Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG2010 - Grenoble 7-9 juillet 2010

LES PROBLEMES HYDROGEOLOGIQUES DE L'ASCENSEUR A BATEAUX DE STREPY-THIEU

HYDROGEOLOGICAL ISSUES OF BOAT LIFT IN STREPY-THIEU

Luc FUNCKEN1, Philippe WELTER1, 1 Service Public de Wallonie, Direction de la Géotechnique, Liège, Belgique

RÉSUMÉ – L'ascenseur à bateaux de Strépy-Thieu (Belgique), au gabarit de 1350 tonnes, permet le franchissement en un seul ouvrage d'une dénivellation de 73 m. L’article analyse des discordances importantes entre les observations de terrain et les valeurs modélisées liées au contexte hydrogéologique complexe , ainsi que des défauts des ouvrages (affaissement, colmatage) liés à des phénomènes de dissolution des carbonates.

ABSTRACT – The Strepy-Thieu boat lift (Belgium) allows a 73 m ascent in a single structure for 1350 T mould. The paper discusses significant differences between field observations and results from modelling due to the complex hydrological context. It also describes and analyses observed defects in constructions such as collapsing or clogging, linked to the dissolution of carbonates. 1. Ascenseur de Strépy-Thieu 1.1. Introduction

Les études de l'ascenseur de Strépy-Thieu (Belgique) ont comporté un important

volet géotechnique qui s’est déroulé fin des années 70, début des années 80. De nombreux essais, tant sur site qu'en laboratoire ont été réalisés avec le concours de la Direction de la Géotechnique du Service Public de Wallonie. Parmi les principaux essais géotechniques réalisés, il faut citer :

- 54 forages de reconnaissance (profondeur cumulée de 2654 m); - 24 essais de pénétration 200 kN (profondeur cumulée de 739 m); - 17 forages avec essais pressiométriques (profondeur cumulée de 986 m); - 13 forages avec diagraphies mécaniques (profondeur cumulée de 553 m); - 8 forages avec réalisation de mesures sismiques entre forages (profondeur

cumulée de 600 m); - 500 m de traces sismiques en surface; - des essais de laboratoire sur environ 400 échantillons non remaniés et

remaniés: essais d'identification, de compressibilité, de cisaillement, de perméabilité, d'aptitude au compactage,…;

- des essais de pompage sur site avec des relevés dans 42 piézomètres. Les résultats de ces essais ont permis de caractériser l'ensemble du site sur le

plan géologique, hydrogéologique et géotechnique (Funcken et Welter, 1997, 2002). Les principales informations déduites des essais de pompage et des mesures piézométriques réalisées à ce jour sont décrites ci-après.

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1.2. Contexte hydrogéologique

Une coupe géologique transversale des terrains au droit de l'ouvrage est

présentée sur la figure 1. Les différentes entités hydrogéologiques sont reprises au tableau I.

Figure 1. Coupe transversale au droit de l’ascenseur.

TABLEAU I

Entité hydrogéologique Description géologique Cote à la base

Imperméable supérieur Quaternaire Tertiaire Secondaire

Limon sableux, argile et marne

+ 77

Aquifère supérieur albien Sable fin argileux à bancs indurés

+ 44

Imperméable moyen

ALBIEN Secondaire

Argile + 40

Aquifère wealdien sup. Sable moyen blanc + 29

Lentille sablo-argileuse intermédiaire

Argile sableuse noire + 25

Aquifère wealdien inf. Sable mi-fin ligniteux + 7

Imperméable inférieur

WEALDIEN Secondaire

Argile - 11

Socle HOUILLER Primaire

Schiste et grès altérés

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Les niveaux d'eau relevés, durant la période des études, dans 17 forages équipés d'un tube piézométrique ouvert ont permis d'observer la présence de deux nappes :

- une nappe libre dans l'aquifère supérieur albien : niveau + 66; - une nappe captive dans l'aquifère wealdien : niveau + 68. Les relevés piézométriques réalisés mensuellement durant plusieurs années dans

l'Albien et dans le Wealdien ont témoigné d'une alimentation retardée des aquifères oblitérant les variations saisonnières des niveaux d'eau. Les essais de perméabilité type Lefranc réalisés sur site et essais à l'oedomètre réalisés en laboratoire ont conduit à des valeurs du coefficient de perméabilité fort différentes. Une campagne d’essais de pompage a été réalisée en 1980 et 1981 sous la conduite du Service Géologique de Belgique.

1.3. Réalisation, résultats et interprétations des essais de pompage

Des essais de pompage par paliers à débit constant de 3 à 4 jours ont été réalisés

afin de tester chaque aquifère séparément et mesurer l'influence des rabattements dans les aquifères voisins. Le dernier palier a été maintenu pendant 15 jours environ. Les ouvrages nécessaires à la réalisation de ces essais de pompage et les débits maxima enregistrés sont indiqués au tableau II.

TABLEAU II

Ouvrages complémentaires

Phase de pompage aquifère épaisseur (m)

Puits Piézomètres

Débit maximum

(m³/h)

Nappe de l’Albien (22 m) 2 18 8,5

Nappe du Wealdien supérieur (11 m) 2 135,3

Nappe du Wealdien inférieur (18 m) 1 24

131,4

Dans la nappe de l’Albien, les mesures réalisées ont révélé une transmissivité T

assez faible et des cônes de rabattement très pointus : les résultats des essais de pompage sont synthétisés dans le tableau III.

TABLEAU III

Puits en service Débit (m³/h) T (m²/s) K (m/s) Débit max 8,4 6,6 10-4 3,0 10-5 Albien.

Puits amont Phase remontée 10 10-4 4,5 10-5 Débit max 135,3 3,7 10-3 3,4 10-4 Wealdien sup.

Puits amont Phase remontée 9,4 10-3 8,5 10-4 Débit max 131,4 2,3 10-3 1,3 10-4 Wealdien inf.

Puits amont Phase remontée 9,7 10-3 5,4 10-4 La méthode de Bruggeman (Kruseman et De Ridder, 1970) (aquifère bicouche

avec pompages dans chaque partie de l'aquifère) a été utilisée pour l’interprétation des essais de pompage dans les aquifères du Wealdien et pour déterminer des valeurs de perméabilité corrigées : K (Wsup) = 1,77 10-4 m/s et K (Winf) = 0,72 10-4 m/s. La perméabilité fictive pour les deux aquifères vaut : K (Wf) = 1,12 10-4 m/s.

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1.4. Déductions des essais Outre la mise en évidence de facteurs spécifiques aux aquifères, les essais de

pompage ont permis d'établir un modèle hydrogéologique de terrain qui a servi à définir, localiser et dimensionner les moyens de rabattement à mettre en œuvre durant les différentes phases de terrassement et de construction de l'ascenseur.

Les techniques de rabattement suivantes ont été choisies (voir figure 1) : - des fossés périphériques placés en phase avec les travaux d'excavation ont

asséché progressivement les talus; - deux ceintures de puits équipés de pompes immergées ont été installées en

fonction de l'avancement des travaux avec pompages simultanés dans les aquifères wealdiens supérieur et inférieur ; le débit total de pompage, en cours des travaux, a été estimé par modélisation à 1000 m³/h ;

- pour favoriser le rabattement de la nappe de l’Albien durant les travaux et écarter la surface piézométrique de la surface du talus, une ceinture de 80 puits de sable d'un diamètre de 1,25 m a été installée autour de la fouille, à partir du niveau + 62; ces puits de sable assurent une communication hydraulique entre les deux nappes ; ils sont tous équipés de tubes de contrôle permettant de suivre l'évolution des niveaux piézométriques ;

- une ceinture de 17 puits de 20 à 30 m de profondeur est située au niveau + 48; elle est destinée, en phase de fonctionnement, à collecter les eaux des aquifères wealdiens et à éviter des mises en pression sous l’ouvrage.

1.5. Contrôle des pompages et suivi piézométrique

L'évolution du débit total de pompage est présentée à la figure 2.

Figure 2. Evolution du débit de pompage.

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L'évolution du volume annuel pompé est présentée à la figure 3. Le volume total pompé entre 1983 et 1998 a été de 36*106 m³.

Figure 3. Volume annuel pompé.

L'évolution d’un profil piézométrique « type » est présentée à la figure 4. On

visualise bien 4 phases distinctes : pompage de 1983 à 1985, la phase « stabilisée durant travaux » de 1985 à 1999, la phase de remontée de 1999 à 2003 et la phase stabilisée actuelle au-delà de 2003.

Figure 4. Evolution du niveau piézométrique au tube TPWs 2.

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1.6. Arrêt des pompages, phase de remontée et phase stabilisée Les pompages ont été arrêtés fin 1998, en suivant attentivement les réactions de

l’aquifère afin d’éviter des mises en pression sous l’ouvrage. L'évolution des profils piézométriques en phase de remontée est présentée à la figure 5 pour les 6 puits de pompage. La figure 6 montre la remontée en graphique semi-logarithmique. On y distingue 4 valeurs différentes de transmissivité.

Figure 5. Remontée piézométrique dans les puits de pompages.

Figure 6. Remontée piézométrique dans PP1.

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Il aura fallu 4 années de 1998 à 2003 pour atteindre un niveau stabilisé. Le débit collecté par les puits artésiens est contrôlé de manière continue. Le débit total, de 55 m³/h, est de 20 fois inférieur aux 1000 m³/h prévus par la modélisation. Cette différence est liée à trois facteurs principaux :

- les pompages d’exhaure en phase chantier ont épuisé l’aquifère ; - les essais de pompage (plusieurs mois) n’étaient pas assez longs pour

atteindre un régime réellement stabilisé ; - une méconnaissance des conditions aux limites des aquifères lors de la

modélisation hydrogéologique.

1.7. Les puits de sable Les puits de sable ont été réalisés fin 1985 par forage à la tarière et remblayage

par déversement gravitaire de sable de carrière. Sa granulométrie a été adaptée pour empêcher l’entraînement des particules du terrain incombant. Un dispositif de contrôle et de régénération a été installé. Suite à un ensablement de certains puits, une opération de régénération a été réalisée par chasse d’air sous pression fin 2004. En octobre 2006, des affouillements plurimétriques sont survenus au sommet de certains puits. Des essais de pénétration statique ont été réalisés au droit de chaque puits montrant la présence de zones de résistance « nulle », des trous sur plusieurs mètres avec perte de tubes et des zones très déconsolidées. Diverses investigations complémentaires n’ont pas donné de nouvelle information (radar, vidéo, courantométrie, …). Par contre, la réalisation d’essais de laboratoire sur des échantillons prélevés par forages a démontré la présence de sable d’origine calcaire dans les puits ayant été l’objet d’un affouillement. Des mesures de pH, réalisées dans les piézomètres, ont montré l’existence d’un pH acide (6,3 à 6,5).

Les affouillements sont dus à la dissolution de la matière mise en place dans les puits de sable au fil du temps. La régénération des piézomètres a eu un effet de pistonnage dans le matériau, déstabilisant et réorganisant les grains tenant entre eux par effet de pont, suite à une diminution de volume liée à la dissolution.

2. Fuites au pont canal du Sart Trois kilomètres à l’est de l’ascenseur à bateaux de Strépy, un important carrefour

routier et une vallée ont été franchis par un ouvrage en béton précontraint d’une longueur de 498 m et de 46 m de largeur. Lors de la mise sous eau de cet ouvrage une série de fuites se sont produites à la jonction avec une section du canal réalisée antérieurement. Il est apparu que ces fuites étaient en liaison avec le dispositif de drainage situé sous le canal. Des dispositifs de mesure ont été installés pour contrôler les débits de fuite et les montées d’eau dans les remblais. L’analyse conjointe des débits de fuite, de la température et de la piézométrie dans les remblais a mis en évidence plusieurs phénomènes :

- colmatage du massif drainant par précipitation de la chaux inclue dans les remblais stabilisés, et dissoute par les eaux y percolant,

- bonne corrélation entre les débits de fuite et la température liée à la modification du coefficient de perméabilité (Marsily, 1986),

- influence du temps de transfert de percolation dans le corroie d’étanchéité, - diminution progressive du débit de fuite au cours du temps.

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La figure 7 montre les courbes des variations des débits et de température.

Figure 7. Evolution des débits et de la température. 3. Conclusions

Les divers problèmes rencontrés sur le site témoignent de l’importance de la

qualité des campagnes de reconnaissance et de la difficulté de prendre en considération certains paramètres dans des contextes hydrogéologiques complexes ainsi que dans la prévision à long terme des variations hydrogéologiques des nappes phréatiques.

En effet, des phénomènes annexes peuvent également générer des perturbations pouvant déboucher sur des problèmes importants de dissolution et de colmatage, tel est entre autre le cas lors du recours à la stabilisation des sols à la chaux.

L’importance du suivi piézométrique et géotechnique est clairement démontrée et constitue un élément primordial dans la bonne compréhension des phénomènes évolutifs.

4. Références bibliographiques

Marsily G. de (1986) Quantitative Hydrogeology, Academic Press, ISBN 0-12-208916-2. Funcken L., Welter Ph. (1997) La géologie de l’ingénieur et l’eau dans le sous-sol. Les essais de

pompage : Méthodes d’exécution et d’interprétation dans des contextes hydrogéologiques particuliers. Colloque National BCIG CBGI, 18-20/11/1997.

Funcken L., Welter Ph. (2002) L’ascenseur à bateaux de Strépy-Thieu, Les cahiers du MET, collection Techniques, n°20.

Kruseman G.P., De Ridder N.A. (1970) Interpretation and discussion of pumping test. Bull.N° 11/F, Int. Inst. Land Reclamation Improvement, Wageningen, Holland.

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