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BRGM L'INTMMfSt AU SIIVICI Of LA M R U

D.R.I.R.E. D ' A L S A C E

Dimensionnement de bassins de décantation d'eaux de lavage de matériaux de gravières

Janvier 1992

M.P . KEIME

R 34362 ALS 4S92

B R G M - ALSACE (SGAL) 204, rout« d« 5chirm«ck - 67200 Strasbourg, Frone« Tél.: (33} 68.30.12.62 - Télécopieur : (33} 88.23.79.09

DRIRE ALSACE

Dimensionnement de bassins de décantation d'eaux de lavage de matériaux de gravières

R 34362 A L S 4S92 Janvier 1992

R E S U M E

Qu'ils soient solides ou liquides, les rejets industriels constituent une nuisance pour notre environnement. Leur réduction est un des efforts à entreprendre pour améliorer notre cadre de vie. Dans les industries extractives, les rejets sont principalement de nature minérale et sont, de ce fait, moins nocifs que dans d'autres industries.

Les rejets liquides, principalement les eaux de lavage, sont pour le m o m e n t en grande majorité rejetées dans le milieu naturel avec une épuration plus ou moins efficace.

Or, cette forme de pollution par les matières en suspension peut être facilement limitée par une décantation naturelle.

L'objet de ce rapport est de :

- définir le ou les formes de bassins de décantation les mieux adaptées en fonction des débits et concentrations afin d'assurer à la fois une bonne décantation et un curage aisé, sans risque d'enlisement d'engins,

- définir des analyses de suivi des rejets dans les plans d'eau ou dans le milieu récepteur.

Les principales recommandations qui suivent sont tirées de documents bibliographiques. Les exemples de bassins de décantation en Alsace sont trop peu nombreux pour en tirer des généralités. Nous adapterons cependant les éléments de conception au contexte alsacien.

Rapport réalisé par M . P . KE IME, Hydrogéologue

18 pages, 4 figures, 1 annexe, 3 tableaux

BRGM Alsace (SGAL) 204, route de Schirmeck - 67200 STRASBOURG

S O M M A I R E

Pages

1. Caractéristiques des ressources en granulats

et problématique d'extraction 1

1.1 Les gisements 1

1.2 Les extractions 1

1.3 Les conséquences du lavage 1

1.4 Le cadre réglementaire 3 2. Préliminaires à la conception des bassins de

décantation 4

2.1 Caractéristiques des eaux de lavage 4

2.2 Quelles solutions ? 5

2.3 Quelles performances ? 6

3. Conception des bassins de décantation 7

3.1 Principe de la décantation 7

3.2 Dimensionnement 7

3.2.1 Comment bien poser les problèmes ? 8

3.2.2 Exemples de conception 8

3.2.3 Efficacité des bassins 11

3.3 Forme des décanteurs 13

3.3.1 Forme générale 13

3.3.2' Profils des berges 14

3.3.3 Arrivée d'eau 14

3.3.4 Seuil 15

3.3.5 Aménagement facilitant le curage 15

4. Suivi de la qualité des rejets 16

Bibliographie 18

BRGM ALSACE - R 34362 ALS 4S92

U S T É D E S F I G U R E S

Figure 1 Granulométrie d'un profil type dans les alluvions de la plaine d'Alsace 2

Figure 2 Traitement des matériaux pollués - opérations réalisées 4

Figure 3 Formes de décanteur 14

Figure 4 Arrivée d'eau 15

A N N E X E

Dimensionnement des bassins de décantation

LISTE D E S T A B L E A U X

Tableau 1 Classification des matériels pour le traitement

par voie humide 5

Tableau 2 Résultats des analyses avant et après rejet 6

Tableau 3 Exemples de dimensionnement 10

BRCM ALSACE - R 34362 ALS 4S92

1. CARACTERISTIQUES D E S R E S S O U R C E S EN G R A N U L A T S ET P R O B L E M A T I Q U E D'EXTRACTION

1.1 Les gisements

En Alsace, les ressources en granulats sont très majoritairement représentées par les alluvions de la Plaine du Rhin. Ce sont des alluvions silico-calcaires constituées de galets calcaires, cristallins, métamorphiques et accompagnées d'une matrice fine sablo-argileuse. La puissance du gisement atteint en moyenne 80 mètres.

La teneur en éléments fins, qui nous préoccupent particulièrement dans cette étude, est très variable. Selon la profondeur des horizons exploités, la proportion des matériaux de taille inférieure à 2 m m peut varier de 10 à 8 0 % .

Le profil de la figure 1 donne un exemple représentatif de la variabilité verticale des matériaux. O n constate souvent un niveau plus argileux vers 20 m de profondeur, ainsi qu'une proportion de fines beaucoup plus grande à partir de 60 m .

L'extension horizontale des alluvions est homogène, si ce n'est le caractère plus grossier en amont de la Plaine (Haut-Rhin).

1 .2 Les extractions

Les extractions sont nombreuses et sont maintenant confrontées aux problèmes d'extension des surfaces exploitées (protection des espaces en plaine alluviale). Face à la demande continue en granulats, la tendance est d'exploiter plus profondément les gisements. La proportion des fines dans les graviers aura de ce fait tendance à augmenter. Il y a donc lieu de se préoccuper du rejet des eaux de lavage dans les milieux aquatiques.

1 .3 Les conséquences du lavage

D e façon à fournir des granulats "sains", non "pollués" par des fines, la grande majorité des exploitations de matériaux alluvionnaires est équipée d'installation de traitement par voie humide, aussi bien pour permettre le criblage que pour le lavage proprement dit.

L'utilisation d'eau implique donc :

- des prélèvements d'eaux naturelles (nappe, cours d'eau, plan d'eau),

- des rejets d'eaux chargées en matières en suspension majoritairement minérales.

BRCM ALSACE - R 34362 ALS 4S92 1

GRANULOMETRIE D'UN PROFIL TYPE DANS LES ALLUVIONS DE LA PLAINE D'ALSACE

10 20 30 ¿0 50 60 70 80 90 100 %

5.0 -

10.0

15.0 -

20.0-

25.0

30.0 -

35.0

¿0,0

¿5.0 -

50.0 H

55.0

60.0-

65,0-

Classes granulométriques

o o o

/ / / / .

V/A

Profondeur en metres

> 32 m m

16 - 32 m m

5 - 1 6 m m

2 - 5 m m

0.5 - 2 m m

0.25 - 0.5 m m

< 0.25 m m

T 1 1 1 : 1 1 r

100 % 90 80 70 60 50 ¿0 30 20 10 0

En Alsace, les prélèvements se font le plus souvent en nappe, tandis que les rejets rejoignent les gravières en eau. Les milieux aquatiques en plaine d'Alsace sont d'ailleurs très intimement liés les uns aux autres. Au centre Alsace, le toit de la nappe est peu fluctuant et superficiel (2 à 3 m de profondeur). La surface du plan d'eau d'une graviere correspond au toit de la nappe ; les cours d'eau alimentent ou drainent la nappe selon les situations hydrologiques. Tout ceci implique donc que l'on prête grande attention aux rejets des eaux de lavage des carrières en Alsace. En effet, l'apport massif des fines de décantation, certes naturelles, entraine des dégradations du milieu naturel :

- accumulation de matières décantées à l'aval du rejet,

- encombrement du lit de la rivière (si rejet en rivière),

- perturbation du fond du plan d'eau (végétations aquatiques),

- d o m m a g e s aux développements et à la vie piscicole,

- colmatage de fond et des berges de la graviere, entraînant une . modification des échanges gravières - nappe.

1.4 Le cadre réglementaire

C o m m e tout rejet provenant d'installations classées, le rejet des eaux de lavage est soumis à une autorisation préfectorale et doit être conforme :

- à la réglementation sur les installations classées, la concentration limite du rejet ne doit pas dépasser 30 mg/l de matières en suspension totale (MEST) suivant la circulaire du 6 juin 1953 relative aux rejets des installations classées,

- à la directive piscicole européenne qui fixe la valeur guide de 25 mg/l de M E S T en rivière, que ce soit pour les eaux salmonicoles (1ère catégorie) ou pour les eaux cyprinicoles (2ème catégorie),

- à la demande des agences de bassin (Agence de l'Eau Rhin -Meuse) qui fixe le seuil max imum de 30 mg/l de M E S T en rivière dans sa grille de qualité générale des cours d'eau, pour les qualités excellente et bonne.

Dans la majorité des cas, les eaux de lavage sont encore trop chargées en M E S T lorsqu'elles arrivent dans le milieu naturel. C e phénomène risque d'ailleurs de s'amplifier dans la mesure où les matériaux extraits seront dans l'avenir plus riches en éléments fins indésirables, du fait de l'approfondissement des gravières.

Dans le contexte de la plaine d'Alsace, les rejets en cours d'eau sont rares. C e sont les gravières qui sont les milieux récepteurs. Les contraintes de rejet en graviere sont moins fortes que celles liées aux rejets en rivière. Dans ce cas, les gravières peuvent devenir des bassins de décantation de finition.

BRGM ALSACE - R 34362 ALS 4S92 3

2. PRELIMINAIRES A LA CONCEPTION DES BASSINS DE DECANTATION

2.1 Caractéristiques des eaux de lavage

Le schéma de la figure 2 précise les trois étapes principales dans la chaîne de production des granuláis par voie humide.

Ire étape

2e étape

3e étape

Eau propre Matériaux + impuretés

V

Déboucbage — Brassage

Séparation des éléments grenus

Separation des éléments fins

Décantation

TJ

F I G U R E 2

Traitement des matériaux pollués - opérations réalisées

Ëgouttage

Ëpaississement

~ W Matériaux grenus

Matériaux fins

- ^ _ Boues (rejet)

Eau clarifiée

La première étape permet de mettre en suspension les éléments tins indésirables par apport d'eaux naturelles.

La deuxième étape sépare les matériaux grenus et fins dans le but de produire des matériaux propres répondant aux spécifications techniques du bâtiment.

La troisième étape est la décantation des eaux de lavage de façon à rendre les eaux rejetées plus claires et à faire décanter les fines particules.

C'est cette dernière étape qui nous préoccupe dans ce rapport.


Le tableau n°1 qui suit précise les différents matériels utilisés pour le traitement par voie humide. Les eaux de lavage sont diversement chargées. La concentration en M E S T à la sortie des installations varie de 3 à 100 g/l. La granulométrie des particules contenues dans les eaux de lavage dépend de la nature du gisement et du type de traitement (roues à aube et vis sans fin : 20 u. est le diamètre maximal des particules rejetées tandis qu'il est de 100 u. pour un hydrocyclone).

T A B L E A U I - Classification des matériels pour le traitement par vole humide

Première étape

— tubes débourbeurs. • rotatifs • vibrants

— auges laveuses vibrantes

— patouillets ou «logwasher»

— couloir d'attrition

— machine d'attrition

— crible laveur (xi)

— trommel laveur (x1)

— vis laveuses (x2)

— roues laveuses (x2)

Séparation des éléments grenus

crible (fig. 2)

trommel

x1 : appareils se retrouvant en 2 * étape pour l'opi x 2 : appareils se retrouvant en 2 * étape pour l'opi

Deuxième étape

Séparation des éléments fins

• roue à aubes

• vis d'Archimède

• hydroséparateur

• tamisage statique

• cyclones (fig. 3)

• hydrocyclones

• «turbiflux»

• -lavodune»

• classificateurs à courant de surface

Égouttage

• surtas

• trémie

• roue à aubes )

Troisième étape

Clarification

— bassin de décantation

— décanteur è raclette

(x2 • vis (

d'Archimède]

• essoreur vibrant

• essoreur filtrant rotatif

• table d'égouttage

èration Séparation (des éléments grer ¿ration Séparation (des éléments fins

— décanteur à lit de boue

lus)

Épaississement

— épaississement

• naturel

• artificiel

La nature des matériaux et le type d'exploitation conditionnent donc la charge et la granulométrie des particules contenues dans les eaux de lavage.

2 . 2 Quelles solutions ?

Pour réduire efficacement les M E S T des rejets des eaux de lavage de carrière en milieu naturel, diverses alternatives peuvent être comparées pour chacun des cas se posant :

- la décantation naturelle par gravité dans un bassin de décantation est une des solutions les plus simples. Le bassin peut être spécialement conçu à cet effet et creusé dans les alluvions ; il peut également être individualisé dans d'anciennes zones d'extraction, voisines des gravières en eau,

- dans certains cas, des tests de décantation montreront que l'utilisation de floculant est nécessaire pour permettre un bon abattement des M E S T . Cet aspect n'est pas particulièrement traité ici. Les principes restent identiques, mais les calculs sont différents,


- dans d'autres cas, il est possible de concevoir des bassins (type bassins d'infiltration) mis hors d'eau (au-dessus du niveau de la nappe) qui recevront les eaux de lavage, et restitueront progressivement l'eau excédentaire à la nappe par le biais du processus d'infiltration. Pour éviter le colmatage des berges, un curage régulier est nécessaire. Le dimensionnement est à calculer précisément en fonction du débit et de la perméabilité du sous-sol. Une valorisation des boues ou un stockage pour utilisation ultérieure sont à prévoir.

Dans tous les cas, les solutions à retenir dépendent du contexte local, des opportunités, des perspectives de réaménagement et de la place disponible. Si les rejets se font en cours d'eau, les contraintes d'efficacité de décantation sont plus fortes qu'en cas de rejet en graviere, et pas conséquent, il faudra prévoir un procédé performant.

Dans cette étude, nous nous limiterons à examiner les ouvrages bassin de décantation naturelle, sans floculant. Nous n'aborderons pas d'autres conceptions de décanteurs tels que décanteurs à raclette, à lit de boues, des ouvrages circulaires utilisant la force centrifuge' ou des décanteurs lamellaires plus complexes et difficiles à mettre en oeuvre dans une graviere.

2 . 3 Quelles performances ?

U n e étude menée en 1976 par le laboratoire régional des Ponts et Chaussées de Clermont-Ferrand et traitant de l'optimisation des méthodes de lavage et de décantation dans les exploitations de roches massives et de matériaux alluvionnaires, montre le rôle que peuvent jouer des bassins de décantation et l'usage de floculants sur 8 installations.

Le tableau n° 2 qui suit précise les résultats ; il apparaît que :

- les ouvrages sous-dimensionnés perdent considérablement de leur efficacité (n° 8),

- lorsque la teneur en M E S T des eaux brutes est élevée, l'eau rejetée après décantation sera encore chargée (n° 5),

- l'absence d'entretien des bassins rend l'ouvrage presque inefficace.

T A B L E A U II - Résultats des analyses avant et après rejet

Carrière

1 - Granite 2 - Gneiss 3-Quartzite 4 - Calcaire 5 - Graves siliceuses 6 - Graves siliceuses

7 - Graves silico-calcaires 8 - Graves calcaires

Utilisation de

floculant

acide basique

neutre

neutre

Amont

MES

16 2

12 •23

3 ' 9,3

4 3

pH

7 7,7 8 8,3 7,1 7,6

8,3 7,9

Après installations avant bassin M E S . (mg/l)

18 000 10 000

2 700 4 700

85 000 11 420

19 000 5 600

(avant dácanteur) 11 (après dácanteur)

Surface bassin (m2)

310 300

12 40

500 350

(10 000 colmatés)

374 48

Rejet

MES

40 220 623 337 658 767

25 44

pH

4,3 11 8,2 8,4 7.1 7.1

7.7 7.8

Débit (m3/h)

42 95 15,2 47 20 68

41 7.8


La conception des bassins est variable selon les installations :

- un seul bassin (n° 3 et n° 8), - plusieurs bassins en série (n° 1, 2, 5, 6 et 7), - deux bassins en parallèle (n° 4).

Dans la plupart des cas, il y a de réelles difficultés à respecter les normes de rejets dans un milieu récepteur naturel.

3. CONCEPTION DES BASSINS DE SEDIMENTATION

3.1 Principe de la décantation

L'état actuel des connaissances oblige à simplifier les phénomènes de décantation par des raisonnements physiques. Le schéma et les relations qui suivent sont établis avec les hypothèses suivantes :

- la vitesse du fluide est constante dans le bassin (on fait abstraction de l'effet du jet entrant dans le bassin) et unidirectionnelle (il y a cependant des zones de recirculation),

- une particule déposée n'est pas remise en circulation (on fait abstraction du rôle de la macroturbulence de l'eau chargée),

- la vitesse de chute est constante et prise égale à la vitesse de sédimentation obtenue en eau stagnante. En fait, la vitesse de chute réelle est toujours inférieure à la vitesse de sédimentation calculée. Le pouvoir de transport du fluide est augmenté par les courants de recirculation et les macroturbulences. Plus la concentration en particules est élevée, plus la sédimentation est difficile.

La confrontation de différentes formules ou concepts n'aboutit pas toujours aux m ê m e s résultats, notamment du fait de facteurs correctifs obtenus empiriquement. La plupart des dimensionnements repose sur la loi de Stokes donnant la vitesse de sédimentation des particules sphériques en eau stagnante à 10°C.

3 . 2 D i m e n s i o n n e m e n t

Nous proposons ci-après une approche du dimensionnement des bassins de décantation, à partir de différents exemples de la bibliographie.


3.2.1 C o m m e n t bien poser les problèmes ?

La conception d'un bassin de sédimentation passe par une bonne connaissance des caractéristiques des eaux de lavage :

- débit moyen à la sortie des installations (Q : m 3 / s ) , - durée des activités journalières et hebdomadaires, - concentration moyenne des eaux de lavage en M E S (c : g/l), - granulomere des fines contenues dans les eaux de lavage, - vitesse de sédimentation suite à un test de décantation.

Il faut ensuite se fixer une stratégie de décantation :

- bassin de décantation naturelle se déversant dans une graviere,

- utilisation de floculant et bassin de décantation avant rejet en graviere,

- bassin d'infiltration mis hors d'eau,

- curage régulier du bassin et réutilisation pour valorisation ou stockage sur le site en vue du réaménagement,

- pas de curage, comblement du bassin en vue du réaménagement : abandon et recherche de nouveaux sites de décantation successifs.

Il est ensuite nécessaire d'établir des objectifs clairs quant à la concentration souhaitée à la sortie des décanteurs et avant rejet au milieu naturel. Celle-ci dépend de la stratégie retenue et du type de milieu dans lequel on rejette les eaux décantées.

D e ce premier objectif, on détermine la taille minimale de la particule qui devra décanter.

3.2.2 Exemples de conception

Les calculs qui suivent sont donnés à titre d'exemple et reposent sur les hypothèses suivantes :

- bassin de sédimentation naturelle sans floculant et se déversant dans une graviere. La forme classiquement retenue est un rectangle régulier (L : longueur, I : largeur, h : hauteur),

- largeur du bassin égale à quatre fois sa hauteur (principe c o m m u n é m e n t admis),

- très faible vitesse horizontale dans le bassin.

Il existe en fait deux approches de dimensionnement. La première à partir des tests de sédimentation qui donnent la masse ou le volume décanté en un temps donné. Il suffira alors de connaître le temps de


séjour nécessaire pour faire décanter une certaine masse ou un certain volume de particules permettant d'atteindre les objectifs de rejets.

La deuxième approche se base sur des théories de la sédimentation développées par Stokes, Newton, Hazen et Kalbskopf. O n détermine en fait, en fonction de la température et de la taille de la particule, la vitesse de la chute de la particule dans l'eau. Connaissant le débit de l'installation et la vitesse horizontale dans le bassin, on détermine la hauteur utile du bassin ; on en déduit la largeur. La longueur est déterminée en fonction du diamètre de la particule que l'on veut voir décanter. D e s coefficients correcteurs obtenus de façon empirique majorent le dimensionnement de façon à tenir compte des turbulences et des reprises de sédiments par l'eau.

Le détail des calculs et les tables de valeurs de base sont donnés en annexe.

Le tableau n° 3 qui suit donne plusieurs dimensionnements obtenus en faisant varier différents paramètres d'entrée :

- le débit des installations : 50 m 3 / h , 200 m 3 / h , 400 m 3 / h , - le diamètre minimal des particules à décanter : 10 et 20 u m , - la vitesse horizontale dans le bassin : 0,1 et 0,05 c m / s .


Tableau n° 3 : Exemples de dimensionnement

(cf. annexe)

Débit (m3/h)

Diamètre (10-6 m ) Vitesse de sédimentation (cm/s)

Vh (cm/s)

M/Lu. (m) Ï4 Vh

L = Vtixh (m)

Vs

l(m)

correction de Hazen

h

I

t/to = 2,2 -> Le

Volume (m3)

Surface (m2)

type de situation

50

20 0,028

0.1

1,9

7

7.6

2

8 17

270 140 A

0.05

2.6

4.6

10.4

3

10 10

300 100

B

10 0,007

0,1

1.9

27

7,6

2

8 60 960 480

C

0,05

2,6

18.6

10.4

3

10 41

1230 410

D

200

20 0,028

0.1

3.7

13.2

14,8

4

15 29

1740 435

E

0,05

5.3

9.4

21,5

5

21 21

2205 441

F

10 0,007

0,1

3,7

53,2

14,8

4

15 117

7020 1755

G

0,05

5,3

37,8

21,5

5

21

83 8715 1743

H

400

20 0,028

0.1

5.3

18.8

21,5

5

21 41

4305 861

I

0.05

7,45

13,3

30

7

30

29

6090

870

J

10 0,007

0,1

5.3

75.7

21,5

5

21 166

17430 3486

K

0,05

7.4

52,8

29.6

7

30

116

24360

3480 L

50

5 1,7 10-4

0,01

6

353

24

6

24 775

111830 18640

M

3.2.3 Efficacité des bassins

A travers ces exemples, il est possible de montrer l'intérêt de bien connaître la charge et la granulométrie des eaux de lavage :

soit :

ce = 10 g/1 concentration entrée es concentration sortie Q = 50 m 3 / h débit entrée

4>e = 500 kg/h flux massique entrée

les fines sont composées de :

60 % par des particules supérieures à 20 u, 30 % par des particules comprises entre 10 et 20 u, 10 % par des particules inférieures à 10 u.

(dont 10 % des particules inférieures à 5 u.)

Solution A

Q = 50 m 3 / h d = 2 0 n Vh = 0,1 m/s

O e = 500 kg/h C e = 10g/I

h = 2m t O s = 260 kg/h Cs = 5,2 g/l

_l̂ 4=8m

L = 1 7 m

!

dépôt de 80 % des particules supérieures à 20 |i 240 kg/h

soit : 0,16 m 3 / h entraînant 0,12 cm de dépôt/h ou 5 cm par semaine


Solution C

Q = 50 m3/h d = 10|i V h = 0,1 m/s

<Ds = 140 kg/h Cs = 2,8 g/l

L = 60m

I dépôt de 80 % des particules supérieures à 10 u,

360 kg/h soit : 0,24 m 3 / h entraînant 0,05 cm de dépôt/h ou 2 c m par semaine

Autre solution

Q = 50 m 3 / h d = 10 M-

V h = 0,1 m/s Objectif = 90 %

<De, Ce

h = 2m

<Ds = 65 kg/h Cs = 1,3g/I

L = 87m

\

dépôt de 100 % des particules supérieures à 20 u. (= 300 kg/h) dépôt de 90 % des particules comprises entre 10 et 20 u. (135 kg/h)

435 kg/h soit : 0,29 m 3 / h entraînant 0,04 cm de dépôt/h ou 1 c m par semaine

BRCM ALSACE • R 34362 ALS 4S92 12

Autre solution cherchant à piéger de plus fines particules

Q = 50 m 3 / h d = 5u. Vh = 0,01 m/s Objectif = 80 %

O e = 500 kg/h Ce = 10g/I

h = 6m t O s = 61 kg/h Cs = 1,2 g/l

24 m

L = 700 m

\

dépôt de 80 % des particules comprises entre 5 et 10 u. (= 4 kg/h) dépôt de 90 % des particules comprises entre 10 et 20 u, (135 kg/h)

dépôt de 100 % des particules supérieures à 20 ji (300 kg/h) 439 kg/h

soit : 0,29 m 3 /h entraînant 0,002 cm de dépôt/h ou 0,08 c m par semaine

R e m a r q u e :

Ces exemples montrent l'influence de la longueur sur l'efficacité du bassin. Les particules très fines (inférieures à 10 u.) sont vraiment très difficiles à décanter ; m ê m e si on augmente immodérément la longueur, l'efficacité n'est pas proportionnelle.

3.3 Forme des décanteurs

3.3.1 Forme générale

Le principe du bassin est de créer un volume d'eau homogène, calme avec une vitesse horizontale faible et homogène de façon à obtenir un dépôt régulier de particules. En effet, si on créé des zones de dépôts préférentiels, on créé aussi un courant préférentiel (la section diminue et la vitesse augmente) et on diminue l'efficacité du bassin. Aussi, la forme rectangle classique et régulière semble finalement bien adaptée, et de plus elle facilite le curage, du fait de formes régulières. C o m m e le montrent les schémas suivants, les sinuosités créent des zones de dépôt et le courant n'est plus laminaire.


* dépôt h o m o g è n e * zone de dépôt préférentiel * curage facile * curage moins aisé

Fig. 3 : formes de décanteur

3.3.2 Profils des berges

Les berges doivent être stables vis-à-vis de l'érosion et dans le cas de curage, facile à racler par une pelle.

Les parois verticales devront être maçonnées et réservées à l'arrivée du bassin.

Les parois inclinées avec une pente de 50 % environ sont préférables sur le terrain naturel. Elles concilient stabilité et facilités de curage.

3.3.3 Arrivée d'eau

Pour limiter les turbulences, la reprise des sédiments, le jet d'entrée doit être brisé par réduction de la vitesse ou par tranquillisation du volume d'eau.

Si la paroi d'entrée est inclinée, un couloir m a ç o n n é arrivant latéralement sur la pente pourra casser le flux et réduire les turbulences induites.

Si la paroi est verticale et maçonnée, le jet pourra être envoyé directement de face au-dessus de la surface. O n pourra créer une fosse plus profonde à l'arrivée dans le double rôle de tranquilliser le milieu et de recueillir les éléments les plus grossiers dès l'entrée dans le bassin.


jet envoyé de face

figure 4 : arrivée d'eau (vue en coupe)

3.3.4 Seuil

Le "seuil" représente ¡ci le point de séparation entre le bassin et le milieu récepteur (ou la graviere dans le cas alsacien). Plusieurs hypothèses peuvent se présenter. En général, le seuil est au-dessus ou au m ê m e niveau que le niveau supérieur de la graviere.

* soit le seuil est fixe et ne permet pas de vidanger le bassin. Dans ce cas, s'il y a volonté de curage, il faudra prévoir une non-utilisation prolongée (bassin de substitution à concevoir).

* soit il est mobile et il est possible d'atteindre le niveau supérieur de la graviere. Selon l'état de comblement du bassin, on procédera directement au curage.

Pomper l'eau claire contenue dans ces bassins nous semble illusoire compte tenu de la perméabilité du sous-sol.

3.3.5 Aménagement facilitant le curage

Si l'option de curage du bassin est retenue, plusieurs aménagements sont à prévoir :

- concevoir des plateformes d'accès pour la pelle mécanique, au-dessus des berges ; un terrain bien "portant" peut suffire,


- limiter la largeur du bassin à deux fois la longueur du bras de la pelle ou prévoir l'accès du fond du bassin par la pelle,

- prévoir des parois inclinées en terrain naturel, et des parois maçonnées si elles sont verticales,

- prévoir un bassin de substitution ou un pré-bassin de décantation, au moins le temps du curage,

- prévoir une destination des boues et envisager une filière de transport, stockage, égouttage ou épaississement avant valorisation ultérieure.

En conclusion, l'optimisation de la décantation passe par :

- le choix d'une option entre curage ou non curage ; dans le cas de non curage, les volumes de bassin devront être importants, de façon à tenir compte du comblement. Il faut prévoir ensuite des bassins de substitution ; cette option s'envisage dans le cas d'une disponibilité de surface et en vue du réaménagement et comblement des gravières,

- la définition de l'objectif de décantation : la graviere ne nécessite pas toujours une m ê m e qualité de rejet que le cours d'eau,

- le choix du principe de bassin de décantation ou de bassin d'infiltration.

4. SUIVI DE LA QUALITE DES REJETS

* U n rejet en cours d'eau, situation rare en Alsace, devra être soumis à un suivi dont la fréquence et les types d'éléments à analyser seront définis par la Police des Eaux concenée. A priori, on peut envisager trois prélèvements : •

- amont du rejet, - aval du rejet, - rejet après bassin et avant cours d'eau.

Les matières en suspension (éventuellement la turbidité) et le p H sont nécessaires. Les hydrocarbures peuvent être analysés avec une moindre fréquence.

* Lorsque le rejet a lieu en graviere, situation la plus courante en Alsace, on pourra chercher à mesurer l'efficacité des bassins. Pour ce faire, on pourra chaque fois exécuter deux prélèvements :

- amont du bassin de décantation (eaux de lavage brutes), - aval du bassin de décantation (entrée de la graviere).

BRGM ALSACE • R 34362 ALS 4S92 16

O n mesurera le p H et les matières en suspension totale. La recherche d'hydrocarbures pourra être faite une fois par an, ou plus s'il y a présomption de pollution.

* Les conditions de prélèvements (localisation, m o m e n t de la journée) devront être identiques pour tout le suivi.

* Le suivi permet notamment d'ajuster la fréquence de curage (qui peut être pressentie par les calculs à priori). Lorsque l'efficacité du bassin baisse et atteint un niveau critique, soit le curage est programmé, soit le bassin est abandonné et substitué par un autre bassin.


B I B L I O G R A P H I E UTILISEE

* B O U R A L Y J.C. - 1973 - La clarification des eaux de lavage chargées de matières minérales - Equipement mécanique -Carrières et matériaux n° 122.

* C E M A G R E F - 1986 - Maîtreise du ruisselement et de l'érosion en vignoble de coteaux - Guide à l'usage des aménageurs.

* C O N D O L I O S E. - 1973 - Un nouveau procédé pour la clarification des eaux industrielles chargées de matières minérales - Industrie minérale - Janvier 1973 - pages 3 à 15.

* C O N D O L I O S E. - 1978 - La clarification des eaux - le compactage et le stockage des boues dans les industries extractives et minières -Industrie minérale - Octobre 1973 pages 77 à 90.

* D E G R E M O N T - 1989 - Memento technique de l'eau 1460 p.

Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées de Clermont-Ferrand - 1979 - Optimisation des méthodes de lavage et décantation dans les exploitations de roches massives et de matériaux alluvionnaires -Polycopié de la taxe parafiscale sur les granulats - Référence 2.EG.9.

* Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées de Clermont-Ferrand - 1986 - Utilisation des boues de lavage dans le réaménagement des carrières - Taxe parafiscale sur les granulats - Référence 41.EG.98.

* L E C E R F Alain - Travail de fin d'études - Ecole des travaux publics de l'Etat - 1983 - Les boues de lavage des carrières - Etude générale et propositions de valorisation.

* M ISHELLANY A . - 1981 - Pollution des rivières par le lavage des matériaux en carrière - Bulletin de liaison des Laboratoires des Ponts et Chaussées n° 122, pages 83 à 89.

Service Technique de l'Urbanisme, quelques ouvrages annexes aux réseaux d'assainissement : déversoirs d'orage, chambres de désablement, siphons.


ANNEXE

DIMENSIONNEMENT DES BASSINS DE DÉCANTATION

A) Calcul de la vitesse de sédimentation Vs d'une particule de diamètre d, dans un fluide, au calme (Loi de Stokes et de Newton)

Vs = (pp-ye g d2

18p.

avec : cpp : poids spécifique de la particule : le sable a un poids spécifique de 2,65 g / c m 3

9e : poids spécifique de l'eau z 1 g / c m 3 à 10°C g : accélération terrestre = 9,81 m / s 2

u. : coefficient de viscosité dynamique = 0,0113 (à 10°C)

Les tableaux et les figures suivants donnent :

les variations des paramètres u. et cpe en fonction de la température (tableau n° 1)

Tableau n° 1 : Variations de u. et cpe en fonction de la température

Température

(°C)

0 5 10' 15 20 25 30

u. Viscosité dynamique(poises)

0,0179

0,0153

0,0131

0,0114

0,0101

0,0090

0,0080

cpe poids spécifique (g/cm3)

0,9998

1 0,9997

0,9992

0,9983

0,9971

0,9958

les vitesses de chute d'une particule de diamètre d (tableau n° 2)


Tableau n° 2 : Variations de la vitesse de chute en fonction du diamètre (selon Stokes et Newton)

Diamètre d

Ûi)

2000 1500 1000 800 600 500 400 300 250 200 180 160 140 120 100 80 60 50 40 20 10

(cm)

0,2 0,15

0,1 0,08 0,06 0,05 0,04 0,03 0,025 0,02 0,018 0,016 0,014 0,012 0,01 0,008 0,006 0,005 0,004 0,002 0,001

Vitesse de chute à 10°C(cm/s)

28,15 22,8 16,4 13,4 9,75 8,05 6,20 4,05 3,10 2,27 1,85 1,51 1,20 1,00 0,67 0,44 0,25 0,18 0,00

0,028 0,007

Vitesse de chute à 20°C(cm/s)

29,20 23,90 17,50 14,60 10,95

9 7 5

3,75 2,65 2,17 1,76 1,43 1,10 0,80 0,58 0,32 0,23 0,14

0,036 0,009

Les valeurs pour les sables fins (< 200 u.) sont issues de la Loi de Stokes tandis que celles des sables grossiers (> 200 u.) sont données par la Loi de Newton. Les figures suivantes montrent l'évolution de la vitesse de chute en fonction du diamètre de la particule.

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—

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-•

l

/

1 4

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1 1

z r*

1 1

/

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1

cm/s * "• 1

i 1

1

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rzz: Í-v

(

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M*4m(C(*c -*+++tM***

d m t i'tiw ou««

C e dernier tableau diffère des valeurs sur lesquelles se base Kalbskopf

Tableau n° 3 : Vitesse de chute des grains de sable en eau stagnante à 10°C

Diamètre d (cm)

0,0125 0,016 0,02 0,025

0,0315

Vitesse de sédimentation du sable en eau stagnante

(cm/s)

0,86 1,35 1,9

2,55 3,50

B) Calcul de la hauteur du bassin h

Le schéma du bassin de décantation est le suivant

Q

Pour qu'une particule ayant une vitesse de chute Vs, prise dans un fluide animé d'une vitesse constante Vh horizontale et située à une hauteur h puisse se déposer, il faut que la longueur L soit telle que :

L = V h x h Vs

O n a posé h = 1 xl 4

O n a également :

* L x l x h = Q x t o avec to temps de décantation de la particule de diamètre d, dans un fluide stagnant à 10°C, dans un volume d'eau

* Vs = h to


D e ces diverses équations, on tire h hauteur utile (m) :

h =\ / î

O n voit que la hauteur du bassin est indépendante de la taille de la particule. D e faibles vitesses horizontales engendreront une plus grande profondeur, de m ê m e que de forts débits.

Pour le dimensionnement, on tiendra compte du comblement du fond et l'on surdimensionnera la hauteur du bassin. O n veillera également à curer le bassin avant d'atteindre la hauteur critique qui entraînera une augmentation de la vitesse horizontale et par conséquent une mauvaise décantation.

C ) Calcul de la largeur

La largeur représente environ 4 fois la hauteur :

1 = 4 h

D ) Calcul de la longueur

La longueur du bassin est très strictement liée à la taille de la particule. Des objectifs ambitieux (faire décanter naturellement de très fines particules) engendreront de très grandes longueurs.

Des équations précédentes, on déduit :

L = hVh Vs

avec L : longueur théorique du bassin

E) Facteurs de correction

En fait, le temps réel (t) que met une particule pour sédimenter sur une hauteur h et sur une longueur L est différent du temps théorique to. Hazen montre que ce rapport t/to varie avec la proportion des particules sédimentées (objectif de départ) et selon les types de bassins (niveau de performance lié au degré de tranquillisation). Par exemple avec 80 % d'objectif et un bassin à bonne performance, on a t/to égal à 2,2.


Ceci correspond à une correction de la longueur qui est donc multipliée par 2,2 pour répondre à l'objectif de décantation (cf. figure ci-dessous).

Figure 3

* •

M

4*0 S

*

! » *

i

1

h

/

/

h 7/ ///

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Y/. /

á 7 ^

^ T \

ho»v«

' I 'M

' * M * ' 0 " " | M * « • î n.l

'*<>• d*t>tih)i««nl 1/1,

Courbe de performances selon Hazen

Pour des particules plus grosses, Kalbskopf propose un facteur correctif de la largeur :

Tableau n° 4 : Facteur de majoration de Kalbskopf

Granulomere (cm)

0,0125

0,016

0,02

0,025 •

0,0315

Facteur de majoration en fonction du pourcentage de sédimentation

100%

5,06

4,67

4,12

3,45

2,84

90%

3,28

3,07

2,43

2,04

1,75

85%

2,75

2,40

1,92

1,59

1,48


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