Adaptation des infrastructures de transport du MTQ
au Nunavik :
bilan de la performance et validation de la
méthode de conception thermique
Mémoire
Maria Fernanda Baron Hernandez
Maîtrise en génie civil - avec mémoire
Maître ès sciences (M. Sc.)
Québec, Canada
Adaptation des infrastructures de transport du MTQ au
Nunavik : Bilan de la performance et validation de la
méthode de conception thermique.
Mémoire
María Fernanda Barón Hernández
Sous la direction de :
Guy Doré, directeur de recherche Michel Allard, codirecteur de recherche
iii
RÉSUMÉ
Depuis plusieurs années, les changements climatiques ont une grande influence sur la dégradation du pergélisol, laquelle impacte directement la stabilité des infrastructures. Le Nunavik est la partie nord de la province de Québec où il n'y a pas de routes ou de voies ferrées reliant les villages. Le transport aérien et maritime est donc essentiel pour assurer la communication entre les villages et le reste de la province. La construction de remblais de transport affecte inévitablement le régime thermique du sol et peut entraîner une dégradation thermique du pergélisol sous-jacent, ce qui entraîne une perte importante des capacités structurelles et fonctionnelles de l'infrastructure. Pour réduire les impacts du dégel du pergélisol sur les infrastructures de transport, plusieurs techniques de protection ont été développées. Ces différentes techniques sont basées sur la réduction de l’apport de chaleur sous l’infrastructure et sur l’augmentation de l’extraction de chaleur du remblai. Ce document présente l’’analyse des résultats d'un suivi à long terme de trois sites adaptés en utilisant des données climatologiques et des données sur la température du sol présentées graphiquement avec des analyses détaillées et la validation de la stabilité thermique avec des abaques de conception. À Tasiujaq les trois méthodes de mitigation qui ont été installées dans la pente du remblai de la piste d’atterrissage sont le remblai à pente douce, le remblai à convection d'air et le drain thermique, et les résultats de l’analyse démontrent comment la pente douce a la meilleure performance, dans les conditions de climat à Tasiujaq. À la piste d'atterrissage de Puvirnituq, le projet étudie un remblai à convection d'air, et conclue que la hauteur actuelle du remblai permet de garantir la stabilité thermique en laissant une marge de sécurité pour les futurs changements climatiques. Sur la route menant à l’aéroport de Salluit, la méthode de mitigation du pergélisol à l'étude est un drain thermique selon les analyses effectuées, la stabilisation thermique n'était pas nécessaire, mais elle a été bénéfique en offrant une grande marge de sécurité à cette importante infrastructure.
iv
ABSTRACT
For several years now, climate change has had a major influence on the degradation of permafrost, which has a direct impact on infrastructure stability. Nunavik is the northern part of the province of Quebec where there are no roads or railways connecting the villages. Air and marine transportation are therefore essential to ensure communication between the villages and the rest of the province. The construction of transportation embankments inevitably affects the thermal regime of the ground and can lead to thermal degradation of the underlying permafrost, resulting in a significant loss of structural and functional capacity of the infrastructure. To reduce the impacts of permafrost thawing on transportation infrastructure, several protection techniques have been developed. These different techniques are based on reducing the heat input under the infrastructure and increasing the heat extraction from the embankment. The analysis of the results of a long-term monitoring of three test sites is presented in this document. In Tasiujaq, the three mitigation methods that have been installed in the slope of the airstrip embankment are a gentle slope embankment, an air convection embankment and a heat drain, and the results of the analysis demonstrate how the gentle slope performs best under Tasiujaq's climate conditions. At the Puvirnituq airstrip, the project is studying an air convection embankment, finding that the current height of the embankment provides thermal stability by leaving a one-metre safety margin for future climate change. On the road to the Salluit airport, the permafrost mitigation method under study is a heat drain, which, according to the analyses performed, was not necessary in terms of heat balance, but was beneficial in generating a large safety margin for this important infrastructure.
v
TABLE DES MATIÈRES
RÉSUMÉ ... iii
ABSTRACT ... iv
TABLE DES MATIÈRES ... v
LISTE DES FIGURES ... ix
LISTE DES TABLEAUX ... xiii
REMERCIEMENTS ... xv
INTRODUCTION ... 1
Mise en contexte ... 1
Objectifs du projet de recherche ... 3
Organisation de la mémoire ... 3
Chapitre 1. État des connaissances ... 5
1.1. Pergélisol ... 5
1.1.1. Concepts et définitions ... 5
1.1.2. Distribution du pergélisol au Canada ... 6
1.1.3. Distribution du pergélisol au Québec ... 8
1.1.4. Infrastructures de transport du Nunavik ... 8
1.2. Facteurs affectant le pergélisol ... 9
1.2.1. Température de l’air ... 9
1.2.2. Couvert de neige ... 10
1.2.3. Couvert végétal ... 10
1.2.4. Construction de remblai sur pergélisol ... 11
1.3. Réponse du pergélisol face à une perturbation ... 12
1.4. Propriétés thermiques et principaux modes de transfert de chaleur ... 13
vi
1.4.2. Principaux modes de transfert de chaleur ... 14
1.4.2.1. Conduction ... 14
1.4.2.2. Convection ... 15
1.4.2.3. Radiation ... 15
1.5. Conception de remblai ... 16
1.5.1. Méthodes de réduction de l’induction de chaleur sous l’infrastructure ... 16
1.5.1.1. Épaississement du remblai ... 16
1.5.1.2. Isolation thermique ... 17
1.5.1.3. Surfaces à albédo élevé ... 18
1.5.1.4. Pare-soleil/pare-neige ... 19
1.5.2. Méthodes augmentant l’extraction de chaleur ... 20
1.5.2.1. Conduits de ventilation ... 20
1.5.2.2. Thermosiphons ... 22
1.5.2.3. Drain thermique ... 24
1.5.2.4. Pente douce ... 26
1.5.2.5. Remblai à convection d’air (ACE) ... 27
Chapitre 2. Mise en contexte des sites d’étude ... 29
2.1. Tasiujaq ... 29
2.1.1. Localisation et description ... 29
2.1.2. Techniques d’adaptation expérimentales, instrumentation mise en place et données utilisées pour l’analyse ... 29
2.2. Puvirnituq ... 31
2.2.1. Localisation et description ... 31
2.2.2. Techniques d’adaptation expérimentales, instrumentation mise en place et données utilisées pour l’analyse. ... 32
vii
2.3.1. Localisation et description ... 33
2.3.2. Techniques d’adaptation expérimentales, instrumentation mise en place et données utilisées pour l’analyse ... 33
Chapitre 3. Données climatiques ... 35
3.1. Tasiujaq ... 35
3.2. Puvirnituq ... 37
3.3. Salluit ... 39
Chapitre 4. Performance des adaptations et analyse de stabilisation thermique ... 42
4.1. Tasiujaq ... 43
4.1.1. Évolution des températures du sol: maximales, minimales et moyennes ... 43
Section de référence ... 43
Section pente douce ... 46
Section remblai à convection d’air ... 48
Section drain thermique ... 50
4.1.2. Profil des températures du sol ... 52
4.1.3. Évolution de la couche active ... 53
4.1.4. Stabilisation thermique ... 55
4.1.4.1. Évolution des températures à l’interface remblai/sol naturel par rapport à la température du pergélisol ... 56
4.1.4.2. Analyse de stabilisation thermique avec les abaques de conception ... 59
Étape 1. Calcul du bilan thermique ... 60
Étape 2. Correction du bilan thermique par rapport à la hauteur du remblai et au gradient thermique ... 64
4.1.5. Sommaire - Tasiujaq ... 72
4.2. Puvirnituq ... 73
viii
Câble F2 - côté est (aval), en pied de remblai, sous la berme ... 73
Câble F5 - côté ouest (amont), en pied de remblai ... 75
4.2.2. Profil des températures du sol ... 77
4.2.3. Évolution de la couche active ... 78
4.2.4. Stabilisation thermique ... 79
4.2.4.1. Évolution des températures à l’interface remblai/sol naturel par rapport à la température du pergélisol ... 80
4.2.4.2. Analyse de stabilisation thermique avec les abaques de conception ... 80
Étape 1. Calcul du bilan thermique ... 81
4.2.5. Sommaire – Puvirnituq ... 84
4.3. Salluit ... 85
4.3.1. Évolution des températures du sol : maximales, minimales et moyennes ... 85
Câble A6 ... 85
Câble B6 ... 87
4.3.2. Profil des températures du sol ... 88
4.3.3. Évolution de la couche active ... 90
4.3.4. Stabilisation thermique ... 91
4.3.4.1. Évolution des températures à l’interface remblai/sol naturel par rapport la température du pergélisol ... 91
4.3.4.2. Analyse de stabilisation thermique avec les abaques de conception ... 94
Étape 1. Calcul du bilan thermique ... 94
4.3.5. Sommaire - Salluit ... 98
DISCUSSION ... 99
RECOMMANDATIONS ... 103
CONCLUSIONS ... 105
ix
LISTE DES FIGURES
Figure 1. Localisation des quatorze communautés inuites dans la région du Nunavik. ... 1
Figure 2. Courbe trompette typique d'un pergélisol (Robitaille et Allard, 1996) ... 5
Figure 3. Carte de la distribution du pergélisol au Canada (Natural Resources Canada, 1995) ... 6
Figure 4 . Légende de la carte de la distribution du pergélisol au Canada (Natural Resources Canada, 1995) ... 7
Figure 5. Distribution longitudinale du pergélisol (Johnston, 1981) ... 7
Figure 6. Distribution du pergélisol au Québec nordique (Allard et Lemay, 2012) ... 8
Figure 7. Influence de la végétation sur la profondeur de dégel (Linell, 1973) ... 11
Figure 8. Modification du régime thermique dans le sol d'infrastructure lors de la construction d'un remblai routier (Doré, 2011) ... 12
Figure 9. Comportement du pergélisol riche en glace lors d'une modification des conditions de surface (Modifiée de (Mackay, 1970)) ... 13
Figure 10. Illustration du mécanisme de transfert de chaleur par conduction. ... 14
Figure 11. Différents types de convection: a) Convection forcée; b) Convection naturelle en cellule fermée; c) Convection naturelle ouverte (Doré, 2011) ... 15
Figure 12. Schématisation de la chaleur absorbée par radiation durant la journée ainsi que la chaleur émise par radiation durant la nuit (Doré, 2011) ... 16
Figure 13. Installation d'une couche isolante (Beaulac et Doré, 2006) ... 18
Figure 14. A) Application de peinture blanche sur une section d'essai en Alaska (Photo: Laboratoire de recherche et d'ingénierie de la région froide, CRREL); B) Image de la même section d'essai 30 ans plus tard (Photo: Guy Doré) tel que cité par (M-Lepage, 2016). ... 19
Figure 15. A) Pare soleil/neige à Bonanza Creek, en Alaska (Zarling et Braley, 1986); B) Pare soleil/neige, route Qinghai-Tibet, plateau tibétain (Yu et al., 2008) tel que cité par (M-Lepage, 2016) ... 20
Figure 16. A) Coupe transversale du remblai de la chaussée montrant le système de conduits avec cheminées (Braley et al., 1991); B) Système de conduits d'air avec des cheminées le long de la route de l'Alaska (Doré et Zubeck, 2009) tel que cité par (M-Lepage, 2016) ... 21
Figure 17. Système de ventilation à conduits ouverts testé sur le site d'essai de Beiluhe sur le plateau Qinghai-Tibet (Fujun et al., 2006) ... 22
Figure 18. Fonctionnement d'un thermosiphon ... 23
Figure 19. Hairpin thermosiphon Thompson Drive Fairbanks, Alaska (Photo: courtoisie de Doug Goering, UAF à enterprise Arctic Foundations, Inc.) ... 24
Figure 20. Drain thermique (Périer et al., 2016) ... 25
Figure 21. Schéma du fonctionnement du drain thermique ... 25
Figure 22. (a) Accumulation de neige sur une pente conventionnelle de remblai 1V :2H vs (b) une pente douce 1V :6H ... 26
Figure 23. Principes du remblai à convection d’air (ACE) ... 27
Figure 24. Schéma du site d'essai de la piste d'atterrissage de Tasiujaq (Ficheur, 2011) ... 30
Figure 25. Disposition des thermistances dans les sections de référence et de la pente douce à la piste d'atterrissage de Tasiujaq (Ficheur, 2011). ... 30
Figure 26. Disposition des thermistances dans les sections remblai à convection et drain thermique à la piste d'atterrissage de Tasiujaq (Ficheur, 2011). ... 31
Figure 27. Position de l’instrumentation installée à Puvirnituq. Modifiée de (Gravel Gaumond, 2014) ... 32
x
Figure 28. Positionnement des câbles à thermistances verticaux - Station A (1+620) (Périer et al.,
2016). ... 34
Figure 29. Positionnement des câbles à thermistances verticaux - Station B (1+720) (Périer et al., 2016). ... 34
Figure 30. Indice de gel et de dégel en fonction des années à Tasiujaq ... 36
Figure 31. Températures moyennes mensuelles de l’air des dix années de suivi à Tasiujaq ... 37
Figure 32. Indice de gel et de dégel en fonction des années à Puvirnituq ... 38
Figure 33. Températures moyennes mensuelles de l’air des neuf années de suivi à Puvirnituq ... 39
Figure 34. Indice de gel et de dégel en fonction des années à Salluit. ... 40
Figure 35. Températures moyennes mensuelles de l’air des quatre années de suivi à Salluit ... 41
Figure 36. Températures maximales, minimales et moyennes sous l’interface remblai/sol naturel pour la section de référence. ... 45
Figure 37. Températures maximales, minimales et moyennes à 5 m pour la section de référence ... 45
Figure 38. Températures maximales, minimales et moyennes sous l’interface remblai/sol naturel pour la section pente douce ... 47
Figure 39. Températures maximales, minimales et moyennes à 4,1 m pour la section pente douce 47 Figure 40. Températures maximales, minimales et moyennes sous l’interface remblai/sol naturel pour la section ACE ... 49
Figure 41. Températures maximales, minimales et moyennes à 5,10 m pour la section ACE ... 49
Figure 42. Températures maximales, minimales et moyennes sous l’interface remblai/sol naturel pour la section drain thermique ... 51
Figure 43. Températures maximales, minimales et moyennes à 5,20 m pour la section drain thermique ... 51
Figure 44. Profils de température de la section de (r) référence et de la (a) pente douce au cours des années de suivi 2008 et 2017. Profils de température de la section (b) ACE et (c) drain thermique au cours des années de suivi 2008 et 2014. ... 53
Figure 45. Évolution de la profondeur de la couche active en fonction du temps pour les trois sections adaptées: (a) pente douce, (b) ACE (seulement un an de données disponibles suite à l'aggradation du pergélisol au-dessus de la thermistance la plus profonde) et (c) drain thermique). ... 55
Figure 46. Évolution des températures à l’interface remblai/sol naturel par rapport la température du pergélisol pour la section (r) Référence, (a) Pente douce, (b) ACE et (c) Drain thermique. ... 57
Figure 47. Différence entre la température à l’interface remblai/sol naturel et la température du pergélisol (ΔT) en fonction du temps de suivi. Sections (r) Référence, (a) Pente douce, (b) ACE et (c) Drain thermique. ... 58
Figure 48. Diagramme de conception pour la sélection de la pente du remblai pour la stabilisation thermique sous le centre de la pente à l'aide de la méthode ITC (Kong et Doré, 2019) ... 60
Figure 49. Bilan thermique à l'interface remblai/sol naturel en fonction de l'épaisseur du remblai (H) et du gradient thermique (Kong et al., 2019a). ... 61
Figure 50. Résultats interpolation du bilan thermique à l'interface remblai/sol naturel en fonction de l'épaisseur du remblai H=3,84 m et du gradient thermique (Modifiée de (Kong et al., 2019a)) ... 62
Figure 51. Résultats interpolation du bilan thermique à l'interface remblai/sol naturel en fonction de l'épaisseur du remblai H=3,84 m, H=5,16 m, H=4,26 m et du gradient thermique (Modifiée de (Kong et al., 2019a)) ... 65
Figure 52. Correction de la hauteur du remblai de la section ACE ... 66
xi
Figure 54. Capacité d'extraction de chaleur de l'épaulement ACE à travers l'interface remblai/sol naturel en fonction de l'épaisseur du remblai et la différence de température (ΔT) entre MAWAT et la température du pergélisol (Kong et al., 2019a) ... 68 Figure 55. Extrapolation courbe ΔT=-14,03 ºC de la figure capacité d'extraction de chaleur de l'épaulement ACE à travers l'interface remblai/sol naturel en fonction de l'épaisseur du remblai et la différence de température ΔT (Modifié de (Kong et al., 2019a)) ... 69 Figure 56. Capacité d'extraction de chaleur du drain thermique à l'interface remblai/sol naturel en fonction de l'épaisseur du remblai, de la longueur du drain thermique (L) et de la différence de température (ΔT) entre MAWAT et la température du pergélisol (Kong et al., 2019b). ... 71 Figure 57. Capacité d'extraction de chaleur du drain thermique à l'interface remblai/sol naturel en fonction de l'épaisseur du remblai, de la longueur du drain thermique (L=9 m ) et de la différence de température ΔT= -14,3°C, ΔT= -14,03°C, ΔT= -13,3°C (Modifiée de (Kong et al., 2019b)). ... 72 Figure 58. Températures maximales, minimales et moyennes à l’interface remblai/berme pour le câble F2. ... 74 Figure 59. Températures maximales, minimales et moyennes à 15 m pour le câble F2. ... 75 Figure 60. Températures maximales, minimales et moyennes à l’interface remblai/berme pour le câble F5. ... 76 Figure 61. Températures maximales, minimales et moyennes à 6,5 m pour le câble F5. ... 76 Figure 62. Profils de température des câbles (a) F2 au cours des années de suivi 2010 et 2017 et (b) F5 au cours des années de suivi 2010 et 2015. ... 78 Figure 63. Évolution de la profondeur de la couche active en fonction du temps pour le câble (a) F2 et le câble (b) F5, les deux installées sous une section ACE. ... 79 Figure 64. Relation de la température à l’interface remblai/sol naturel (modélisée, Kong (2019)) par rapport à la température du pergélisol pour le remblai avant la méthode d’adaptation. ... 80 Figure 65. Résultats d’extrapolation du bilan thermique à l’interface remblai/sol naturel en fonction de l’épaisseur du remblai H=8 m et du gradient thermique (Modifié de (Kong et al., 2019a)). ... 81 Figure 66. Extrapolation courbe ΔT=-13,44 ºC de la figure capacité d'extraction de chaleur de l'épaulement ACE à travers l'interface remblai/sol naturel en fonction de l'épaisseur du remblai et la différence de température ΔT (Modifié de (Kong et al., 2019a)) ... 83 Figure 67. Températures maximales, minimales et moyennes sous l’interface remblai/sol naturel pour la section A6. Les indices de gel et de dégel pour l’année 2017 ne sont pas disponibles. ... 86 Figure 68. Températures maximales, minimales et moyennes à 6 m pour la section A6. Les indices de gel et de dégel pour l’année 2017 ne sont pas disponibles. ... 86 Figure 69. Températures maximales, minimales et moyennes sous l’interface remblai/sol naturel pour la section B6. ... 87 Figure 70. Températures maximales, minimales et moyennes à 5,6 m pour la section B6. ... 88 Figure 71. Profils de température de la section (a) A6 au cours des années de suivi 2013 et 2017 et de la section (b) B6 au cours des années de suivi 2013 et 2016. ... 89 Figure 72. Évolution de la profondeur de la couche active en fonction du temps pour les deux sections adaptées avec un drain thermique: (a) A6 et (b) B6. Les indices de gel et dégel pour l’année 2017 ne sont pas disponibles. ... 91 Figure 73. Relation de la température à l’interface remblai/sol naturel (modélisée par Kong (2019)) par rapport à la température du pergélisol pour le remblai avant l’adaptation. ... 92 Figure 74. Évolution des températures à l’interface remblai/sol naturel par rapport la température du pergélisol pour la section (a) A6 et (b) B6 ... 93
xii
Figure 75. Différence entre la température à l’interface remblai/sol naturel et la température du pergélisol (ΔT) en fonction du temps. Câbles (a) A6 et (b) B6. (Les indices de gel et de dégel pour 2017 ne sont pas disponibles) ... 94 Figure 76. Résultats interpolation du bilan thermique à l'interface remblai/sol naturel en fonction de l'épaisseur du remblai H=2,5 m et du gradient thermique (Modifiée de (Kong et al., 2019a)) ... 95 Figure 77. Extrapolation ΔT analyse drain thermique Salluit ... 97
xiii
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1. Indices de gel et de dégel de l’air pour les dix années de suivi à Tasiujaq ... 36
Tableau 2. Indices de gel et de dégel de l’air pour les huit années de suivi à Puvirnituq ... 38
Tableau 3. Indices de gel et de dégel de l’air pour les cinq années de suivi à Salluit ... 40
Tableau 4.Facteur de correction de la conductivité thermique à Tasiujaq ... 63
Tableau 5. Hauteurs du remblai des sections à Tasiujaq ... 64
Tableau 6. Valeurs corrigées des hauteurs du remblai des sections à Tasiujaq ... 67
Tableau 7. Bilan thermique corrigé section ACE ... 68
Tableau 8. Résumé des résultats de la validation de l’abaque pour la section ACE à Tasiujaq ... 70
Tableau 9. Bilan thermique corrigé section drain thermique ... 70
Tableau 10.Facteur de correction bilan thermique Puvirnituq ... 82
Tableau 11. Résumé des résultats de la validation de l’abaque pour la section ACE à Puvirnituq .... 84
Tableau 12.Facteur de correction bilan thermique Salluit ... 96
Tableau 13. Hauteurs du remblai section A6 et B6 ... 97
Tableau 14. Résumé des résultats de la validation de l’abaque pour la section drain thermique à Salluit ... 98
xiv
À mes parents Sergio et Claudia et à ma sœur Sara, por todo su apoyo incondicional.
xv
REMERCIEMENTS
Tout d'abord, je tiens à remercier Guy Doré, mon directeur, de m'avoir donné l'occasion de faire partie d'un groupe de recherche aussi agréable et de me confier ce projet de maîtrise par lequel j'ai pu acquérir de nouvelles connaissances et découvrir de nouveaux horizons comme le grand nord du Québec.
J'aimerais également remercier les autres membres du groupe de recherche, en particulier Chantal qui m'a soutenu tout au long du projet et qui a résolu mes infinies questions.
Finalement, j'aimerais remercier le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, le Plan d'action sur les changements climatiques 2013-2020 et le Fonds vert pour leur appui financier, ainsi que Transports Québec et le Centre d'études nordiques pour leur appui technique et financier à ce projet.
1
INTRODUCTION
Mise en contexte
Le Nunavik est la partie nord de la province de Québec, avec une superficie d’environ 500.000 km2.
Les 14 communautés nordiques sont toutes établies le long des côtes de la baie d’Ungava, du détroit d’Hudson et de la baie d’Hudson (Figure 1). Ces villages ne sont pas reliés par des routes ou des voies ferrées, et sont très espacés les uns des autres entre 80 et 240 km avec le plus proche voisin (Ficheur, 2011). Le transport aérien et maritime est donc essentiel pour assurer la communication entre les villages et le reste de la province.
Figure 1. Localisation des quatorze communautés inuites dans la région du Nunavik.
L’entretien d'infrastructures aéroportuaires stables et sécuritaires est une priorité pour assurer le développement économique, la sécurité publique et la qualité de vie des habitants de ces
2
communautés isolées du Nord-du-Québec. Lors de la construction des infrastructures du ministère des transports du Québec (MTQ) au Nunavik, entre les années 1984 et 1991, le climat était relativement stable, voire même en refroidissement, et le pergélisol était considéré comme un substrat solide et permanent (L’Hérault et al., 2018a). Or, depuis le début des années 1990, un réchauffement climatique important est observé au Nunavik (Allard et al., 2018). Parallèlement au réchauffement climatique, la construction d’infrastructures de transport affecte inévitablement le régime thermique des sols gelés et peut provoquer une dégradation thermique du pergélisol sous-jacent, ce qui entraîne une perte importante des capacités structurelles et fonctionnelles de l'infrastructure.
Les dommages associés à la dégradation du pergélisol ont commencé à se manifester sur les infrastructures de transport autour des années 2000, raison pour laquelle, à la demande du MTQ, le Centre d'études nordiques et l'Université Laval ont réalisé plusieurs études pour évaluer cette dégradation dans les différents villages. L'objectif était également de pouvoir appliquer des méthodes permettant de réduire la dégradation et de prolonger la durée de vie utile de l'infrastructure, en procédant à une analyse de son comportement afin de déterminer son efficacité.
Ce projet porte sur un site expérimental et deux sites qui ont fait l'objet d'adaptation aux changements climatiques. Le site expérimental de la piste d’atterrissage de Tasiujaq compte trois méthodes de mitigation installées en 2007 dans la pente du remblai, soit le remblai à pente adoucie, le remblai à convection d'air et le drain thermique. Les deux sites adaptés sont la piste d'atterrissage de Puvirnituq, où un remblai et une berme à convection d'air ont été installés en 2009, ainsi que la route d’accès à l’aéroport de Salluit où un drain thermique a été mis en place en 2012 sur la pente du remblai.
Ce projet a non seulement appliqué la stratégie générale d'adaptation consistant à réduire l'influence thermique des accumulations de neige et d'eau au bord des remblais, mais a également documenté les résultats sur l'efficacité de ces techniques d'adaptation, qui sont considérées comme des solutions innovatrices dans le domaine nordique. Cette documentation est le début d'une vague d'information qui donne à connaître les résultats positifs que peut avoir l'application de ces techniques alternatives dans les régions nordiques.
3
Objectifs du projet de recherche
Ce projet de recherche a pour objectif général de réaliser un bilan de performance des solutions d’adaptation à grande échelle mises en place sur les infrastructures aéroportuaires et routières du Ministère, construites sur le pergélisol au Nunavik. Les objectifs spécifiques du projet de recherche sont les suivants:
• Réaliser le suivi à long terme du comportement thermique du sol des infrastructures de transport qui ont été adaptées pour limiter le dégel du pergélisol au Nunavik.
• Déterminer l'efficacité de la mise en place de ces méthodes à mitiger le dégel du pergélisol, grâce au suivi à long terme du comportement thermique du sol.
• Réaliser l’analyse de stabilisation thermique en utilisant des abaques développés par Kong et Doré (2019), Kong et al. (2019a) et Kong et al. (2019b)
Organisation du mémoire
Le présent mémoire se divise en quatre chapitres qui sont décrits en détail ci-dessous.
Le Chapitre 1 est une revue de l'état des connaissances sur les différents sujets abordés dans ce document : la définition du concept de pergélisol, la distribution du pergélisol au Québec et au Canada, les facteurs affectant le pergélisol, la réponse du pergélisol face à une perturbation, l’impact de la construction d'infrastructures en milieu nordique incluant des méthodes de mitigation de la dégradation du pergélisol qui ont déjà fait l’objet d’études. Ce chapitre permet de comprendre les problématiques liées à la mise en place des sections expérimentales.
Le Chapitre 2 présente une mise en contexte des pistes d’atterrissage de Tasiujaq et de Puvirnituq, ainsi que de la route d'accès à l'aéroport de Salluit. Cette section inclut pour chacun des sites, la localisation, la description, les techniques d’adaptation mises en œuvre et l’instrumentation mise en place ainsi que les données utilisées pour l’analyse.
4
Le Chapitre 3 présente les données de température de l’air afin de comparer le climat entre les années de suivi et de déterminer les différences dans les indices de gel et de dégel.
Le Chapitre 4 présente l’analyse de la performance et de la stabilisation thermique des adaptations. Les données thermiques y sont présentées et analysées selon différentes approches : analyse à certaines profondeurs déterminantes, telles que sous l’interface remblai/sol naturel et à la plus profonde thermistance; analyse de l'évolution de la couche active; analyse du profil des températures du sol et; une analyse de la stabilisation thermique utilisant le bilan thermique à l'interface.
La discussion constitue une analyse plus générale de chacun des sites, et le chapitre sur les recommandations met en évidence les points à prendre en compte lors de futures analyses.
5
Chapitre 1. État des connaissances
1.1. Pergélisol
Le pergélisol se définit comme tout sol ou roc dont la température est inférieure ou égale à 0°C durant au moins 2 années consécutives (Brown et Kupsh, 1974). Cette section traitera des concepts et définitions relatifs au pergélisol, de la distribution de celui-ci au Canada et au Québec et, de manière générale, l'emplacement des infrastructures de transport du Nunavik.
1.1.1. Concepts et définitions
La Figure 2 présente le profil thermique caractéristique d’un pergélisol illustré à l'aide d'une courbe. Sur cette figure l’axe des abscisses correspond à la température tandis que l’axe des ordonnées correspond à la profondeur. La courbe de gauche représente la température minimale dans le sol à une profondeur donnée et celle de droite correspond à la température maximale atteinte dans le sol à une profondeur donnée. La couche active correspond à une couche qui gèle et dégèle durant l’année et le pergélisol correspond au sol dont la température reste inférieure ou égale à 0°C tout au long de l’année.
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La profondeur où la température du sol redevient positive correspond à la base du pergélisol. Si la base de la couche active ainsi que la base du pergélisol sont connues, il est possible de déterminer l’épaisseur du pergélisol qui dépend du gradient géothermique; plus celui-ci sera fort, plus l’épaisseur du pergélisol sera faible (Guimond, 2012). Le pergélisol est caractérisé comme étant froid lorsque sa température est inférieure à -2°C, alors qu’il est chaud lorsque sa température se situe entre 0 et -2°C (Smith et Burgess, 2004).
1.1.2. Distribution du pergélisol au Canada
Les Figures 3 et 4 présentent respectivement la distribution et le type de pergélisol au Canada et la légende de cette carte. Le pergélisol est « continu » lorsqu'il couvre plus de 90% du territoire, « discontinu étendu » lorsqu’il couvre entre 50% et 90 % du territoire, « discontinu sporadique » lorsqu’il couvre entre 10% et 50 % du territoire. Le terme « îlots de pergélisol » caractérise un territoire couvert par moins de 10 % de pergélisol (French, 2007). Ainsi, environ 50 % du territoire canadien est caractérisé par la présence de pergélisol. Ce territoire correspond principalement aux régions nordiques peu peuplées.
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Figure 4 . Légende de la carte de la distribution du pergélisol au Canada (Natural Resources Canada, 1995)
La distribution verticale du pergélisol le long d’un axe longitudinal allant du sud (droite) vers le nord (gauche) dans les Territoires du Nord-Ouest et Nunavut est représentée par la Figure 5. Le pergélisol est discontinu dans les régions les plus au sud, où il a une couche active importante et une épaisseur du pergélisol relativement faible. Ensuite, une transition du pergélisol discontinu au pergélisol continu est observée. Puis, en Arctique, la couche active est mince et l'épaisseur du pergélisol est importante.
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1.1.3. Distribution du pergélisol au Québec
Le pergélisol est présent dans environ un tiers du territoire de la péninsule du Québec-Labrador (Allard, 2012). La distribution du pergélisol au Québec nordique est présentée sur la Figure 6. La zone A, correspond au pergélisol continu, la zone B correspond au pergélisol discontinu et répandu (>50% de la surface du terrain), la zone C correspond au pergélisol discontinu et dispersé (<50% de la surface des terres) et la zone D correspond au pergélisol sporadique (<2% du territoire).
Figure 6. Distribution du pergélisol au Québec nordique (Allard et Lemay, 2012)
1.1.4. Infrastructures de transport du Nunavik
Le Nunavik n’étant pas accessible par voies terrestres, le transport aérien est donc essentiel pour assurer la communication entre les 14 villages et le reste du Québec, été comme hiver.
A
B
C
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Parmi les 14 aéroports, 13 appartiennent au ministère des transports du Québec, et celui de Kuujjuaq appartient à Transport Canada. La plupart des pistes d’atterrissage du MTQ ont une longueur de 1090 m, une largeur de 44 m et sont recouvertes de gravier. Les routes d’accès qui assurent le lien entre l’infrastructure aéroportuaire et la communauté étaient initialement recouvertes de gravier, mais elles ont été pavées au cours des années 2000 (L’Hérault et al., 2012).
Il n’y a pas de pergélisol sous l’aéroport de Kuujjuarapik. Celui d’Umiujaq est construit dans la zone de pergélisol discontinu sporadique. Tasiujaq et Kangiqsualujjuaq sont dans la zone dispersée et neuf sont construits dans la zone de pergélisol continu (Inukjuak, Puvirnituq, Akulivik, Ivujivik, Salluit, Kangiqsujuaq, Quaqtaq, Kangirsuk et Aupaluk). Lors de la construction de ces pistes, le pergélisol a été considéré comme un sol de fondation stable et aucune perspective de réchauffement climatique n’avait alors été envisagée (Guimond, 2012).
1.2. Facteurs affectant le pergélisol
Il y a plusieurs facteurs qui influencent le régime thermique du pergélisol, tels que la température de l’air, le couvert de neige, le couvert végétal et la construction de remblais sur pergélisol, qui affectent tous la température à la surface du sol et aussi aux processus du bilan thermique à la surface.
1.2.1. Température de l’air
La température de l’air a un impact direct sur la température de surface. Lorsqu’elle augmente, les températures maximales du sol augmentent, ce qui a pour impact d’augmenter l’épaisseur de la couche active et donc d’abaisser le plafond du pergélisol. Éventuellement, le pergélisol peut disparaitre lorsque son plafond rejoint sa base (Doré et Zubeck, 2009). Et lorsqu’elle diminue a un effet contraire, elle a une grosse influence sur la diminution de l’épaisseur de la couche active.
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1.2.2. Couvert de neige
Le couvert de neige est un facteur très important affectant le régime thermique d’un sol, dû au fait que celui-ci empêche la chaleur d’être extraite du sol durant la saison hivernale. Cet effet provient de la très faible conductivité thermique de la neige. Ainsi, les températures minimales se réchauffent ce qui peut générer une diminution de l’épaisseur du pergélisol (Gadek et Leszkiewicz, 2010; Williams et Smith, 1991).
1.2.3. Couvert végétal
De façon générale, le couvert végétal a une influence importante sur le régime thermique du sol, en diminuant la température moyenne annuelle, dû à la variation saisonnière de la conductivité thermique (faible conductivité dégelée et forte conductivité gelée) et du régime d’évaporation. La végétation diminue la radiation incidente atteignant la surface du sol ce qui diminue la température maximale de surface (Williams et Smith, 1991).
Le retrait de la végétation a donc pour effet de perturber le pergélisol, ce qui peut entraîner des dégradations importantes. La Figure 7 présente les résultats d’une étude qui a été réalisée près de Fairbanks, Alaska, où trois sections ont été aménagées. La première section représente l’état naturel de la végétation, les arbres et arbustes de la deuxième section ont été retirés, alors que le couvert végétal a complètement été décapé de la troisième section. Pendant plusieurs années, la profondeur du plafond de pergélisol a été mesurée et une dégradation importante du pergélisol a été observée sous la deuxième et troisième section (Linell, 1973).
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Figure 7. Influence de la végétation sur la profondeur de dégel (Linell, 1973)
1.2.4. Construction de remblai sur pergélisol
La Figure 8 illustre comment la construction de remblai routier en zone de pergélisol perturbe graduellement le régime thermique. Avant la construction, la couche active a une épaisseur stable due à un régime thermique non perturbé. Pendant la construction, le régime est perturbé, ce qui peut conduire à l’augmentation de l’épaisseur de la couche active et des tassements peuvent en résulter.
Suite à la mise en place des matériaux granulaires, le régime thermique est de nouveau affecté. Les matériaux granulaires utilisés ont habituellement une conductivité thermique plus élevée que le sol présent à l’origine (Andersland et Ladanyi, 2004). Après la construction, le pergélisol a tendance à remonter dans la fondation granulaire au centre de la chaussée. Cette tendance est également amplifiée en raison du déneigement en hiver, puisque l'effet isolant de la neige ne se fait alors plus sentir au centre de la route, au contraire de l'effet de l’accumulation de neige sur les côtés du remblai qui favorise l’augmentation de l'épaisseur de la couche active.
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L’augmentation de l'épaisseur de la couche active en bordure de remblai peut engendrer des dégradations importantes sur les épaulements des remblais routiers (Beaulac, 2006; Doré et Zubeck, 2009).
Figure 8. Modification du régime thermique dans le sol d'infrastructure lors de la construction d'un remblai routier (Doré, 2011)
1.3. Réponse du pergélisol face à une perturbation
Lorsqu’une perturbation, tel que retirer la couche de végétation, affecte le régime thermique du pergélisol, le sol passe de son état initial à un état transitoire (Mackay, 1970). La Figure 9 illustre la réponse d’un pergélisol riche en glace face à une perturbation. L’augmentation de la température au-dessus du point de congélation fera fondre la glace et l’eau en excès sera alors expulsée, puis il y aura une consolidation de la couche de sol dégelé. Ensuite, le régime thermique du sol se stabilisera et le sol atteindra son état final. Le sol aura une nouvelle couche active qui peut être plus épaisse que la précédente puisque l’effet isolant de la couche de végétation a été retiré.
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Si le sol avait initialement une teneur en glace élevée, des tassements importants sont possibles. La glace en excès dans un sol est définie comme la glace excédant du volume des pores du sol dégelé (Williams et Smith, 1991). Plusieurs types de glace en excès peuvent être présents dans un pergélisol, soit la glace de ségrégation (lentilles de glace), les coins de glace, la glace de cavité et la glace massive (Allard, 2010).
Figure 9. Comportement du pergélisol riche en glace lors d'une modification des conditions de surface (Modifiée de (Mackay, 1970))
1.4. Propriétés thermiques et principaux modes de transfert de chaleur
1.4.1. Propriétés thermiques
La conductivité thermique (k) est la constante de proportionnalité entre le flux de chaleur dans un sol homogène et le gradient thermique. La conductivité thermique représente la capacité d'un matériau à transférer la chaleur par conduction (Doré et Zubeck, 2009). Elle s’exprime en W/m*K. La conductivité thermique est fonction de la densité du sol, de sa teneur en eau et de son état gelé ou dégelé (Doré, 2011).
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La capacité thermique (C) représente la capacité des sols ou des matériaux à accumuler de la chaleur. Cette propriété thermique s’exprime en kJ/kg*K. Elle est définie comme la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température d'une quantité unitaire de sol ou de matériau de 1° C (Doré et Zubeck, 2009).
La diffusivité thermique (α) est un indice de la facilité relative avec laquelle un matériel peut changer de température (Allard, 2010). Cette propriété thermique s’exprime en m2/s et est la mesure de
l’habileté d’un matériel à conduire l’énergie thermique par rapport à son habileté à l’accumuler (Incropera, 2007). Elle est égale à k/C.
1.4.2. Principaux modes de transfert de chaleur
Le transfert de chaleur est l’énergie thermique en transit causée par une différence de température spatiale (Incropera, 2007). Il existe trois modes de transfert de chaleur, soit la conduction, la convection et la radiation.
1.4.2.1. Conduction
La transmission de chaleur d'un matériau à un autre par contact physique direct est appelée conduction L'énergie cinétique à l'intérieur d'un corps chaud est supérieure à celle d'un corps froid, et lorsque ces deux molécules entrent en collision, il y a un transfert d'énergie de la molécule chaude vers la molécule froide (Richard, 2018). La conduction est le principal mécanisme de transfert de chaleur dans les sols, ce mécanisme est illustré dans la Figure 10.
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1.4.2.2. Convection
Le mécanisme de transfert de chaleur qui se produit entre une surface et un fluide en mouvement est connu sous le nom de convection (Doré, 2011). La convection peut être qualifiée de forcée ou naturelle, elle est forcée lorsqu’une force externe agit sur le fluide et elle est naturelle lorsqu’elle se produit par gradient de densité. La convection naturelle peut s’effectuer en cellule fermée et ouverte. La Figure 11 illustre les différents types de convection.
Figure 11. Différents types de convection: a) Convection forcée; b) Convection naturelle en cellule fermée; c) Convection naturelle ouverte (Doré, 2011)
1.4.2.3. Radiation
Le transfert de chaleur par radiation est un phénomène qui est caractérisé par un échange d’énergie électromagnétique, sans que le milieu intermédiaire participe nécessairement à cet échange (Perrot, 2010). La principale source de radiation électromagnétique est le soleil. La quantité de chaleur transmise de cette façon dépend de la capacité de la surface à refléter le rayonnement solaire, c'est-à-dire qu'elle dépend de l'altitude et de l'albédo. Un schéma de la chaleur absorbée par les radiations pendant la journée et aussi de la chaleur dégagée par les radiations pendant la nuit est représenté par la Figure 12.
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Figure 12. Schématisation de la chaleur absorbée par radiation durant la journée ainsi que la chaleur émise par radiation durant la nuit (Doré, 2011)
1.5. Conception de remblai
La dégradation du pergélisol entraîne différents problèmes dans les infrastructures construites sur ce sol. Depuis les années 1960, plusieurs techniques de protection ont été développées, et leur efficacité a été étudiée par des applications expérimentales. Ces différentes techniques sont basées sur trois principes fondamentaux soit la réduction de l’induction de chaleur sous l’infrastructure pendant l’été, l’augmentation de l’extraction de chaleur pendant l’hiver, et finalement le renforcement du remblai.
1.5.1. Méthodes de réduction de l’induction de chaleur sous l’infrastructure
Le rayonnement solaire absorbé par la surface des remblais routiers est la principale source de réchauffement du pergélisol. La chaleur captée s'écoule par conduction dans le remblai et atteint éventuellement le pergélisol ce qui favorise sa dégradation. Les méthodes décrites ci-dessous aident à limiter la pénétration de la chaleur sous le remblai durant l’été et à réduire le dégel du pergélisol.
1.5.1.1. Épaississement du remblai
Dans les zones de pergélisol froid, la méthode la plus commune utilisée pour protéger les remblais contre le tassement dû au dégel du pergélisol est une couche de gravier qui est suffisamment épaisse
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pour contenir la couche active dans le matériau du remblai non sensible au gel (Zarling et al., 1988). L’épaisseur requise pour les remblais de pistes d’aéroport varie normalement entre 1,5 et 2,0 m malgré que certains remblais soient aussi minces que 1 m (Crory, 1988).
Cette méthode de protection a été suggérée pour la piste d’atterrissage de l’aéroport de Svalbard en Norvège (situé sur l'île de Spitzberg), car il y avait des tassements associées à la dégradation du pergélisol (Molmann et al., 1998). L’épaisseur totale recommandée était de 1,5 m de matériaux granulaires non sensibles au gel.
1.5.1.2. Isolation thermique
L’isolation thermique des remblais permet de limiter la pénétration de chaleur dans le sol pendant l’été (Doré et Zubeck, 2009) mais il empêche aussi la chaleur de sortir en hiver. C’est pourquoi l'isolant doit être installée à la fin de l'hiver lorsque le sol est encore gelé, afin que la chaleur ne soit pas emprisonnée sous l'isolant.
En 1972, quatre sections d’essai avec isolation ont été installées et instrumentées sur la route du Mackenzie, près d'Inuvik, au N.W.T, pour évaluer l'utilisation d'isolants en panneaux de polystyrène de 5, 9 et 11,5 cm d'épaisseur. La température du sol et les observations de tassements sur une période de six ans après l'installation ont montré que le pergélisol s'est aggradé dans les quatre sections isolées, tandis que la couche active a augmentée de 60 cm sous les sections témoins non isolées (Johnston, 1983). Un autre exemple est une plate-forme d'essai avec isolation construite en 1992 le long de la route Qingway-Tibet en Chine. La présence d'isolant dans le remblai a réduit de trois quarts la chaleur pénétrant dans le remblai par rapport à la section témoin non isolée (Sheng et al., 2006).
L'utilisation de la tourbe comme couche isolante est appropriée dans certaines conditions, quand le remblai peut être construit directement sur la couche de matière organique laissée en place après avoir enlevé les arbres avec précaution pour éviter de l’endommager (Beaulac, 2006).
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Figure 13. Installation d'une couche isolante (Beaulac et Doré, 2006)
1.5.1.3. Surfaces à albédo élevé
Les surfaces réfléchissantes permettent d’augmenter l’albédo de la surface du remblai. L’albédo est le rapport entre la radiation réfléchie et la radiation totale reçue. L’application de revêtements blancs (Esch, 1996), l’utilisation de granulats clairs (M-Lepage et al., 2012b) et l’utilisation d’un bitume clair (Doré, 2011) sont les différentes techniques qui ont été utilisées afin d’augmenter l’albédo.
Il existe plusieurs utilisations nordiques de surfaces à albédo élevé telles que la section expérimentale au site du CRREL (Figure 14) à Fairbanks (ADOTPF, 1985) où l’analyse des résultats a permis de déterminer que l’utilisation de peinture blanche réduit de manière significative la dégradation thermique du pergélisol qui mène aux tassements, il est possible de constater que même 30 ans après l’installation de la surface à albédo élevé, la section peinte demeure dans un état acceptable alors que la section témoin présente une dégradation important (Doré et Beaulac, 2007). D’une autre étude à Peger Road-Fairbanks, Alaska (Berg, 1985), les données de températures démontrent l’efficacité des surfaces à albédo élevé à réduire les températures superficielles. Sur l’aéroport de Kangerlussuaq, Groenland (Jorgensen et Ingeman-Nielsen, 2008) les données démontrent que la profondeur de pénétration du dégel sous une surface revêtue de peinture blanche diminue notablement. La route menant à l’aéroport de Salluit au Nunavik, Québec (Voyer, 2009) est un site expérimental où la surface réfléchissante semble avoir eu un effet de refroidissement sur la couche supérieure du remblai. À
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Beaver Creek, Yukon une section a été traitée avec des granulats clairs où il a été déterminé que l’apport de chaleur au sol naturel est significativement réduit pour cette section par rapport à la section avec un traitement de surface standard (M-Lepage et al., 2012). Aussi à Beaver Creek, Yukon, une étude a été réalisée par Dumais (2014) pour quantifier l’effet de revêtement à albédo élevé sur la température superficielle. Les données ont permis de valider qu’une augmentation de l’albédo entraîne une diminution des températures superficielles des revêtements routiers.
Figure 14. A) Application de peinture blanche sur une section d'essai en Alaska (Photo: Laboratoire de recherche et d'ingénierie de la région froide, CRREL); B) Image de la même section d'essai 30
ans plus tard (Photo: Guy Doré) tel que cité par (M-Lepage, 2016).
1.5.1.4. Pare-soleil/pare-neige
L'utilisation de pare-soleil/pare-neige sur les pentes des remblais a un double effet. Au cours de l'été, les panneaux de couleurs claires réfléchissent une grande partie des radiations solaires, ce qui diminue donc le réchauffement du remblai. Au cours de l'hiver, la neige s'accumule sur l'écran et non sur le sol, permettant ainsi à l'air de continuer de circuler en contact avec le sol (Ficheur, 2011).
À Bonanza Creek, Alaska (Figure 15A) un remblai expérimental a été étudié durant deux ans, et a démontré que la température moyenne annuelle des remblai protégés a été abaissée à une température de -2,3°C alors que celle des remblai non protégés s’est maintenue à 3,9°C (Esch, 1988). Des pare-neige/soleil ont également été expérimentés sur la route Qinghai-Tibet en Chine (Figure
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15B), les résultats ont montré que la température de surface annuelle de la pente de tout le remblai peut être réduite d'environ 3,2 ° C (Yu et al., 2008).
Malgré de bonnes performances en Alaska, l'utilisation de cette méthode a été réduite puisqu'elle présente un danger pour les utilisateurs en cas de sortie de route. De plus, des glissières de sécurité doivent être installées le long des zones protégées par les écrans ce qui augmente le prix de cette technique, certes efficace, mais déjà très coûteuse (McGregor et Doré, 2010).
Figure 15. A) Pare soleil/neige à Bonanza Creek, en Alaska (Zarling et Braley, 1986); B) Pare soleil/neige, route Qinghai-Tibet, plateau tibétain (Yu et al., 2008) tel que cité par (M-Lepage, 2016)
1.5.2. Méthodes augmentant l’extraction de chaleur
Lorsque les méthodes de réduction de l’induction de chaleur sous l’infrastructure ne suffisent pas à maintenir la température sous les remblais sous le point de congélation, il faut avoir recours à des techniques favorisant l’extraction de chaleur du remblai pendant l’hiver, afin de rehausser le sommet du pergélisol.
1.5.2.1. Conduits de ventilation
Les conduits de ventilation permettent de faire circuler l'air froid à l'intérieur du remblai. Cela a donc comme effet d'abaisser la condition limite de température et donc de refroidir plus en profondeur le remblai en hiver (Dong et al., 2010).
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Il existe deux types de systèmes de conduits. L’un des systèmes implique l’utilisation de cheminées pour induire une circulation d’air par effet de cheminée dans les conduits (Figure 16). L'effet de cheminée résulte du fait que l'air chaud moins dense cherche à monter dans la section verticale de sortie (Braley et al., 1991), le débit est maintenu tant que la température de l'air est plus froide que celle extraite du sol. Ces conduits de ventilations doivent être fermés pendant l’été, afin de limiter l’apport de chaleur. Ce système a été étudié sur deux sites en Alaska: à Bonanza Creek en 1974 (Esch, 1983) et en 1982, à Gardner Creek sur la route de l'Alaska près de la frontière canadienne (Zarling et al., 1983). Ces systèmes ont démontré des effets de refroidissement et de stabilisation importants dans les premières années après la construction. Cependant, à Bonanza Creek, le système était trop petit pour assurer une stabilité thermique à long terme (M-Lepage, 2016).
Figure 16. A) Coupe transversale du remblai de la chaussée montrant le système de conduits avec cheminées (Braley et al., 1991); B) Système de conduits d'air avec des cheminées le long de la route
de l'Alaska (Doré et Zubeck, 2009) tel que cité par (M-Lepage, 2016)
Le deuxième type de système consiste en des conduits aux extrémités ouvertes, installés perpendiculairement à l'axe longitudinal de la route et orientés dans le sens des vents dominants (Figure 17) (M-Lepage, 2016). La structure à conduits ouverts est conçue pour refroidir passivement un remblai routier épais, par convection, lorsque l'air froid de l'hiver pénètre dans les ponceaux et accentue l'extraction de chaleur du sol sur lequel sont installés les ponceaux (Zarling et al., 1983). Un remblai expérimental de 442 m de long a été construit le long d'un chemin de fer à Beiluhe sur le haut plateau du Qinghai-Tibet. Ce système a été sélectionné en raison de la présence de glace massive
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sous le plateau et de vents violents dans la région. Les résultats de 3 ans de suivi montrent que dans le cas d'une plateforme dont les conduits sont en position basse, l'absorption de chaleur ne dure qu'une courte période et libère ensuite de la chaleur. Cela donne à penser que les conduits en position basse offrent un refroidissement plus efficace du pergélisol que les conduits en position haute (Fujun et al., 2006). Ces conduits de ventilations doivent être fermés pendant l’été, afin de limiter l’apport de chaleur.
Figure 17. Système de ventilation à conduits ouverts testé sur le site d'essai de Beiluhe sur le plateau Qinghai-Tibet (Fujun et al., 2006)
1.5.2.2. Thermosiphons
Le thermosiphon est une méthode permettant d’extraire la chaleur sous les remblais afin de maintenir le sol gelé. Un thermosiphon est composé de deux sections, dans lesquelles différents principes de transfert de chaleur sont exploités, tels que la conduction, la condensation, l'évaporation et la convection. Une des deux sections est la section de l'évaporateur qui est placée dans le sol à refroidir ou maintenir froid et l’autre section est la section du condenseur à ailettes qui est libre dans l'air pour dissiper la chaleur extraite du sol.
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Figure 18. Fonctionnement d'un thermosiphon
La méthode a besoin d'un fluide sous pression, telle que l'ammoniac, le dioxyde de carbone ou le propane dans les phases liquides et gazeuses, qui est réchauffé par la chaleur du sol et qui s'évapore, puis monte par diffusion vers le condenseur, où il entre en contact avec la surface métallique froide et se condense en un liquide. Une inclinaison supérieure à 6 % est nécessaire pour permettre l’écoulement du liquide vers l’extrémité de l’évaporateur et assurer le fonctionnement adéquat du thermosiphon. Si la température de l'air est inférieure à celle du sol, la vapeur se condense sur les parois intérieures du tuyau et libère la chaleur transportée du sol vers l'air. Le condensat retourne ensuite à l'évaporateur par gravité. Lorsque la température de l'air est plus élevée que celle du sol, le transfert de chaleur cesse et l'unité est inactive (Wagner, 2014).
Les thermosiphons sont utilisés depuis la fin des années 1960. Il y a plusieurs cas d'étude parmi lesquels: Hudson Bay Railway en Ontario (Hayley et al., 1984), Farmer's Loop Road près de Fairbanks, Alaska (Zarling et Braley, 1986), la piste de l'aéroport de Bethel, Alaska (McFadden, 1989) et Chena Hot Springs Road à Fairbanks, Alaska (Forsstrom et al., 2002).
Une variante aux thermosiphons classiques a été développée pour application dans les chaussées. Appelés thermosiphons «hairpin», ils sont entièrement enterrés sous la surface du sol. Les condenseurs sont placés près de la surface et les évaporateurs sont installés profondément dans la sous-fondation. La première installation a eu lieu au projet de la route Chena Hot Springs, AK, en 1998 (Forsstrom et al., 2002). Le condenseur est placé dans le remblai près de la surface, au-dessus de
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l'isolant (mais avec un léger angle ascendant), et l'évaporateur est plié autour de l'isolant et installé à un angle descendant. Les « hairpin » thermosiphons ont été utilisés avec succès à Thompson Drive à Fairbanks, AK, (Figure 19) depuis 2004 (Xu et Goering, 2008). En l'absence de condensateur hors sol, ces unités offrent une option pour les installations sur route et sur piste qui n'entraînent aucun danger pour la sécurité de la surface. Parce que la partie la plus chère du thermosiphon (l'échangeur de chaleur à ailettes) est exclue dans ce type d'unité, le coût global est inférieur à celui des unités conventionnelles (Xu et Goering, 2008).
Figure 19. Hairpin thermosiphon Thompson Drive Fairbanks, Alaska (Photo: courtoisie de Doug Goering, UAF à enterprise Arctic Foundations, Inc.)
1.5.2.3. Drain thermique
Le drain thermique est une technique innovatrice développée à l’Université Laval. Un géocomposite à haute perméabilité, dont l’épaisseur est d’environ 25 mm (Figure 20), est installé dans le remblai. L’air froid entre par la base du géocomposite, se réchauffe progressivement dû au transfert de la chaleur du sol par conduction, ce qui provoque alors son ascension et son évacuation au sommet du remblai (Gravel Gaumond, 2014). La Figure 21 présente le fonctionnement de cette technique.
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Figure 20. Drain thermique (Périer et al., 2016)
Figure 21. Schéma du fonctionnement du drain thermique
Cette technique a été testée pour la première fois, en conditions réelles d’exploitation, à l’aéroport de Tasiujaq, au Nunavik, où le drain thermique a bien fonctionné et a prouvé son efficacité au cours des deux premières années d'expérimentation (Ficheur, 2011). À Beaver Creek, Yukon trois sections ont été installées incluant une section de drain thermique sur la pleine largeur du remblai. Les sections n’ont pas fonctionné comme prévu en raison des problèmes survenus lors de la construction du site d'essai en 2008 (M-Lepage, 2016). Une autre analyse thermique du remblai effectuée à Salluit, au Nunavik, durant trois années, montre comment le plafond du pergélisol est remonté, même si une section présente une mauvaise efficacité due à une installation non-optimale (Périer et al., 2016).
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1.5.2.4. Pente douce
L'utilisation de pentes douces est une autre solution susceptible d'améliorer le comportement thermique et mécanique des remblais construits sur le pergélisol sensible au dégel, dans les sections de remblai affectées par des vents transversaux en hiver (Doré et Zubeck, 2009; Esch, 1996). En réduisant l'accumulation de neige le long du remblai, cette technique permet d’améliorer le comportement thermique sous le remblai. Une pente latérale de 1V :6H (Figure 22 (b)) est nécessaire pour éviter l'accumulation de neige sur la pente des remblais (Doré et Zubeck, 2009).
À Salluit, l’aménagement de la pente douce (en moyenne 1V:5,7H) a été faite dans le but d’éloigner l’écoulement d’eau en pied de remblai, pour ainsi limiter le transfert de la chaleur au centre du remblai et au sol naturel. L’analyse thermique a permis de suivre la remontée du plafond du pergélisol durant les trois années suivante la construction (Périer et al., 2016). Un autre cas est l’aéroport de Tasiujaq, Nunavik au Québec, où une section expérimentale de pente douce a été mise en œuvre. Le suivi thermique a démontré que la pente douce a permis de diminuer efficacement l'épaisseur de la couche active et d'abaisser la température du sol (Ficheur, 2011).
Figure 22. (a) Accumulation de neige sur une pente conventionnelle de remblai 1V :2H vs (b) une pente douce 1V :6H
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1.5.2.5. Remblai à convection d’air (ACE)
Le remblai à convection d’air est une technique développée principalement à l’Université d’Alaska à Fairbanks (Goering, 2003) qui favorise la formation de cellules de convection dans les pores d’un matériau granulaire grossier et poreux (Figure 23). Durant l’hiver, cette méthode favorise la formation de cellules de convection dans les pores du matériau de remblai. L’air dans les pores de la partie supérieure du remblai refroidit et sa densité plus élevé le fait descendre, poussant ainsi vers le haut l’air plus chaud de la partie inférieure du remblai. Ce mouvement d’air augmente considérablement l’efficacité du transfert de chaleur entre le pergélisol et l’air durant l’hiver. Cette méthode est intéressante puisqu’elle est simple et ne requiert pas d’entretien après sa construction (Doré and Voyer, 2010).
Figure 23. Principes du remblai à convection d’air (ACE)
Les effets thermiques à long terme des ACE, le long du Qinghai-Tibet Railway en Chine, ont été analysés sur 14 ans (2002-2016). Les résultats ont montré qu'après la construction, le plafond du pergélisol sous les ACE a rapidement remonté au cours des trois premières années, puis est resté stable au cours des dix années suivantes. La température du pergélisol peu profond a diminué sur une période de cinq ans après la construction dans les zones de pergélisol froid, mais elle a augmenté considérablement en même temps que le mouvement ascendant du plafond du pergélisol dans les zones chaudes. Le pergélisol profond a montré une lente tendance au réchauffement due au réchauffement climatique (Mu et al., 2018). Le contexte climatique de chaque site doit donc être analysé avec précision (Ficheur, 2011). De la même manière, l’épaisseur minimale du remblai est importante. Dans le projet du Qinghai-Tibet Railway l'ampleur du mouvement ascendant du pergélisol
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a montré une corrélation positive avec l'épaisseur du remblai. Cependant, à Salluit, Nunavik au Québec pendant l’analyse des données recueillies au cours de deux années, il semble que la faible épaisseur des remblais installés (environ 0,8 m) ait été un facteur en cause dans la mauvaise performance des systèmes expérimentés.
À Tasiujaq le design du remblai à convection a été modifié en ajoutant des cheminées pour permettre les échanges thermiques au-dessus du couvert neigeux (Ficheur, 2011). Aussi le remblai a été fermé avec un matériau fin pour permettre la convection libre interne et ainsi limiter l'effet du vent. Les données thermiques montrent une faible efficacité de d'extraction de chaleur qui a été associée au fait que le système de ventilation est sous-dimensionné. Au contraire, à Puvirnituq, Nunavik au Québec (Gravel Gaumond, 2014) une série de thermistance a permis de remarquer la présence de convection dans le remblai, et une remontée du plafond du pergélisol a été observée après trois années de suivi.
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Chapitre 2. Mise en contexte des sites d’étude
La section 1.5.2 présentait, à titre informatif, les résultats à court et long terme de différentes sections étudiées dans le monde, incluant les sections qui font l'objet d'étude de ce projet. Ce chapitre approfondit chacun des sites pertinents à ce projet et décrit l'instrumentation utilisée pour l'analyse des données présentées au Chapitre 3.
2.1. Tasiujaq
2.1.1. Localisation et description
Le village de Tasiujaq est situé dans la partie sud-est de la baie d'Ungava (58°71'N et 69°82'W), juste quelques kilomètres au nord de la limite des arbres dans une zone de permafrost continu (Ficheur, 2011). Achevé en 1990, l'aéroport a une piste d’atterrissage d’une longueur totale de 1190 m et une largeur de 44 m (34 m d'altitude moyenne orientée selon un axe nord-nord-est—sud-sud-ouest) (Allard and Sarrazin, 2007).
Pour cette piste, les principaux problèmes affectant le bord de la piste et la surface du remblai sont les tassements différentiels. Il a été démontré que l'accumulation de neige par le vent et par les opérations de déneigement le long du remblai constituent la principale source de chaleur qui dégèle le pergélisol en pied de remblai (Allard et al., 2018).
2.1.2. Techniques d’adaptation expérimentales, instrumentation mise en place et données utilisées pour l’analyse
En 2007, une section d'essai de 200 m de long a été construite sur la piste d’atterrissage de l'aéroport de Tasiujaq pour valider l'efficacité de certaines techniques d'adaptation choisies. Trois techniques expérimentales ont été installées chacune sur 50 m de long dans la pente du remblai: la pente douce, le remblai à convection d'air et le drain thermique. De plus, une section de référence est présentée pour comparer les techniques d'adaptation avec un remblai conventionnel (Figure 24). Chaque section
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est instrumentée avec des câbles à thermistances placées verticalement dans le remblai et dans le sol naturel au milieu de la pente à 25 m du centre de la piste. Pour le cas de ce projet, les données fournies par toutes les thermistances installées seront prises en compte, à l'exception de celles qui au cours des années ont présenté des défauts ou des incohérences, au moment des analyses un filtre a été minutieusement réalisé.
Figure 24. Schéma du site d'essai de la piste d'atterrissage de Tasiujaq (Ficheur, 2011)
Figure 25. Disposition des thermistances dans les sections de référence et de la pente douce à la piste d'atterrissage de Tasiujaq (Ficheur, 2011).
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Figure 26. Disposition des thermistances dans les sections remblai à convection et drain thermique à la piste d'atterrissage de Tasiujaq (Ficheur, 2011).
2.2. Puvirnituq
2.2.1. Localisation et description
Le village de Puvirnituq est situé à 4 km de la baie de Puvirnituq (60°02'N et 77°17'W). La piste d’atterrissage de l’aéroport de Puvirnituq avait une longueur de 1744 m avant d'être agrandie en 2009. Elle mesure actuellement 2040 m de long. La surface nivelée a une largeur de 90 m (piste 60 m et accotement 30 m). La piste traverse une vallée orientée selon un axe nord-nord-ouest— sud-sud-est, et a une élévation moyenne de 20 m (L’Hérault et al., 2018b).
Au cours des visites, des affaissements majeurs d’une amplitude variant entre 200 et 300 mm, ont été observés de chaque côté de la piste (Beaulac, 2006). Une quantité importante de neige a également été observée dans la vallée. Les tassements observées peuvent être expliqués par l’effet du fluage du pergélisol tiède (reste juste en dessous de 0°C) sous le poids du remblai, ainsi que par la dégradation
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du pergélisol causée par l’accumulation de la neige en pied de remblai et par un écoulement d’eau important sous le remblai (Gravel Gaumond, 2014).
2.2.2. Techniques d’adaptation expérimentales, instrumentation mise en place et données utilisées pour l’analyse.
Afin de diminuer l’impact sur le régime thermique de l’accumulation de neige en pied de remblai et de l’écoulement d’eau sous la piste, un remblai à convection d’air avec ventilation a été construit de chaque côté de la piste d’atterrissage et l'écoulement d'eau dans la vallée a été détourné. De plus, la stabilité mécanique du remblai a été assurée à l’aide d’une berme placée au pied du remblai. Des thermistances ont été installées dans le remblai convectif ainsi que dans le sol naturel. Dans le cadre de ce projet, les câbles à thermistances PUV_F2 de 15 m de longueur et PUV_F5 de 6,5 m de longueur (Figure 27) ont été utilisés pour réaliser l’analyse des températures à long terme après la construction du remblai à convection. PUV_F5 est situé à 1 m du pied du remblai de l’ACE (côté ouest) et PUV_F2 est sous la berme adaptée avec l’ACE (côté est). Pour l’analyse des abaques de conception uniquement le câble F2 a été utilisé. Une modélisation numérique a dû être réalisée (Kong, 2019) pour obtenir les températures non-mesurées sous le centre de la pente à l’interface remblai/sol naturel avant l’adaptation.
