Quantification expérimentale des débits de fuite dans les dispositifs d’étanchéité

Différents travaux de laboratoire ont été menés pour quantifier expérimentalement les débits de fuite à travers un défaut unique de la géomembrane d’un dispositif d’étanchéité. Ces expérimentations ne rendent pas véritablement compte de la complexité liée aux conditions réelles d’un fond d’ISD mais présentent l’avantage d’avoir permis l’identification des facteurs influant sur le débit de fuite. Ces différents travaux sont présentés dans la suite.

2.1 Travaux de Fukuoka

Fukuoka (1985) a étudié le niveau de fuite probable d’un bassin de stockage d’eau étanché par dispositif d’étanchéité composite, dont la charge hydraulique variait de 13 à 40 m d’eau. Pour cela, il a utilisé un perméamètre de 1,5 m de diamètre dans lequel il a placé 0,45 m de sol de conductivité hydraulique de 10-6 m.s-1, puis une géomembrane PVC d’1 mm d’épaisseur. La géomembrane possédait soit un trou circulaire de diamètre 2×10-3_{, 10}-2_{, 5×10}-2 ou 10-1 _{m soit une fente longitudinale de 2×10}-2 _{ou 10}-1 _{m de longueur. Certains essais étaient}

Chapitre II - Travaux antérieurs sur la quantification des transferts dans les étanchéités composites réalisés avec un géotextile de 450 g.m-2 placé à l’interface. Le système d’étanchéité était ensuite soumis à une pression d’eau de 200 ou 400 kPa, pendant une durée de 24 heures, et le débit de fuite était collecté par une couche drainante placée à la base du système.

Différentes conclusions ont été tirées de cette étude. La première concerne l’établissement du mécanisme de fuite et est particulièrement importante puisqu’elle a mis en évidence le rôle que joue l’interface dans le processus de fuite : le liquide qui traverse le défaut de la géomembrane s’écoule latéralement dans l’interface tout en s’infiltrant dans le sol, en délimitant une surface humide tantôt inférieure à la surface du sol, tantôt atteignant les parois du perméamètre duquel le liquide ne pouvait s’échapper.

Dans le cas où le géotextile était intercalé entre le sol et la géomembrane, Fukuoka (1985) a constaté une baisse significative du débit de fuite, imputable selon lui à la réduction de la conductivité hydraulique liée à la diminution de l’épaisseur du géotextile sous l’effet de la contrainte appliquée par l’eau sous pression au dispositif d’étanchéité.

L'auteur a également déduit des mesures effectuées que la rugosité du sol semble avoir une influence sur le débit de fuite. En incluant ou non des graviers à la surface du sol compacté, Fukuoka (1985) a observé qu’avec un géotextile placé à l’interface, le débit de fuite observé était plus important dans le cas du sol possédant la rugosité la plus forte.

2.2 Travaux de Brown et al.

Brown et al. (1987) ont analysé le mécanisme d’écoulement dans les dispositifs d’étanchéité composites en tentant de déterminer l’influence de différents paramètres : le type de géomembrane, son épaisseur, la dimension et la forme du défaut, les caractéristiques du sol constitutif de la barrière minérale, la présence d’un géotextile à l’interface, la charge hydraulique appliquée et enfin les caractéristiques du fluide. Un perméamètre cylindrique de 0,6 m de diamètre contenant 0,25 m de sol compacté a été utilisé. Une couche de 0,15 m de granulats recouvrait la géomembrane.

Quatre types de géomembranes ont été testés: PVC-P, PEHD, EPDM et polyéthylène chlorosulfoné. Le diamètre du défaut circulaire était de 0,8×10-3_{, 1,6×10}-3_{, 6,4×10}-3 _{ou 12,7} ×10-3 _{m, la longueur des fentes longitudinales de 5×10}-2 _{et 15×10}-2 _{m. Les géotextiles utilisés} étaient non-tissés aiguilletés de masse surfacique 270 g.m-2 et les charges hydrauliques appliquées généralement inférieures au mètre.

Le mécanisme de fuite observé a confirmé le scénario décrit par Fukuoka (1985), auquel Brown et al. (1987) ont ajouté que l’épaisseur de l’interface dépendait du niveau de contraintes exercé sur l’étanchéité composite, de la rigidité de la géomembrane et de la granulométrie du sol. L’application de la contrainte mécanique de 160 kPa a conduit à réduire le débit de fuite d’un facteur 100 par rapport au cas sans contrainte, pour la même charge hydraulique. Ceci a été expliqué par la réduction de capacité d’écoulement du liquide à l’interface sous l’effet de la réduction d’épaisseur de celle-ci. La présence d’un géotextile à l’interface n’a pas semblé avoir d’influence significative sur le débit de fuite.

Comme pour Fukuoka, l’augmentation de la charge hydraulique induit une augmentation du débit de fuite sans qu’une relation plus précise n’ai pu être établie en raison des effets de bord limitant l’extension de la zone humide dans certains cas expérimentaux.

Chapitre II - Travaux antérieurs sur la quantification des transferts dans les étanchéités composites

2.3 Travaux de Touze-Foltz

Touze-Foltz (2002a) a réalisé des travaux de quantification expérimentale des débits de fuite dans les interfaces des étanchéités composite en utilisant une cellule de mesure spécialement conçue, de 0,2 m de diamètre. L’objectif de l’étude était de déterminer l’influence de la charge hydraulique et de la topographie de la surface du sol sur la transmissivité de l’interface (nous reviendrons sur cette notion de transmissivité plus loin).

Dans la partie basale de la cellule, 6 cm de sol ont été compactés. Trois sols différents ont été testés, de conductivité hydraulique inférieure à 10-7 m.s-1. Au-dessus était placée une géomembrane, soit constituée de PEHD 2 mm soit constituée de PP-F de 1,5 mm d’épaisseur, possédant un trou circulaire de 3×10-3 _{m de diamètre en son centre. Une couche de granulats} contenue dans la partie supérieure de la cellule était placée sur la géomembrane, simulant la présence d’une couche drainante et une contrainte mécanique était appliquée à l’ensemble du système (3 ou 10 kPa).

Dans certains essais, un géotextile non-tissé aiguilleté de 300 g.m-2 était placé à l’interface pour analyser son influence sur le débit de fuite.

La charge hydraulique constante appliquée variait suivant les essais de 0,18 m à 0,42 m et chaque essai était réalisé sur une durée de 2 semaines.

Les résultats tirés de cette étude montrent que l’augmentation de la charge hydraulique produit une augmentation des débits collectés à l’interface et que la surface d'infiltration est supérieure à la seule surface du défaut, comme dans les études citées précédemment. La topographie de la surface du sol a montré avoir une influence non négligeable sur les écoulements et la présence d’un géotextile a provoqué une augmentation du débit de fuite d’un facteur 10000 par rapport au même cas sans géotextile, sous une contrainte de 10 kPa et une charge hydraulique de 0,18 m.

Dans une étude antérieure, Touze-Foltz (2001) a également réalisé une étude à plus grande échelle sur des planches d’essai afin (1) de s’affranchir des effets de bords qui ont pu exister dans les essais laboratoire de dimension limitée (2) de disposer de conditions plus proches des conditions de terrain par la réalisation du compactage de la barrière minérale au moyen d’engins habituellement utilisés pour effectuer les travaux en fond d’ISD, et par la pose des géosynthétiques et du matériau granulaire dans les conditions réelles de chantier.

Cinq planches d’essais avaient été réalisées, de surfaces comprises entre 34 et 56 m2_, parmi lesquelles 4 possédaient une géomembrane en PEHD et 1 une géomembrane en PP-F. Sur l’une des 4 planches, un géotextile non-tissé aiguilleté de 300 g.m-2 a été placé à l’interface afin d’étudier son impact hydraulique.

Toutes les géomembranes possédaient initialement un défaut de 2 mm de diamètre en leur centre, lequel était raccordé à un vase de Mariotte permettant l’application d’une charge hydraulique constante de 0,3 m tout en mesurant le débit de fuite. Le fluide injecté était de l’eau teintée par un colorant non réactif vis-à-vis de l’argile, le bleu de Coomassie, qui permettait de mieux visualiser les écoulements dans l’étanchéité composite. Les systèmes d’étanchéité composite étaient recouverts d’une couche de 0,5 m de gravier appliquant une contrainte mécanique de 8 kPa.

Chapitre II - Travaux antérieurs sur la quantification des transferts dans les étanchéités composites Les résultats obtenus ont été difficiles à interpréter, en raisons de difficultés expérimentales survenues lors des essais, l’appareillage hydraulique s’étant révélé limitant dans certains cas. Néanmoins, les résultats confirment une fois de plus qu’un écoulement d’interface intervient bien en même temps que se fait l’infiltration du fluide dans le sol, sur une surface bien plus étendue que la seule surface du défaut. L’augmentation de la charge hydraulique sur l’une des planches a conduit à une augmentation importante du débit de fuite et semble avoir produit une augmentation de la surface d'infiltration, d’après les observations réalisées lors du démontage de la planche d’essais. En revanche, le rôle limitant ou accroissant du géotextile sur le débit de fuite n’a pas pu être établi par manque de données expérimentales pouvant être comparées.

Une observation commune à toute les planches d’essais réalisées constitue en elle- même un résultat majeur: malgré la très grande attention portée à la mise en œuvre des matériaux et la volonté de réaliser une étanchéité composite avec l’état de sol compacté le plus régulier et la géomembrane la plus plane possible (travaux réalisés par des personnes sensibilisées à la notion de qualité du contact sol-géomembrane et désirant obtenir le meilleur contact possible), un contact parfait n’a pas pu être obtenu et la surface d'infiltration d'un colorant bleu a indiqué sans équivoque possible un écoulement d’interface.