N dordre : 2008-ISAL-073Anne 2008 THESE ETUDE HYDRAULIQUEDES TRANCHEES DE RETENTION / INFILTRATION Prsente devant LINSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON Pour obtenir LE GRADE DE DOCTEUR Formation doctorale : Gnie Civil Ecole Doctorale MEGA : Mcanique Energtique Gnie civil Acoustique Par Antoine PROTON Ingnieur INSA Lyon Titulaire du DEA Soutenue le 01 Septembre 2008 devant la commission dexamen Mme. Sylvie BARRAUDMCF-HDRINSA Lyon LGCIE M. Olivier BLANPAINProfesseurUniversit Lille 1Rapporteur M. Bernard CHOCATProfesseurINSA Lyon LGCIEDirecteur de thse M. Tim FLETCHERProfesseurMonash University Rapporteur M. Daniel GRAILLOTProfesseurMines de Saint Etienne M. Pierre CHADOINIngnieurSOGEA Rhne-AlpesInvit M. Jean CHAPGIERIngnieurGrand LyonInvit N dordre : 2008-ISAL-073Anne 2008 THESE ETUDE HYDRAULIQUEDES TRANCHEES DE RETENTION / INFILTRATION Prsente devant LINSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON Pour obtenir LE GRADE DE DOCTEUR Formation doctorale : Gnie Civil Ecole Doctorale MEGA : Mcanique Energtique Gnie civil Acoustique Par Antoine PROTON Ingnieur INSA Lyon Titulaire du DEA Soutenue le 01 Septembre 2008 devant la commission dexamen Mme. Sylvie BARRAUDMCF-HDRINSA Lyon LGCIE M. Olivier BLANPAINProfesseurUniversit Lille 1Rapporteur M. Bernard CHOCATProfesseurINSA Lyon LGCIEDirecteur de thse M. Tim FLETCHERProfesseurMonash University Rapporteur M. Daniel GRAILLOTProfesseurMines de Saint Etienne M. Pierre CHADOINIngnieurSOGEA Rhne-AlpesInvit M. Jean CHAPGIERIngnieurGrand LyonInvit Liste des coles doctorales de Lyon - 2007-2010. Avant-propos Cette tude se situe dans le cadre de lamnagement urbain et plus particulirement de la gestion deseauxpluviales.Pourlesraisonsquenousverronsplusloin,toutnouvelamnagementest aujourdhuisoumisdescontraintesdelimitationdesrejetsdeauxpluviales.Denombreuses techniquesdites alternatives ou compensatoires permettentderduirelesfluxdeau rejets laval dun amnagement urbain. Les tranches de rtention / infiltration sont une de ces techniques. Leprogrammederecherchequiestloriginedecettethserunittroisacteursprincipaux : lentrepriseSOGEARhne-Alpes,LeGrandLyonetlINSAdeLyon.SOGEARhne-Alpesestune entreprisedetravauxpublicsquiintervientpourdesmarchsdetravauxdeVRD(Voirieet Rseaux Divers) et de stations dpuration. Le Grand Lyon est une collectivit locale qui runit 57 communesautourdeLyon.Ellea,entreautre,enchargelexploitationetledveloppementdu rseaudassainissementsursonterritoire,etimposelesconditionsderejetpourles amnagementssitussursazonedecomptence.LINSAdeLyon-etplusparticulirementle LGCIE, Laboratoire de Gnie Civil et dIngnierie Environnementale - tudie depuis de nombreuses annes les techniques alternatives. Lentreprise SOGEA Rhne-Alpes dont le mtier est la pose de canalisations est trs intresse par lamatrisedecettetechniquealternative.Enphasechantier,laconstructiondestranchesde rtention / infiltration se rapproche beaucoup de la pose de canalisations. La Direction de lEau du Grand Lyon construit et gre le systme dassainissement de la Communaut Urbaine de Lyon. La collectivit est intresse ces deux titres - construction et entretien - pour la recherche sur ces ouvrages.LelaboratoireLGCIEdelINSAdeLyontravailledepuislongtempssurlestechniques alternatives.Lesouvrageshabituellementtudissontlesbassinsdertentionetlesbassins dinfiltration.Larecherchesurlestranchesdertention/infiltrationcompltelacquisitionde connaissances dans le domaine des techniques alternatives. Cestroisacteursontfaitleconstatquelestranchesdertention/infiltration,malgrde nombreuxavantagestechniquesetconomiques,sontdesouvragessous-utilissparles amnageurs. En consquence, ils ont souhait crer les conditions ncessaires au dveloppement deleurutilisationetleverlundesfreinsidentificommeprincipal :lamconnaissancedeleur fonctionnement hydraulique pendant un vnement pluvieux et des risques de colmatage associs leur vieillissement. Ces travaux ont t conduits dans le cadre dune convention CIFRE finance par lANRT. Remerciements JecommenceparremerciermonpatronPierreChadoin,DirecteurdeSOGEARhne-Alpes,quiestlorigineduprojetderecherche.Lexercicetaitinditpournotre structure ; il a su runir les conditions propices un travail, je lespre, de qualit.Je remercie Bernard Chocat, mon directeur de thse et directeur du laboratoire LGCIE de lINSAdeLyon.Jemesurelachancedavoirputravaillerauxctsdequelquunde grande valeur. Il ma guid, cout et soutenu tout au long de ces travaux. Jeremercieensuitelesmembresdujurydavoiracceptdejugercetravail,les rapporteurs Olivier Blanpain et Tim Fletcher ainsi que Sylvie Barraud et Daniel Graillot. Je remercieaussilesmembresdemoncomitdethse :IriniDjran-MaigreetGeorges Raimbault. Je remercie la Direction de lEau du Grand Lyon et notamment Jean Chapgier grce qui nousavonspudisposerduterrainncessaireauxexprimentations.Parailleurs, lassociationdungestionnaireapermisdedvelopperlaproblmatiquescientifiquede cette thse. De nombreuses personnes ont particip ce travail. Au laboratoire, les techniciens Erwan LeSaux,DominiqueBabaudetYvanBrangermontaidentretenirlesite exprimental et faire fonctionner les instruments de mesure. Je remercie Sbastien Le Coustumer pour nos changes propos de linfiltration et du colmatage. Je remercie mes collguesdubureaudtudesdeSOGEARhne-Alpes,ChristopheJanin,Bernard Mouterde et Patrick Arjol ; ils mont initi au mtier de canalisateur. Merci Rmi Terrier pourlaqualitdesanalysesdeMES ;merciaussiMireilleLardenoisetNicoleThollet qui ont relu attentivement le manuscrit. Je tiens aussi remercier le crateur Alexandre Bancel pour sa participation au projet. Cetterecherchealargementtvaloriseparlexprienceduterrain.Acetitre,je remerciePhilippeGery,MauriceCollongeetJohannFourrier,chefsdagenceSOGEA Rhne-Alpes pour leur implication dans le projet. Je tiens leur associer les conducteurs de travaux et le personnel de chantier qui ont mis en uvre les tranches de rgulation dedbit.Lesquestionstechniquessouleveschaqueopration,enconceptioneten ralisation, ont constitu un pendant ncessaire aux considrations scientifiques. Je tiens remerciergalementlesmatresdouvrageetmatresduvrequinousontfait confiance et grce qui nous sommes passs de la thorie la pratique. Enfin, je remercie tendrement Camille, ma femme, pour laide quelle ma apporte dans la relecture du manuscrit. Rsum Lestranchesdertention/infiltrationsontutilisespourlimiterlesdbitsderuissellementdes eauxpluvialesurbaines.Bienquetechniquementetconomiquementperformantscesouvrages sont sous-utiliss. Cette thse vise lever certains des obstacles leur utilisation. Ellesappuiesurunsiteexprimentalpermettantdobserverlecomportementhydrauliquede6 tranchesdertentionetde2tranchesdinfiltrationconstruiteslchelle1ensituation compltement contrle. Ltude du fonctionnement des tranches exprimentales de rtention allure des lignes deau et deshydrogrammesproduits-apermisdamliorerlesconnaissancessurlecomportement hydrauliquedunetranchemuniededrains.Elleaenparticuliermontrquelestranches rempliesavecdumatriaugranulairedeforteporosit,galet20-80,secomportaientsurleplan hydraulique plus comme des conduites de forte rugosit que comme des sols. De ce fait la formule de Manning-Strickler savre tre la mieux adapte pour calculer les pertes de charge linaires. Un autre rsultat important est que les changes deau entre les drains et le corps de la tranche ne semblent pas limits par les fentes de diffusion. Ces connaissances nouvelles ont servi de base la constructiondunmodledesimulationhydrauliquedestranchesdertention.Cetoutilde simulationestcapable,pourunvnementpluvieuxdonn,deprvoirlvolutiondeshauteurs deau dans la tranche ainsi que celle du dbit rejet son exutoire.Une procdure originale a ensuite t mise en place pour acclrer le vieillissement dune tranche dinfiltration.Cetteprocdureapermisdobserverladiminutiondescapacitsdinfiltrationde louvragepouruneduredefonctionnementquivalente6ans.Lobjectifdecettepartiedela recherchetaitdamliorerlesconnaissancessurlevieillissementetlecolmatagedestranches. Cette tude a permis de montrer que le modle de Bouwer reprsente bien le fonctionnement de la tranche diffrents stades de colmatage. Le colmatage du fond de louvrage semble trs rapide, presque complet aprs 3 annes de fonctionnement. La rsistance hydraulique de paroi reste pour sa part sensiblement constante au cours du temps.CesrsultatsontpermisdecouplerlemodledeBouweraveclemodledestock.Nousavons enfinproposunemthodequipermetdediminuerlesincertitudesdemesuresurlarsistance hydraulique initiale du sol, paramtre principal du modle. La connaissance de ce paramtre donne aumodlelacapacitdeprdirelvolutiondeshauteursdeaudanslatranchepournimporte quelle pluie et nimporte quel stade du vieillissement. Motsclefs :tranchesdertention/infiltration,techniquesalternatives,hydrologieurbaine, modlisation Abstract The detention/infiltration trenches are used to limit the flows of urban stormwater. Although they are technically and economically efficient these hydraulic works remain underused. This PhD thesis aims at overcoming some of the obstacles to their use. Itisbasedonanexperimentalapparatusallowingtoobservethehydraulicbehaviourof6 detention trenches and 2 infiltration trenches built on real scale in completely controlled conditions. The study of the way experimental detention trenches work (based on the aspect of water profiles andoutflowhydrographs)hasallowedtoimproveknowledgeonthehydraulicbehaviourofa trenchsuppliedbyfrenchdrains.Itspecificallyshowedthatthetrenchesfilledwithgranular material of strong porosity (gravel 20-80) behave the hydraulic level rather as a pipe with strong roughness than as a soil. ForthisreasonManning-Stricklersformulaprovestobethebesttocalculatelinearpressure losses. Another important result is that water exchanges between the drains and the trench body do not seem to be limited by the diffusion slits. This new knowledge has been used as a basis to build a hydraulic model to simulate the detention trenches behaviour. The hydraulic model is based on storage concept. This simulation tool is able, for any given rainy event, to forecast the evolution of water profiles in the trench and the discharge flows. An original method was then defined to accelerate the ageing of an infiltration trench. This method hasmadeitpossibletoobservethereductionofthestructuresinfiltrationcapacitiesforan equivalentoperatingtimeof6years.Theobjectiveofthispartoftheresearchwastoimprove knowledgeontrenchesageingandclogging.ThisstudyshowsthattheBouwersmodelgivesa good picture of the way trenches behave at various states of clogging. The clogging of the bottom ofthetrenchseemstobeveryfast(almostcompleteafter3yearsofoperation).Thehydraulic resistance of the walls remains constant during the operating time. TheseresultsmadeitpossibletocoupleBouwersmodelwiththestoragemodel.Wefinally proposed a method which allows to decrease the uncertainties implied in the measurement of the groundsinitialhydraulicresistance,whichstandsforthemainparameterofthemodel.The knowledgeofthisparametergivestothemodelthecapacitytopredicttheevolutionofwater levels in the trench for any rain and at any state of ageing. Key words: infiltration / detention trenches, BMPs, urban hydrology, urban drainage, modelling. Nomenclature : coefficient de Forchheimer[L-1.T] : coefficient de Forchheimer[L-2.T2] b : largeur de fond de tranche [L] c : coefficient de constriction [-] C : constante de Chzy[L1/2.T-1] Cd : coefficient de dbit dun drain[-] Cf : fonction de forme des drains[-] H :perte de charge[L] z :diffrence de cotes[L] D : diamtre moyen de galet[L] Dh : diamtre hydraulique[L] dx :pas despace[L] dt : pas de temps[T] dVs :variation du volume stock[L3] e : indice des vides[-] ei : paisseur de linterface colmate [L] f :rugosit des drains (Busolin et al., 1995)[L1/2] F :rugosit du galet (Busolin et al., 1995) [L1/2] Fr : nombre de Froude[-] g : acclration de la pesanteur[L.T-2] grad : gradient hydraulique[-] h : hauteur deau[L] ham : hauteur deau lamont du tronon[L] hav :hauteur deau laval du tronon [L] hnette : hauteur nette de pluie [L] H : diffrence de charge relative[L] Hr : charge relative[L] i : indice de discrtisation despace[-] J : perte de charge par unit de longueur[-] I : pente du fond de la tranche[-] k : rugosit dune canalisation[L] K : coefficient de Darcy [L.T-1] Ki : conductivit hydraulique de la couche colmate[L.T-1] Kp : conductivit hydraulique du sol sous-jacent[L.T-1] linfl :longueur de linfluence aval sur le tronon[L] : coefficient de perte de charge[-] i : coefficient dIzbash[L.T-1] l : longueur [L] m : coefficient dIzbash[-] : viscosit cinmatique[L2.T-1] n : coefficient de Manning[L-1/3.T] : densit[L-3.M] p : pression atmosphrique[L-1.M.T-2] P : pression interstitielle du sol sous-jacent[L-1.M.T-2] Ph : primtre mouill hydraulique[L] Pcr :pression critique dun sol[L] q : vitesse dinfiltration[L.T-1] qas :capacit dinfiltration[L.T-1] Qd : dbit transitant dans le drain[L3.T-1] qdiff :dbit de diffusion par unit de longueur[L2.T-1] Qe : dbit dentre[L3.T-1] Qf : dbit dinfiltration par le fond[L3.T-1] Qg : dbit transitant dans le galet[L3.T-1] qinf :dbit dinfiltration surfacique[L.T-1] Qinf :dbit dinfiltration[L3.T-1] qp : dbit dinfiltration surfacique de paroi[L.T-1] Qp : dbit dinfiltration par les parois[L3.T-1] Qs : dbit de sortie[L3.T-1] Qt : dbit total[L3.T-1] qt : dbit dinfiltration surfacique[L.T-1] Re : nombre de Reynolds[-] R : rsistance hydraulique[T] Rf : rsistance hydraulique du fond[T] Rh : rayon hydraulique[L] Rp : rsistance hydraulique de paroi[T] : diamtre dune canalisation [L] Sa : surface active dun bassin versant[L2] Sam : section mouille amont[L2] Sav :section mouille aval[L2] Sd : section de drain[L2] Sf : section des fentes du drain[L2] Sg : section de galet[L2] Sinf :surface dinfiltration[L2] Sp : surface de paroi [L2] Sf : surface de fond[L2] t : temps [T] T :pente du talus de tranche[-] TP : temps de parcours[T] :viscosit cinmatique[L2.T-1] u : vitesse de leau[L.T-1] ue : vitesse de leau lentre dun tronon [L.T-1] ud : vitesse de leau dans les drains[L.T-1] ug : vitesse de leau dans le galet[L.T-1] Vs : volume deau stock[L3] y : hauteur pizomtrique[L] z : cote radier [L] Sommaire Cadre et obj ectifs de ltude.................................................................. 21 Chapitre 1.Prsentation du suj et ....................................................... 25 1.1.Introduction........................................................................................ 27 1.2.Fonctionnement des tranches de rtention / infiltration................... 28 1.2.1Alimentation des tranches .............................................................. 28 1.2.2Stockage temporaire....................................................................... 30 1.2.3Vidange des tranches .................................................................... 32 1.3.Etat des connaissances tat de lart ................................................. 33 1.3.1A lchelle du bassin versant ............................................................ 33 1.3.2A lchelle de louvrage.................................................................... 39 1.3.3Phnomne de colmatage................................................................ 53 1.3.4Maintenance et entretien des tranches ............................................. 57 1.4.Conclusion........................................................................................... 61 Chapitre 2.Mthodologie ................................................................... 63 2.1.Introduction........................................................................................ 65 2.2.Exprimentation.................................................................................. 66 2.2.1Prsentation des tranches de rtention / infiltrationtudies.............. 66 2.2.2Prsentation du dispositif exprimental .............................................. 72 2.2.3Mesurage ...................................................................................... 80 2.3.Modlisation........................................................................................ 83 2.3.1Prsentation gnrale du modle ...................................................... 83 2.3.2Discrtisation des quations............................................................. 85 2.3.3Influence aval ................................................................................ 90 2.4.Plan dexprimentation....................................................................... 93 2.4.1Modle hydraulique......................................................................... 93 2.4.2Etude de l'volution du fonctionnement des tranches dinfiltration........ 99 2.5.Conclusion......................................................................................... 107 Chapitre 3.Modlisation hydraulique ............................................... 111 3.1.Introduction...................................................................................... 113 3.2.Etudes pralables.............................................................................. 115 3.2.1Morphologie des tranches de rtention / infiltration.......................... 115 3.2.2Validation du code de calcul ........................................................... 119 3.2.3Validation des hypothses du modle de stock.................................. 124 3.2.4Calcul du gradient hydraulique ....................................................... 128 3.2.5Dtermination des pas de temps et despace du calcul ....................... 132 3.2.6Spcificit du dispositif exprimental ............................................... 133 3.3.Modlisation hydraulique pour une tranche sans drain ................... 137 3.3.1Diffrentes quations de stockage possibles ..................................... 137 3.3.2Calage et choix de lquation de stockage ........................................ 138 3.3.3Validation de lquation de stockage du galet.................................... 149 3.4.Modlisation hydraulique pour une tranche avec drains.................. 160 3.4.1Equation de stockage pour une section mixte drain-galet ................... 160 3.4.2Calage du modle......................................................................... 166 3.4.3Validation du modle..................................................................... 173 3.5.Conclusion......................................................................................... 190 Chapitre 4.Modlisation de linfiltration .......................................... 195 4.1.Introduction...................................................................................... 197 4.2.Observations du fonctionnement hydraulique long terme dune tranche dinfiltration ................................................................................. 199 4.2.1Choix de la tranche dinfiltration tudie......................................... 199 4.2.2Alimentation de la tranche dinfiltration .......................................... 202 4.2.3Rsultats des exprimentations ...................................................... 203 4.2.4Exploitation des rsultats............................................................... 211 4.3.Modle dinfiltration.......................................................................... 220 4.3.1Modle de Bouwer ........................................................................ 220 4.3.2Application aux tranches dinfiltration............................................. 222 4.3.3Calage du modle de Bouwer ......................................................... 226 4.4.Localisation et quantification du colmatage ...................................... 231 4.4.1Evolution des rsistances hydrauliques ............................................ 231 4.4.2Hypothse : seul le fond de la tranche se colmate ........................... 235 4.4.3Etude qualitative sur le phnomne de colmatage ............................. 240 4.5.Validation du modle coupl ............................................................. 250 4.5.1Couplage des modles................................................................... 250 4.5.2Rsultats de la validation............................................................... 252 4.6.Modlisation prdictive dune tranche dinfiltration ........................ 260 4.6.1Modlisation diachronique dune tranche dinfiltration....................... 260 4.6.2La difficult dvaluer le paramtre limitant ...................................... 265 4.6.3Mthode propose ........................................................................ 270 4.7.Conclusion......................................................................................... 274 Conclusion et perspectives .................................................................. 277 Rfrences bibliographiques ............................................................... 285 Table des figures ................................................................................. 289 Table des tableaux .............................................................................. 299 Cadre et objectifs de ltude EnFrance,leseauxpluvialessontsouslaresponsabilitdupropritaireduterrainsur lequelellesruissellent.Larticle640ducodecivilindiqueque lesfondsamontne doivent pas aggraver les servitudes dcoulement des fonds aval . La responsabilit de lagestiondeseauxpluvialesestdonclocale.Cesontlespropritairesdesterrains (privs ou publics) qui sont responsables des eaux qui ruissellent sur leur territoire. Si la construction et lexploitation des ouvrages de transport et de traitement des eaux uses sontfinancesparuneredevanceprlevesurlecotdeleaupotable,lacharge financire des rseaux dassainissement pluvial nest pas impute lusager du systme dassainissementnisubventionneparlesagencesdeleausaufdanscertainscas particuliers. Les travaux de construction et de maintenance du systme dassainissement pluvial sont donc entirement la charge de limpt des collectivits locales. Laccroissementdeszonesurbanisesaugmentelesvolumesetlesdbitsdeaude ruissellement.Desrseauxsecondairessontalorsncessairespourassainirles priphries des villes. Ces rseaux sont connects aux collecteurs structurants du centre historiquedelaville,gnralementsitusaupointbasdelagglomration,versles riviresoulamer.Lepremiereffetdecettevolutionestalorslengorgementdes systmesdassainissement.Lesdbordementsdesrseaux,notammentdsauxpluies dorage,sontdeplusenplusfrquentsdanslespartiesanciennesdesvilles,oles dgts sont le plus coteux. Le deuxime effet du dveloppement urbain est qualitatif : la pollution et la dgradation des milieux rcepteurs. Les flux de polluants, ds aux rejets industrielsetdomestiques,augmententconsidrablement.Leconstatdecette dgradationestloriginedelmergencedusystmedassainissementsparatif,bas surlasparationdeseauxpluvialesetdeseauxuses.Cettemiseensparatifapour but de rduire la quantit deffluents traiter laval des rseaux, en station dpuration.21 Etude hydraulique des tranches de rtention / infiltration Devantlesdifficultstechniques,environnementalesetconomiquesdelamiseen uvredessolutionstraditionnellesdassainissementpluvial(canalisations),les collectivitsimposentdeplusenplussouvent,pourlesnouveauxamnagements,la mise en place douvrages de rtention et / ou infiltration. Ces mesures vont dans le sens desdeuxprincipesnoncsdansleguidetechnique Lavilleetsonassainissement , CERTU (2003) : Le premier principe sera de limiter au strict ncessaire limpermabilisation des sols ; Ledeuximeprincipeseradviterdeconcentrerlesrejetsdansles collecteurs,maisaucontrairederecherchertouteautresolutionde proximit : rutilisation, dispersion en surface en favorisant linfiltration, ou le ruissellement dans un rseau hydrographique ciel ouvert ; le stockage pralable pouvant tre utilis dans tous les cas . Lestechniquesalternativespermettentdassurerlesfonctionsprincipalesdurseau dassainissementpluvialprotgerlespopulationsetlesbiensdesinondationset asscher la ville en matrisant les cots de construction et dexploitation des ouvrages associs.Dupointdevuehydrologiqueetenvironnemental,lestechniquesalternatives permettentderduirelespointesdesdbitsderuissellementgnrsparlavilleen tempsdepluieainsiqueleschargesdepolluantsassocis.Leurprincipede fonctionnement hydraulique consiste stocker temporairement les eaux pluviales et les rejeterdbitcontrlverslerseaudassainissementoulemilieurcepteur,par infiltration ou vers les rseaux de surface, Warnaars et al. (1999), CERTU (2003). Lestechniquesalternativesdegestiondeseauxpluvialessontaujourdhuidesoutils indispensablesaudveloppementurbain.Si,ilya20ans,cestechniquesn'taient utilisesquedanslecasdamnagementsnedisposantpasdexutoirenaturel(par exempleenSeine-Saint-Denis),leurutilisationestaujourdhuignralisetoutesles rgions et pour tout type damnagement, de la zone industrielle au logement individuel. Cettevolutionapoureffetdemodifierlespratiqueshabituellesdesacteursdela construction,dumatredouvragelentrepreneur.Lesquestionsdassainissement pluvial se posent trs en amont et au plus tard lors du dpt du permis de construire. Le mode de gestion des eaux pluviales est dcrit lchelle du bassin hydrographique dans le SDAGE et lchelle locale dans le SAGE et dans les documents durbanisme (SCOT et PLU) si ces documents existent. Denombreusessolutionstechniquespermettentderpondrelaproblmatiquedela limitationdesdbitsetvolumesdeaurejetsparlavilleentempsdepluie.Dansce 22 Cadre et objectifs de ltude programmederecherche,nousavonsdciddenousintresserplusparticulirement aux tranches de rtention / infiltration. Ces ouvrages sont en effet simples construire, conomiques,facilesintgrerdansletissuurbain,etmalgrtoutpeuutilissetmal connus.Lestranchesdertention/infiltrationsontdesouvrageslinaires gnralement implants le long des voiries. Le fonctionnement hydraulique des tranches sedrouleen3phases:collectedeseauxderuissellement,stockagetemporaireet restitutiondbitlimitverslemilieurcepteur.Leauestsouventinjectepardes drains puis stocke dans du matriau granulaire de forte porosit. Plusprcisment,nousavonsdciddefaireporterleseffortssurdeuxaspects, considrscommelesfreinsprincipauxlutilisationdestranchesdertention/ infiltration : lamconnaissancedeleurfonctionnementhydrauliquependantun vnement pluvieux, lamconnaissancedesrisquesdecolmatagelorsduvieillissementde louvrage. Lepremierobjectifpratiquedeceprogrammederechercheestdoncdeconstruireun modledesimulationdufonctionnementhydrauliquedestranchesdertention/ infiltration. Cet outil de simulation doit tre capable, pour un vnement pluvieux donn, de prvoir les hauteurs deau dans la tranche et le dbit rejet son exutoire. Cet outil apourvocationpremiredtreutilisenphasedeconception,partirdedonnes classiques dun projet dassainissement pluvial, caractristiques du bassin versant et pour touttypedecaractristiquesdetranche(pente,sectiontransversale,nombreet disposition des drains, mode de vidange). Pouratteindrecetobjectifilestncessairedamliorerlesconnaissancessurle fonctionnement hydraulique dune tranche munie de drains. Le second objectif est de concevoir des ouvrages en tenant compte de lvolution de leur comportementdansletemps.Silaconstructiondunoutildesimulationdoitpermettre deprvoir,lchelledunvnementpluvieux,lesvariableshydrauliques(dbitset hauteursdeau)agissantauseindes tranches, nous souhaitons ici prendre en compte leseffetsduvieillissement(ouducolmatage)surlefonctionnementhydrauliquedes tranches.Cetobjectifcorrespondaubesoindelentreprisedeproposerunproduit 23 Etude hydraulique des tranches de rtention / infiltration prenneetaubesoindelacollectivitdamliorerlesprocduresdecontrleet dentretien des tranches. Pouratteindrecetobjectif,ilestncessairedamliorerlesconnaissancessurle vieillissement et le colmatage des tranches. Cetterechercheestessentiellementexprimentaleetreposesurlesuividetranches modles construites lchelle 1 sur un terrain mis disposition par le Grand Lyon. Ces tranches ont t construites spcialement pour la recherche et font partie dun dispositif exprimentalpermettantdecontrlerlesconditionsdefonctionnementetdacqurirun maximum de donnes. Pour prsenter ce travail, nous avons dcoup le mmoire en 4 chapitres : Le premier chapitre fait une synthse sur les travaux de recherche ayant port sur lesmcanismeshydrauliquesmisenjeudanslestranchesdertention/ infiltration.Le deuxime chapitre prsente les moyens et la mthodologie mis en uvre pour atteindre les objectifs scientifiques de la thse.Le troisime chapitre prsente les rsultats de calage et de validation du modle de simulation hydraulique.Lequatrimechapitreestconsacrltudedelavariationdansletempsdela capacit de la tranche infiltrer les eaux pluviales. 24 Chapitre 1.Prsentation du sujet Nousdtailleronsdanscechapitrelescaractristiquesmorphologiques destranchesdertention/infiltrationainsiqueleurmodede fonctionnement.Puisunetudebibliographiqueenrapportavecnos objectifsprsenteradestravauxderechercheayantportsurdes tranches ou des ouvrages similaires. Deux chelles despace sont prises encompte :lchelledubassinversantetlchelledelouvrage.Les deuxderniersparagraphessontddisaucomportementlongterme destranchesdinfiltration :phnomnedecolmatageetprconisation dentretien et de maintenance. J'ai pris un cours de lecture rapide et j'ai pu lire "Guerre et Paix" en vingt minutes. a parle de la Russie. Woody Allen. 25 Etude hydraulique des tranches de rtention / infiltration 1.1.I ntroduction........................................................................................ 27 1.2.Fonctionnement des tranches de rtention /infiltration ................... 28 1.2.1Alimentation des tranches .............................................................. 28 1.2.2Stockage temporaire....................................................................... 30 1.2.3Vidange des tranches .................................................................... 32 1.3.Etat des connaissances tat de lart ................................................. 33 1.3.1A lchelle du bassin versant ............................................................ 33 1.3.2A lchelle de louvrage.................................................................... 39 1.3.3Phnomne de colmatage................................................................ 53 1.3.4Maintenance et entretien des tranches ............................................. 57 1.4.Conclusion........................................................................................... 61 26 Chapitre 1. Prsentation du sujet 1.1.Introduction Ce premier chapitre a pour but de faire une synthse des connaissances actuelles sur le fonctionnement hydraulique des tranches de rtention / infiltration.Nous nous intressons tout dabord au fonctionnement hydraulique global des tranches et leur place dans lenvironnement urbain.Nousprsentonsensuiteun tatdelart desconnaissancessurlesmcanismes hydrauliques mis en jeu dans les tranches.Nousabordonsensuiteltudebibliographiquediffrenteschellesdetempset despace.Dansunpremiertemps,nousnous intressonsdestudesdeterrainole fonctionnementdestranchesesttudilchelledubassinversantpourdiffrentes chellesdetemps,delvnementpluvieuxquelquesannesdefonctionnement. Lchelledespaceestensuiterduitepourarrivercelledelouvrageoudeses composants. Nous verrons que diffrentes approches ont t tentes pour reprsenter le fonctionnementhydrauliquedestranchesdertention/infiltration.Certaines recherchesconsidrentlouvragedanssaglobalit,dautrescherchentexpliquerle fonctionnementhydrauliquedescomposantsprincipaux(drainsetgalet)destranches de rtention / infiltration.Nousabordonsensuitelesquestionslieslinfiltrationdeseauxpluvialesparles tranches et au phnomne de colmatage.Enfin,dansundernierparagraphe,nousprsentonsleslmentsbibliographiques disponibles sur les modalits dentretien et de maintenance des tranches. 27 Etude hydraulique des tranches de rtention / infiltration 1.2.Fonctionnement des tranches de rtention / infiltration Lefonctionnementhydrauliquedestranchesdertention/infiltrationsedrouleen3 phases :collectedeseauxderuissellement,stockagetemporaireetrestitutiondbit limit vers le milieu rcepteur. Les schmas suivants (Figure 1.1 Figure 1.14) rsument les mcanismes hydrauliques mis en jeu par les tranches de rtention / infiltration. 1.2.1Alimentation des tranches Les eaux pluviales sont recueillies soit par ruissellement direct (Figure 1.1) dans le corps de la tranche soit par un systme classique de grilles ou avaloirs, descentes de toiture et regards (Figure 1.2). Les tranches recueillent leau au plus prs du point de chute de la pluie. Le transfert de leau du bassin versant la tranche est trs rapide. ruissellement chausse Figure 1.1 Alimentation des tranches par ruissellement direct ruissellement rseau Figure 1.2 Alimentation des tranches par rseau dassainissement Lalimentationdestranchesdertention/infiltrationparruissellementdirectest performante des points de vue hydraulique et qualit. Lalimentation est continue sur la longueurdelatranche(Figure1.3):leausediffusedonctrsrapidementdansle matriauporeux.Enpntrantparlehautdelatranche,unepartiedespolluants contenusdansleseauxpluvialessedposesurlegranulatavantdatteindrelesolen place.Silatrancheestbordedunebandeenherbe,celle-ciaccrotlerendement puratoiredelouvrage(Baladesetal.,1995).Dunautrect,labsencedouvrage dinjection rduit fortement les cots de construction et dexploitation de la tranche. Les tranches de ce type sont gnralement implantes dans les amnagements peu denses. 28 Chapitre 1. Prsentation du sujet Figure 1.3 Tranche alimente par ruissellement direct Dansleszonestrsurbanises,lestranches sontsouventplacessouslestrottoirsle longdesvoiries.Leaponctuelstypegrillesdevoiriesouavaloirs(Figure1.4).Linjectiondeleaudansles anches est alors localise. upntrealorsdanslestranchespardesouvragesdinjection tr Figure 1.4 Tranche alimente par une grille avaloir 29 Etude hydraulique des tranches de rtention / infiltration 1.2.2Stockage temporaire Leaurecueillieestensuitetemporairementstockereux (Figure 1.5). danslesvidesdumatriaupo Figure 1.5 Stockage des eaux pluviales Le matriau poreux est contenu dans un gotextile ou une gomembrane. Le gotextile a unefonctiondesparation.Ilempchequelesfinescontenuesdanslesolsupportne pntrent dans le matriau poreux. Il prserve ainsi la capacit de stockage de louvrage. Silinfiltrationestdconseille,lematriaudestockageestcontenudansune ntion (Figure 1.7). gomembranequiassureltanchitdelouvrage.Lorsquelatrancheestcontenue dans un gotextile, elle est dite de rtention / infiltration (Figure 1.6), lorsquelle est contenue dans une gomembrane, elle est dite de rte Figure 1.7 Tranche de rtentionFigure 1.6 Tranche dinfiltration 30 Chapitre 1. Prsentation du sujet Le matriau poreux de stockage est caractris par son indice des vides et sa rsistance mcanique. Divers matriaux (grave propre, cylindres bton, caissons polymres, pneus (Figure 1.8 Figure 1.12)) sont cits titre dexemple. Figu 60re 1.8 Grave concasse 30/ Figure 1.9 Gravier roul lav 20/80 Figure 1.10 Caissons polymres 95% de vide Figure 1.12 Cylindre bton en vrac indice des vides : 60% Figure 1.11 Cylindre bton 31 Etude hydraulique des tranches de rtention / infiltration Lescritresdechoixdumatriauporeuxdestockagesontlindicedesvides,lecot, lencombrement disponible du sous-sol et la rsistance mcanique. Malgr le nombre de atriauxdisponiblespourconstruirelestranches,leplusgnralementutilisestle gravier propre. Les raisons sont le cot (quoique fortement dpendant de la disponibilit lo matriauautobloquant)etlabonnersistance mcanique. mcale),lafacilitdemiseenuvre(1.2.3Vidange des tranches Leau est vacue soit par infiltration dans le sol support (Figure 1.13) soit dbit limit vers le rseau dassainissement ou vers un exutoire de surface. (Figure 1.14). Sol permble aFigure 1 3 .1Evacuation des tranches par infiltration OuSol impermable vrage bton testalors,dupointdevue hydrologique,transparent.Dunemaniregnrale,linfiltrationdeseauxpluvialesest unefaondecompenserleseffetsdelurbanisationsurlecyclenatureldeleau (vaporation condensation prcipitation - ruissellement - infiltration). Parleurmorphologie(linarit),lestranchessontdesouvragesparticulirement efficaces pour infiltrer les eaux pluviales :Le ratio surface dinfiltration / volume de stockage est lev ; Lestranchessontmoinsvulnrableslhtrognitdessolsrencontrs que les ouvrages dinfiltration ponctuels de type puits ou bassins. Nanmoins, linfiltration des eaux pluviales comporte des risques pour la qualit des eaux souterraines. Il est gnralement prconis de garder une paisseur de sol non satur de 1 mtre sous le fond de louvrage (Barraud et al., 1994). Figure 1.14 Evacuation des tranches dans le rseau dassainissemenSi lvacuation des eaux pluviales dbit limit vers le rseau dassainissement permet de limiter les dbits de pointe, linfiltration dconnecte les surfaces impermabilises du systmedassainissement.Lenouvelamnagement 32 Chapitre 1. Prsentation du sujet 1.3.Etat des connaissances tat de lart Laprsentationdesacteursdeceprogrammederechercheorienteltude bibliographique vers deux axes principaux :La connaissance du fonctionnement hydraulique des tranches, La connaissance de leur comportement long terme. Ceparagrapheprsenteunerevuebibliographiquedestudesayantportsurles tranchesdertention/infiltration.Lesrecherchesproposespeuventtreclasses selonleurchelledespaceet/oudetemps.Lespremirestudesportentsur lobservationdufonctionnementhydrauliquedetranchesenservicelchelledu bassinversant. Puis les recherches se sont concentres sur les mcanismes hydrauliques misenjeulorsdupassagedeleaudansdesstructuresgranulairesmuniesounonde drains.Ensuitenousproposonsdestudessurlinfiltrationdeseauxpluvialespardes tranchesetsurlephnomnedecolmatage.Lespratiquesdexploitationetde maintenance des tranches sont enfin prsentes. Certainestudesdcritesdansceparagrapheportentsurleschaussesstructure rservoir,techniquealternativetrsvoisinedestranchesdertention/infiltrationde par leur constitution. 1.3.1A lchelle du bassin versant Problmatique Historiquement,lespremirestudessurlestranchesdertention/infiltrationont consist vrifier leur aptitude limiter le ruissellement des eaux pluviales. Ces tudes, lchelle du bassin versant, portent sur lobservation douvrages en service. La question initialement pose est : Les ouvrages de type tranche sont-ils capables de limiter les dbits de pointe en temps de pluie ? . 33 Etude hydraulique des tranches de rtention / infiltration Etudes exprimentales Raimbault et Metois (1992) ont ralis la premire tude de bilan hydrologique sur une chausse structure rservoir situe Rez (44). La chausse (Figure 1.15) a un volume utilede234m3.Lebassinversantderfrenceaunesuperficiede5.05haavecun coefficient dimpermabilisation estim 0.28. Il est constitu dun habitat pavillonnaire. La pente de ce bassin versant est de 2%. Figure 1.15 Coupe type de la chausse structure rservoir (Raimbault et Metois, 1992) Lobjectifprincipaldelexprimentationestdtudierlebilanhydriquedelachausse structure rservoir et dobserver la rponse des drains situs au point bas de louvrage. Les autres objectifs sont spcifiques ltude des chausses structure rservoir : tude ducolmatagedelenrobporeuxettudedelastabilitmcaniquedelastructurede chausse. Lachaussestructurerservoirestimplantesurunsitepeupermable(argileet dassainissement de la commune de Rez. Louvrageestquipdedeuxsondes ultrason pour les mesures des niveaux deau et dun dbitmtre seuil qui mesure le dbit de sortie. Un pluviographe est install sur le site.Ledispositifexprimentalnapasvocationacqurirdesdonnessusceptibles dalimenterunmodledesimulationhydrauliquedeschaussesstructurerservoir mais observer le fonctionnement hydraulique dun ouvrage en service. roche). Lexutoire de louvrage est le rseau34 Chapitre 1. Prsentation du sujet Les rsultats obtenus (Tableau 1.1) montrent un abattement des dbits de pointe allant de 90 99%. Lors de la priode dexprimentation, les pluies dorage nont pas pu tre mesures. Tableau 1.1 Abattement des dbits deau ruissele par une chausse structure rservoir (Raimbault et Metois, 1992) Raimbault et Metois (1992) observent galement des abattements sur les volumes deau ruissele.Cesrsultatsmontrentlacapacitdinfiltrationdecetypedouvrage,mme pour des sols a priori peu permables. Uneautrerecherchefranaise,meneparBaladesetal.(1998),dmontrelacapacit des tranches de rtention / infiltration limiter les dbits deau de ruissellement. Cette tudesappuiesurlobservationdufonctionnementhydrauliquedunetrancheen exploitation au cur dune zone industrielle avec fort trafic (Figure 1.16). Figure 1.16 Implantation de la tranche exprimentale (Balades et al., 1998) 35 Etude hydraulique des tranches de rtention / infiltration Cette tranche est quipe dun drain situ 30 cm au-dessus du fond de louvrage (Figure 1.17).Ellereposesurunsoldetypeargileuxdefaiblepermabilit :k=10-6m/s.La trancheestcontenuedansungotextilequiautoriselinfiltrationdeseauxpluviales. Nanmoins, tant donne la faible permabilit du site, la tranche a t conue comme unetranchedertentionavecrejetaurseaudassainissementpluvialdela Communaut Urbaine de Bordeaux. Figure 1.17 Section transversale de la tranche exprimentale (Balades et al., 1998) Latrancheestinstrumenteavecunpizomtre,undbitmtredesortieetun prleveur automatique. Un pluviographe basculements daugets est install sur le site exprimental. Le critre de performance hydraulique de la tranche est le coefficient de ruissellement fictif du bassin versant. Ce coefficient est donn par la relation : Lecoefficientderuissellementthoriquedubassinversantestde0.86.Les exprimentationsportentsur117joursdepluieaucoursdelanne1997.Les observationsmontrentquelecoefficientderuissellementfictifdelensemble[bassin versant tranche dinfiltration] est en moyenne de 0.24. La tranche joue donc un rle prpondrantdanslalimitationdesvolumesrejets.Lesmesureseffectuessurle volumerejetensortiedelatranchemontrentunabattementde40%duvolume thorique produit par la pluie. coefficient de ruissellement fictif = volume deau rejet par la tranche hauteur deau prcipite x surface du bassin versant36 Chapitre 1. Prsentation du sujet LesrsultatsdecetterechercherejoignentlesconclusionsdeRaimbaultetMetois (1992).Lesouvragesrtention/infiltrationdecetypefavorisentlinfiltrationdeseaux pluviales mme sur des sites rputs peu permables. Danslemmetemps,Sansalone(1998)observeuneefficacithydrauliquedumme ordrepourunetranchesituelelongdunboulevardurbainforttrafic(150 000 vhicules/jour).Louvragetudiestuneportiondetranchede20mdelong,le dispositif exprimental est prsent en Figure 1.18. Figure 1.18 Section transversale de la tranche exprimentale (Sansalone, 1998) De la mme faon que pour Balades et al. (1998), le critre de performance hydraulique de la tranche est le coefficient de ruissellement fictif du bassin versant drain par cette tranche dinfiltration pour des vnements pluvieux isols. Tableau 1.2 Abattement des volumes deau ruissele par tranche dinfiltration (Sansalone, 1998) 37 Etude hydraulique des tranches de rtention / infiltration Lesrsultatsmontrentunediminutiondesvolumesrejets ;lecoefficientde ruissellementfictifdelavoirieainsidrainevarieentre0.23et0.76selonles vnements pluvieux. Schlter et Jefferies (2004) ont mesur les dbits lexutoire dune tranche dinfiltration osse.Lesrsultatslesplus optimistesmontrentunabattementde90%surlesvolumesrejetsetde77%surles implantedansunquartierrsidentielBroxden,Ecdbits de pointe.Synthse sur les tudes lchelle du bassin versant Lensembledesrecherchesprsentesdansceparagrapheapourbutdobserverdes sultats de ces tudes sont intressants deux points de s sites puts peu permables, une partie non ngligeable de leau amene lintrieur de ces ouvragessinfiltredanslesol.Silestranchessontconuespourfonctionneren rtention pure, le fait de laisser la possibilit dinfiltrer (en enrobant le matriau poreux dans un gotextile) permet de limiter les rejets au rseau dassainissement pluvial ou au rseau hydrographique de surface et de ralimenter ainsi les nappes phratiques. ouvrages de rtention / infiltration en service. Les dispositifs exprimentaux mis en place sont relativement basiques ; ils permettent de calculer des bilans entre sortie et non dacqurirdesdonnescapablesdalimenterunoutildesimulationdufonctionnement hydraulique des tranches. Les rvue : Premirement,lestranchesdertention/infiltration(ouleschaussesstructure rservoir)assurentleurfonctiondetechniquealternativeenrduisantlesflux (dbit et volume)deauderuissellement.Lutilisationdecesouvrageslimiteleruissellement laval des zones quils drainent. Deuximement,lestranchesdertention/infiltrationpossdentunefortecapacit dinfiltration. Les rsultats montrent que mme lorsquelles sont implantes sur der38 Chapitre 1. Prsentation du sujet 1.3.2A lchelle de louvrage Problmatique Lesexpriencesetlestudescitesauparagrapheprcdentontpermisde dmontrer lefficacitdestranchespourlimiterlesdbitsetvolumesdeauruisselelexutoire desbassinsversantquellesdrainent.Cesexpriencessesituentlchelledubassin versantetconsidrentlouvragedanssonenvironnement.Lesmesuresralises permettent,pardesbilansentre-sortiedemesurerlefficacithydrauliquedes tranches.Une tranche dinfiltration reste nanmoins un ouvrage hybride, dont la dfinition oscille entre un sol, une conduite ou un rservoir. La consquence de cette nature htrogne estquilnexistepas ou peu de formulation simple pour dterminer un dbit admissible enfonctiondunepenteetdunesection.Certainsauteurssesontpenchssurles phnomnes hydrauliques agissant au sein des tranches, dans le matriau granulaire et dans le drain, en passant ainsi de lchelle du bassin versant lchelle de louvrage. Couplage drain-matriau poreux sur une tranche dinfiltration Dansunetudedecasmenesurunezonersidentielle,Busolinetal.(1995),sont amens dcrire le fonctionnement hydraulique des tranches de rtention. Cette tude quifaitsuiteauxtravauxdeArgue(1994)consisteconcevoirunprojetdezone rsidentielle dans lequel la gestion des eaux pluviales est la base de la conception des voiries(Figure1.19).Lerseaudassainissementestdetypesparatif.Leseaux pluvialessontrcupressurlestrottoirsetvoiriesquisontplacsenhauteurpar rapport des noues. Les noues sont plantes dherbe afin de ncessiter un minimum de maintenance.Unetranchedertention/infiltrationcontinueestplacesouslanoue. Leau sinfiltre de la noue vers la tranche travers un filtre de sable. 39 Etude hydraulique des tranches de rtention / infiltration Figure 1.19 Conception des voiries pour une gestion des eaux pluviales (Busolin et al., 1995) Ce systme tranche noue permet une gestion douce des eaux pluviales. Les capacits destockagedesnouesetdestranchessontutilisesenfonctiondelintensitde lvnementpluvieux.Lespluiesdefaibleintensitsonttraitesuniquementparles noues,lacapacitdestockagedestranchesestmobilisepourlespluiesdeforte intensit(Figure1.20).Lanoueenherbeassurelafonctionhydrauliquedertention pour les pluies de priode de retour infrieure 1 an. Les pluies doccurrence suprieure sont traites par la tranche de rtention / infiltration. Figure 1.20 Systme de tranche - noue (Busolin et al., 1995) 40 Chapitre 1. Prsentation du sujet Lobjectifdecettetudeestdeconcevoirlazonersidentielledefaonoptimiserle traitement des eaux pluviales. Le systme de gestion des eaux pluviales ne comporte pas de canalisation ; la tranche assurelafonctiontransportdeseauxpluvialesverslexutoire(danscecas,lerseau dassainissementdelacollectivit).Lesauteursontcherchmodliserle fonctionnementhydrauliquedestranchesenmodetransport,c'est--direpourune capacitdedbit.Lestranchesdoiventtrecapablesdvacuerlesdbitsdefuitede lensemble des ouvrages mis en place pour la rtention des eaux pluviales. Busolin et al. (1995) estiment que pour de faibles pentes, la capacit de dbit des tranches est trop faible pour assurer une fonction transport ; lajout de drains est alors ncessaire. Le modle propos par Busolin et al. (1995) est relativement simple. Il crit que le dbit capabledunetrancheestlasommedudbitcapableduoudesdrainsetdudbit capable du galet utilis en matriau de remplissage : g d tQ Q Q + = Les vitesses dans le drain et dans le galet sont exprimes avec des relations a dbit dans le drain est donne par la relation : 1.1 O :d d dS u Q =1.2 Et : g g gLatrancheestconsidrecommelasuperpositiondunepartiecanalisationetdune partie galet.S u Q =1.3 similaires.L2. 24l fH gQd=1.4 ch (Swamee et Jain, 1976). Sachant que vec le diamtre du drain. Le dbit dans le drain est alors donn par la relation :ntturbulent ;lexpressiondudbitdanslegaletestalorsdonneparla lation : Avec H la charge du drain sur la longueur, l la longueur du drain et f le facteur de friction du drain au sens de la formule de Darcy-Weisbala section du drain sexprime par lexpression :A Pour dterminer la capacit dcoulement dans le galet, Busolin et al. (1995), partent du principequelematriauporeuxsecomportecommeunecanalisationenrgime dcoulemere41 Etude hydraulique des tranches de rtention / infiltration =4. 22SlH gF Qt g 1.5 Cetteformulationdelacapacitdedbitdanslematriauporeuxesttoutefois approximative.Lasurfacemouilledugaletdoitsexprimerenfonctiondelahauteur a tranche. somme des quations 1.4 et 1.5 permet dobtenir lexpression de la capacit de dbit dune tranche constitue de galet et de drains. On a donc : deau dans la tranche. Les auteurs font lhypothse que la section mouille du drain est constante alors quelle varie en fonction de la hauteur deau dans lLa = FlH gQT. 22 1.6 + FfSt4 La capacit de dbit de lasexprime donc simplement ; elle ncessite le calage de deux paramtres :f : rugosit du drain ntalementsurdesouvragesconstruits chelle rduite. Le calage de la rugosit des drains est donn pour diffrents diamtres et diffrentes pentes (Figure 1.21) :tranche F : rugosit du galet. Cesdeuxparamtresonttcalsexprime Figure 1.21 Rugosit des drains (Busolin et al., 1995) Lesobservationsralisesontpermisdemontrerquelarugositdugalettait relativement constante pour les pentes tudies et gale : =21027 0 m . F1.7 42 Chapitre 1. Prsentation du sujet LapprocheproposeparBusolinestnouvellepourlestranchesdertention/ infiltration. Si ces ouvrages sont gnralement considrs pour leur capacit de stockage scriptiondesmcanismeshydrauliquesestinsuffisantepourconstruireunmodle esimulationducomportementhydrauliquedestranches,maislesconclusionsde exprimental,page 72). Nouspo ortention propose par Busolin souffre de quelques approximations. ugosits des drains et du galet ne sont pas exprimes dans les mmes grandeurs. outefois lapproche de Busolin consistant considrer une tranche de rtention pour sa capacit de dbit parat intressante et mrite surement dtre exploite dans la suite de cette recherche. lauteur montre quils ont des aptitudes pour le transport de leau. Les relations tablies icipermettentdecalculerledbitadmissibledunetranchedertention/infiltration munie de drains de la mme manire que pour une canalisation classique en coulement permanent. LadedBusolin sont intressantes pour dfinir les besoins en quipements et en instrumentation dusiteexprimental(paragraphe2.2.2Prsentationdudispositifuv nstoutefoisnoterquelexpressiondudbitcapabledunetranchede Lasurfacemouilledugaletnestpasdonneenfonctiondelahauteur deau ;Les rT43 Etude hydraulique des tranches de rtention / infiltration Etude du comportement hydraulique des drains et couplage sur une chausse structure rservoir Silaconnaissancedudbitcapabledunetrancheconstitue de galet et de drains est intressanteenvuedudimensionnementdecesouvrages,linjectiondeleaudansla structure poreuse constitue aussi un axe de recherche sur le fonctionnement hydraulique des tranches de rtention / infiltration. LestudesmenesparDakhlaoui(1995)ontpourobjectifdecaractriser linjection de leau par des drains dans une chausse structure rservoir. Cette recherche se base sur une tude exprimentale (Figure 1.22). Figure 1.22 Dispositif exprimental pour ltude de la diffusion par les drains (Dakhlaoui, 1995) Le dispositif exprimental permet de mesurer les dbits diffuss par le drain en fonction de la charge deau lamont du drain. Les dbits sont mesurs sur le linaire du drain. Cetterechercheamontrquelacapacitdediffusiondesdrainsestlammeavecou sansgalet.Laporositdumatriaunestpaslefacteurlimitantdeladiffusiondeleau parlesdrains.Lacquisitiondecesmesuresapermisdecaleretvaliderunmodle numriquedediffusionparlesdrains,cemodleestappelHYDRODIF.Lobjectifdu modleHYDRODIFestdeprendreencomptelesperturbationsduesladiffusionde leau dans le calcul de lcoulement de leau dans les drains. Les hypothses du modle sont les suivantes (Dakhlaoui, 1995) : 44 Chapitre 1. Prsentation du sujet Lcoulement est permanent et monodimensionnel suivant laxe du drain ; Pour chaque section dcoulement, la distribution des vitesses est suppose uniforme, la rpartition des pressions est suppose hydrostatique ; La modlisation mathmatique des coulements le long des drains diffusant les eaux pluviales dans les structures rservoir est base sur les principes de conservation de la masse et de lnergie. Encombinantlesquationsdecontinuitetdynamiques,lauteuraobtenulquation diffrentielle suivante qui caractrise lcoulement dans un drain diffusant : ( ) ( )( )( )( )( ) yy x qy x S gy x uy x J x Iddiff,,,, + =Avec :trique, drain par unit de longueur, longueur (calcule par la formule de acclration de la pesanteur. e modle HYDRODIF ncessite la formulation de qdiff, le dbit de diffusion du drain par slouvrageestinfrieureaudiamtredudrain.Lergime coulement est dit noy lorsque la hauteur deau dans louvrage est suprieure au diamtre du drain. x F xr, 12dy1.8 x :abscisse, y :hauteur pizomu :vitesse de lcoulement, I : pente du drain, qdiff :dbit de diffusion duS :section mouille de lcoulement, Fr : nombre de Froude, J :perte de charge par unit de Manning-Strickler), g : Lunit de longueur. Sur la base de ltude exprimentale prsente en Figure 1.22, Dakhlaoui a tabli deux relations permettant de calculer le dbit de diffusion des drains. Les relations diffrent en fonctiondurgimedcoulementdansledrain.Lergimeestdit dnoy lorsquela hauteurdeaudand45 Etude hydraulique des tranches de rtention / infiltration Enrgimedcoulementdnoy,ledbitdediffusiondesdrainsestdonnparla relation : ( ) y g S c y C qf f diff = 21.9 Avec :y :hauteur pizomtrique Cf : fonctiondpendantdelagomtriedudrainetdelarpartition des fentes c :coefficient semblable un coefficient de contraction Sf :section des fentes du drain g :acclration de la pesanteur. En rgime dcoulement noy, le dbit de diffusion des drains est donn par la relation : ( ) z y g S C qf d diff = 21.10 Avec :: diffrence de charge entre lintrieur et lextrieur du drain( ) z y C: un coefficient de dbit. dLe calage des paramtres c et Cpour diffrents diamtres de drains est donn dans le Tableau 1.3 :dc Tableau 1.3 Calages des paramtres de calcul du dbit de diffusion des drains (Dakhlaoui, 1995) Lauteur propose ensuite un modle de simulation des coulements dans une chausse structure iat initialeme au dans une nappe aquifre. e modle permet ecalculerlesniveauxdeauetlesdbitsdansdiffrentesconfigurations :injection r servoirsansdrain.CemodleestdrivdumodleNAPPqunt dvelopp pour dterminer les coulements deLe modle NAPP est bas sur deux quations :une quation de continuit (quation de conservation de la masse), une quation de transfert (Formule de Darcy). Lemodletientcomptedenombreuseshypothsesetconditionsauxlimites.La rsolution numrique du modle sappuie sur un code lments finis. Ldponctuelledeauouinjectionparenrobdrainant,rgulationpardbitavalimposou par hauteur aval impose, chausses structure rservoir en cascade. 46 Chapitre 1. Prsentation du sujet Cetterechercheconsistecouplerlecomportementhydrauliquedesdrainsau comportementhydrauliquedugaletpourconstruireunmodleglobaldesimulation hydrauliquedeschaussesstructurerservoir.Lecouplagedesdeuxtypesde simulation (drain et galet) est ralis en considrant les drains comme un matriau trs rteporosit.LesdrainssontalorsmodlisssousNAPPencalantlesrsultatsavec YDRODIF. Une permabilit dinterface reprsente les fentes de diffusion du drain. modle HYDRODIF reste atparamtrpourles grad dHYDRODIF cal ouslemodleNAPP.Laussi,lesrsultatsobtenussontdessimulationsnumriques nt de comprendre des tranches. De fait, les quations mcanistes qui ont un intrt pour foH Les enseignements que nous tirons des travaux de recherche de Dakhlaoui sont divers. Dunct,lefonctionnementhydrauliquedesdrainsestdcritavecprcisiondansde nombreusesconfigurations.LoutildesimulationhydrauliqueHYDRODIFpermetde calculerlesdbitsdediffusionetlacapacitdetransportdesdrainspourunecharge amontdonne.Lesparamtresdecalculsontdetypeoprationnel :typededrain, diamtre,pente,rgimedcoulement(noyoudnoy).Cemodleestcalsurdes exprimentations ralises en conditions contrles et lchelle 1. Les exprimentations ontaussipermisdtablirquelaprsencedumatriauporeuxdestockagenavaitpas dinfluencesurlacapacitdediffusiondesdrains.Cettepartiedeltudepermetde dimensionner les dispositifs dinjection deau dans un ouvrage type chausse structure rservoir ou tranche de rtention / infiltration. Lutilisation dunanmoinslimiteauxsujetsdtudedontlesconditionsdinjectionsontsimilaires celles prsentes dans le dispositif exprimental (Figure 1.22). Dunautrect,letravailralissurlecomportementhydrauliquedugaletest uniquementnumrique.Lemodleexistant(modleNAPP)caractristiquesdumatriaugaletsanscalagesurdesmesuresexprimentales ; lquation de transfert alors choisie est la formule de Darcy.Le couplage drain matriau poreux ralis utilise un modle dssans calage sur des observations douvrages en fonctionnement. La double nature des recherches de Dakhlaoui pour simuler les coulements dans les chaussesstructurerservoiraboutitunmodledifficilementexploitablepourles tranches de rtention / infiltration. Dun ct, le fonctionnement hydraulique des drains est explicit par un modle mcaniste mais ces rsultats, qui permettele fonctionnement des drains, sont dgrads lorsquils sont utiliss dans le modle global de simulation du fonctionnement des chausses structure rservoir. SilestudesdeDakhlaouietcellesprsentesdanscettethseontdesthmatiques similaires,lobjectifestpournousdeconstruireunmodledetypeprdictifsurle fonctionnement 47 Etude hydraulique des tranches de rtention / infiltration la comprhension des phnomnes ne sont pas ncessairement les plus adaptes notre problmatique. Etude exprimentael du comportement hydraulique du galet Ltudeducomportementhydrauliquedematriauxtrsporeuxtelsquelegalet intressedautresdisciplinesquelhydrologieurbaine.Ainsi,dansledomainede es est, dans ce contexte, dvacuer le surplus deau prsent dans les rrains agricoles. Dans ce domaine, Bordier et Zimmer (2000) ont tudi la capacit de transport de leau dans des tranches constitues uniquement de galet.Lescapacitsdcoulementdanslegaletsontgnralementcalculesenutilisantla formule de Darcy : akhlaoui et du modle NAPP dcrit prcdemment. Lutilisation de la formule de Darcy suppose que lcoulement dans le galet soit laminaire. La turbulence dun coulemenlamnagementrural,lesculturessonthabituellementdrainespardestranches.La fonction des tranchte grad K u = 1.11 Ouestlavitessedeleaudanslatranche,Klapermabilitetgrad,legradient hydraulique de la tranche. Cetteformulationdelacapacitdcoulementdanslegaletreprendleshypothsesde Dt est donneparlavaleurdunombredeReynolds ;danslecasdunmatriaugranulaire, lexpression du nombre de Reynolds est donne par la relation : =u DRe 1.12 ORestlenombredeReynolds,Dlediamtremoyendesvidesentrelesgalets,ula vitesse du fluide et la viscosit du fluide. aprs Schneebeli (1966), lcoulement est dit : Latrsforteporositdugaletmisenuvredanslestranchesrendlergime dcoulementturbulent,mmepourdefaiblespentes,BordieretZimmer(2000).Dans Dlaminaire si 1 Re