimale de 100 mètres est considérée.

Les exigences et les performances retenues pour les scellements verticaux et inclinés de même que les options de conception associées sont retranscrites dans le tableau ci-dessous.

74 Plusieurs techniques sont envisageables pour mettre en place le matériau à base d’argile gonflante : blocs préfabriqués, damage d’argile en pellets (ou en mélange pellets et poudre), projection. La méthode de mise en place (qui peut coupler plusieurs des techniques de mise en forme de l’argile gonflante précitées) doit permettre de limiter les vides résiduels au niveau le plus faible possible, en particulier en clé de voûte pour les descenderies.

Tableau 3.4-2 : Exigences et performances attendues et options de conception pour les scellements verticaux et inclinés

Exigences / performances Dispositions de conception

Sous-composant concerné Pour garantir un gonflement et des

propriétés du noyau les plus homogènes possibles, les vides résiduels sont limités au niveau le plus faible possible.

Mise en place du noyau argileux sous forme de pellets et de poudre d’argile gonflante pure ou mélangée.

Une mise en place du noyau en argile gonflante avec des briques d’argile gonflante compactée constitue une alternative.

Noyau argileux De manière à limiter les

déformations des argilites à son contact et à favoriser la fermeture mécanique des fractures des argilites endommagées, on vise à obtenir une pression de gonflement du noyau d’au moins quelques méga-pascals.

Choix d'une densité de mise en place adaptée à la nature minéralogique de l'argile gonflante.

Longueur minimale du noyau égale à :

 Scellements inclinés : 100 m

 Scellements verticaux : 40 m Compte tenu du rôle de frein

hydraulique des scellements, on vise à atteindre une perméabilité à saturation du noyau et de son interface avec les autres matériaux de l’ordre de 10^-11 m/s.

Pour éviter que le revêtement ne constitue une voie de circulation préférentielle d’eau venant court-circuiter le noyau argileux, sa continuité doit être interrompue.

Dépose du revêtement sur le linéaire devant accueillir le noyau argileux. du noyau argileux doit être limitée au maximum.

Les portions de revêtement laissées en place seront de type

béton « bas pH » (jusqu’à une distance au moins égale à un diamètre de l’ouvrage de part et d’autre du noyau).

Dans l'USC, l’augmentation de perméabilité à l’eau de la zone d’argilites autour de l’ouvrage devra être inférieure ou égale à deux ordres de grandeur par rapport à celle des argilites saines.

Autant que possible, méthode de creusement des liaisons surface-fond ne créant pas de zone d’argilites fracturées connectées 3D (ZFC) en

paroi, comme dans l’UA. Argilites en paroi

Exigences / performances Dispositions de conception

Sous-composant

concerné

Le noyau en argile gonflante doit être confiné mécaniquement, afin de favoriser l’atteinte d’une

perméabilité en grand petite, et une bonne interface hydraulique avec les argilites.

Mise en place de massifs d’appui en béton de part et d’autre du noyau argileux et dont le dimensionnement (longueur, géométrie, ancrage éventuel) :

 Prend en compte la dégradation chimique du béton.

 Permet une stabilité et une durabilité aussi grandes que

possible. Massifs d'appui

La perturbation chimique issue du dispositif de confinement mécanique du noyau argileux doit être limitée au maximum.

Utilisation de formulation de béton de type bas pH.

3.4.1.3 Options de conception des scellements au droit du Kimméridgien

Des scellements au droit du Kimméridgien sont prévus sur le même principe que les scellements au niveau du Callovo-Oxfordien (voir supra).

Les scellements sont positionnés dans la partie supérieure du Kimméridgien.

En matière de fonctionnement à long terme, aucune spécificité de nature à rendre ce fonctionnement significativement différent de celui des scellements dans le Callovo-Oxfordien, n’est identifiée.

3.4.1.4 Options de conception des scellements horizontaux

Pour les scellements horizontaux, l’Andra étudie une conception avec pour composant principal un noyau à base d’argile. En comparaison du scellement incliné présenté ci-dessus, la présence d’une ZFC autour des galeries et les caractéristiques hydromécaniques des argilites de l’UA impliquent une approche particulière des scellements horizontaux à la fois en termes de performances et de conception.

Les données acquises sur le comportement hydraulique de la zone endommagée montrent l’existence d’un auto-colmatage lié au gonflement des minéraux inter-stratifiés illite/smectite des argilites, ce qui se traduit par la récupération progressive d’une faible perméabilité, d’au moins deux ordres de grandeur inférieure à celle initiale après excavation dans la ZFC et proche de celle des argilites saines dans la ZFD. L’Andra maintient néanmoins ouverte à ce stade la possibilité de prendre en compte ou non le phénomène d’auto-colmatage en étudiant deux options en parallèle :

•

en référence, le revêtement de la galerie est retiré totalement ou par portions au droit du noyau de manière à ce que celui-ci soit en contact direct avec les argilites sur une longueur cumulée d’au moins quelques mètres au moment de la mise en place (soit typiquement 4 zones de dépose de longueur métrique) ; les performances du scellement mobilisent ici la fermeture mécanique des fissures (favorisée le cas échéant par le développement d’une pression de gonflement du noyau, jusqu’à 4 mégapascals - voir infra) et l’auto-colmatage ;

•

en variante, des coupures hydrauliques radiales de l’EDZ sont réalisées en complément du noyau en argile : 3 à 5 coupures seraient ainsi placées à intervalles réguliers, consistant en des saignées d’épaisseur 30 cm réalisées à la scie⁷⁵, remplies par un matériau à base d’argile gonflante (mis en place sous forme de pièces compactées ou de pellets, à ce stade). Le revêtement n’est déposé qu’au droit des coupures hydrauliques.

La mise en place des scellements horizontaux dans les tronçons de galerie orientés parallèlement à la contrainte principale majeure est retenue, pour tenir compte d’un développement de la zone fracturée

75 La profondeur visée pour les saignées est de l’ordre de 0,8 fois le rayon excavé.

connectée sur les parements et de façon moindre en voûte favorisant notamment (i) la dépose du revêtement et (ii) la réalisation des coupures hydrauliques.

L’Andra a défini un objectif de performance pour les scellements horizontaux, exprimé en termes de perméabilité en grand inférieure à 10^-9 m/s. Cette perméabilité en grand intègre tous les composants, notamment l’interface noyau-argilites particulièrement dimensionnant (voir infra).

A l’image des scellements inclinés et verticaux, des massifs de béton de type « bas pH » peuvent être construits de part et d’autre pour confiner mécaniquement le noyau, en fonction de la pression de gonflement qui lui sera conférée. Plusieurs conceptions des massifs d’appui sont étudiées par l’Andra et leurs performances mécaniques évaluées, prenant en compte notamment le frottement du massif sur la paroi et/ou la réalisation de redan(s) s’ancrant dans les argilites de l’UA.

Les options de conception des scellements horizontaux pourront évoluer pour répondre au mieux à l’objectif de performance. Les exigences de conception associées à ce stade à ce type de scellement sont retranscrites dans le tableau ci-après.

Tableau 3.4-3 : Exigences et performances attendues et options de conception pour les scellements horizontaux

Exigences / performances Dispositions de conception

Sous-composant concerné Pour garantir des propriétés du

noyau les plus homogènes possibles, les vides résiduels sont limités au niveau le plus faible possible et raisonnable.

Mise en place du noyau argileux sous forme de pellets et de poudre d’argile (gonflante ou mélangée) ⁷⁶.

Noyau argileux La pression de gonflement du noyau

favorise une limitation des

- Longueur minimale du noyau égale à deux fois le diamètre excavé de l’ouvrage ou 20 m

Pour éviter que le revêtement ne constitue une voie de circulation préférentielle d’eau venant court-circuiter le noyau argileux, sa continuité doit être interrompue.

 Option de référence :

Dépose partielle du revêtement au droit du futur noyau argileux sur une longueur cumulée d’au moins 4 m. Les zones de dépose seront remplies avec un matériau similaire à celui du noyau argileux

 Variante :

Réalisation de 3 à 5 coupures hydrauliques radiales venant interrompre la continuité de la zone fracturée connectée (ZFC) et la continuité du revêtement laissé en place.

Composant situé anneaux porteurs au contact et à proximité du noyau argileux doit être limitée au maximum.

Les portions de revêtement laissées en place seront de type béton

« bas pH » (jusqu’à une distance au moins égale à un diamètre de l’ouvrage de part et d’autre du noyau).

Un noyau en argile gonflante doit être confiné mécaniquement, afin de permettre à la pression de

gonflement du noyau de s'établir pendant la resaturation et de s'y maintenir tout au long de son évolution.

Mise en place de massifs d’appui en béton de part et d’autre du noyau argileux et dont le dimensionnement (longueur, géométrie, ancrage éventuel) :

 Dépend de la pression de gonflement du noyau et des charges de fluides de part et d’autre.

 Prend en compte la dégradation chimique du béton.

 Permet une stabilité et une durabilité aussi grande que possible.

Massifs d'appui

La perturbation chimique du noyau argileux doit être limitée au

maximum. Utilisation de formulation de béton de type bas pH.

76 Une mise en place du noyau avec des briques d’argile compactée constitue une alternative.

3.4.2 Retour d’expérience sur les performances des scellements

L’évaluation de la performance de scellements à noyau à base d’argile fait intervenir les

« composants » suivants (voir la figure suivante) :

•

le noyau ;

•

le composant situé entre le noyau et les argilites en paroi, constitué le cas échéant des portions de revêtement laissées en place et du matériau argileux permettant de remplir les zones de dépose du revêtement ;

•

la zone d’argilites endommagées en paroi d’ouvrage ;

•

les massifs d’appui en béton bas pH (en fonction des besoins de confinement mécanique du noyau) ;

•

les coupures hydrauliques (dans l’option variante des scellements horizontaux) qui interrompent la continuité du revêtement et des argilites en paroi.

L’Andra a réalisé d’ores et déjà un grand nombre d’essais et de simulations en lien avec les scellements. Les configurations testées ne préjugent pas de la conception des scellements qui sera in fine mise en œuvre (typiquement à partir de 2070 pour de premiers scellements horizontaux et à l’horizon 2150 pour les scellements verticaux et inclinés). Elles apportent un retour d’expérience par composants, à la fois sur les techniques possibles de réalisation et sur les performances qui peuvent être obtenues.

Figure 3.4-2 : Les « composants » entrant dans la performance hydraulique des scellements

3.4.2.1 Les performances associées au noyau argileux Des techniques de mise en place du noyau argileux éprouvées

Sur la base du retour d’expérience de nombreux essais et maquettes réalisés à l’international et au Laboratoire souterrain, jusqu’à des échelles pluri-métriques, l’Andra a acquis une solide connaissance des matériaux argileux gonflants et des ouvrages à base de ces matériaux. Ce REX indique qu’une perméabilité inférieure à 10^-11 m/s peut être raisonnablement obtenue avec différents types d’argile gonflante (pure ou mélangée), suivant un large domaine de densité sèche à la mise en place, et suivant diverses méthodes de mise en forme et de mise en place du matériau argileux.

 Les ouvrages horizontaux

La faisabilité de la mise en place d’un noyau d’argile gonflante a d’ores et déjà été démontrée expérimentalement dès le début des années 2010 jusqu’à une échelle verticale de 5 à 6 mètres pour ce qui concerne les ouvrages horizontaux. Plus récemment (2014), on peut citer :

•

l’essai NSC (pour « Noyau de Scellement ») d’évaluation de la performance du noyau et de l’interface noyau/argilites au Laboratoire souterrain, à une échelle ½ de ce que serait un ouvrage de fermeture horizontal dans Cigéo. Cet essai démontre la faisabilité de la mise en place du noyau

en briques compactées, avec une gestion des interfaces au travers de l’utilisation de mélange de pellets et de poudre de bentonite ;

•

l’essai technologique « Full Scale Sealing » (FSS) de construction d’un scellement horizontal à pleine échelle, réalisé en surface, par une méthode industrielle et dans des conditions de température et d’hygrométrie représentatives des conditions du stockage. Cet essai a apporté notamment des enseignements significatifs sur (i) la formulation du matériau à base d’argile gonflante, (ii) la mise en place du noyau argileux à pleine échelle, avec par ailleurs des hors profils représentant des hétérogénéités de la paroi des argilites au droit des revêtement retirés liées par exemple à une purge d’une partie de la ZFC lors de leur retrait, et (iii) l’atteinte de densités sèches à la mise en place répondant aux spécifications de la perméabilité et de la pression de gonflement.

Figure 3.4-3 : Principe de conception de l’essai FSS

Les résultats obtenus dans FSS constituent d’ores et déjà des avancées majeures dans la démonstration industrielle de la mise en place d’un scellement à pleine échelle. Le retour d’expérience en termes de

Les résultats obtenus dans FSS constituent d’ores et déjà des avancées majeures dans la démonstration industrielle de la mise en place d’un scellement à pleine échelle. Le retour d’expérience en termes de

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