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DISPOSITIF DE MUR DRAINANT IMPLANTE DANS UN SOL
Domaine de 1'invention
L'invention concerne la protection d'une
zone ou d'une installation terrestre ou souterraine
vis-à-vis de l'écoulement des eaux dans le sol
entourant le site. Ce type de mur drainant peut à la
fois protéger la zone ou l'installation en question
contre l'entraïnement de la pollution interne par suite
de l'endommagement de cette zone ou installation par
les écoulements d'eau, mais également protéger une zone
ou installation et ses environs d'une pollution externe
entraînée par des écoulements à travers le site pollué.
Un tel mur drainant permet d'envisager également le
nettoyage d'un sol pollué par pompage hydraulique. Une
application est prévue pour le stockage géologique de
déchets toxiques en particulier de déchets nucléaires.
Art antérieur et problèmes posés
Dans le cadre de la protection
d'installations terrestres ou de leurs fondations,
telles que les fondations d'un bâtiment, il est connu
de protéger le volume souterrain de ces installations
pour éviter que les eaux de ruissellement et
d'écoulement à travers la roche ne viennent les
attaquer. Dans de nombreux cas, on utilise des
enveloppes imperméables entourant le volume à protéger,
c'est-à-dire qu'on utilise des enceintes ou des murs en
béton autour des installations sur une profondeur
déterminée.
Or, il se trouve que la construction de
certains murs devant des sites urbains n'évitent pas
que des eaux souterraines y accèdent. En effet, si
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elles constituent des surfaces le long desquelles les
ruissellements sont stoppés ou déviés, elles réalisent
aussi des accumulations de pression qui se traduisent
par une accélération des écoulements sur les bords du
mur et des cheminements privilégiés de l'eau, lorsque
ce mur étanche ne ceinture pas complètement le site. En
d'autres termes, ces ruissellements d'eau ayant été
confrontés aux murs se trouvent accumulés sur les bords
de ces murs et constituent à ces endroits une menace
plus importante. Il s'ensuit que, si le mur n'est pas
suffisamment large ou ne constitue pas une cuve fermée,
l'eau devient alors, en grande quantité une menace plus
importante que si le mur n'avait pas été construit.
D'autre part, dans le cadre du stockage
géologique de certains matériaux, tels que les
matériaux irradiés et les déchets produits par les
usines nucléaires, les spécialistes ont été amené à
tenir compte des phénomènes hydrauliques se produisant
dans la roche où sont implantés ces déchets. Des
concepts hydrauliques ont donc été étudiés pour une
durée à long terme, c'est-à-dire efficaces lorsque les
phénomènes géohydrauliques sont seuls responsables des
écoulements. Des simulations numériques ont été
effectuées et on sait maintenant utiliser des puits
dits "drainants" à l'intérieur du sous-sol dans lequel
la zone de stockage est implantée.
A cet effet, la figure 1 représente en
coupe une région avec son sous-sol dans laquelle un
phénomène de faille a eu lieu. Ce phénomène est
symbolisé par deux fissures, une fissure amont 1 et une
fissure aval 2. La flèche 3 placée en sous-sol montre
le sens de l'écoulement des eaux à cet endroit. Les
traits verticaux 4 parallèles entre eux symbolisent des
puits de stockage réunis à leur sommet par une galerie
horizontale de manutention 5. Les puits verticaux 6
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placés à l'extrémité de cette installation de stockage
sont des puits drainants. Des flèches placés aux
alentours de ces puits drainants 6 montrent que les
écoulements environnants sont attirés par ces puits
drainants 6 et sont canalisées par la galerie
horizontale de manutention. Ainsi, les écoulements ont
tendance à éviter les puits de stockage 4. Ceci a pour
conséquence que l'eau transitant par cette zone de
stockage ressort avec un taux de radioactivité
partiellement réduit.
Cependant, en référence à la figure 2A,
lorsque plusieurs rangées de galeries de manutention 7
et de puits de stockage 4 sont placées parallèlement
les unes aux autres, les écoulements peuvent facilement
passer entre ces galeries de manutention 7, une seule
relativement infime partie étant captée par les puits
drainants 6 placés en tête de galerie. On précise que
ces séries de puits de stockage 4 doivent être
relativement écartées les unes par rapport aux autres
pour respecter les contraintes thermiques du fait que
la chaleur dégagée par les déchets stockés ne peut
s'évacuer que par diffusion.
Ces puits et galeries réalisent ainsi un
drainage de l'eau en provenance de l'amont du stockage
sur une largeur importante de massif lorsqu'ils sont
remblayés par un matériau avec une perméabilité plus
importante que celle du massif.
Par ailleurs, et comme le montre la figure
2B, les écoulements du massif sont détournés de leur
orientation initiale, horizontale le plus généralement,
pour atteindre une orientation verticale au voisinage
des puits de stockage. C'est le cas si le stockage
constitué de plusieurs rangées de puits de stockage 6
et de galeries de manutentions 'placées parallèlement
les unes aux autres (figure 2A) possède des défauts de
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perméabilité, c'est-à-dire si les excavations sont
remplies avec un matériau possédant une perméabilité
plus importante que celle du massif. Ces puits
contribuent alors à drainer l'eau en provenance de
l'amont du stockage également sur une hauteur
importante de massif. Toute cette eau drainée est alors
canalisée jusqu'au contact des déchets situés dans les
puits de stockage. Sa contamination potentielle est
alors accrue par l'existence de toutes ces excavations
drainantes.
Le but de l'invention est de remédier à ces
inconvénients et, de manière générale, d'isoler un
volume souterrain des écoulements ayant lieu dans le
sous-sol à cet endroit, pour éviter d'altérer ce volume
par les eaux d'écoulement ou pour éviter que ces eaux
d'écoulement n'extraient des matières polluantes en le
traversant.
Résumé de l'invention
A cet effet, le premier objet principal de
l'invention est un dispositif de mur drainant implanté
dans un sol pour protéger une zone ou une installation
terrestre ou souterraine contre les écoulements
hydrauliques dans le sous-sol, ce mur comprenant
principalement :
- une pluralité de puits drainants formant un mur
placé en amont de ladite zone à protéger,
définissant chacun un rayon d'influence
hydraulique déterminée, verticaux, espacés les
uns des autres d'une distance très supérieure
audit rayon d'influence hydraulique,
- au moins une première galerie de drainage et
d'équilibrage sensiblement horizontale, dite
galerie des puits, reliant les puits drainants
entre eux ;
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- au moins une deuxième galerie de drainage et
d'équilibrage, dite galerie amont/aval ; et
- des moyens pour évacuer les débits drainés et
reliés hydrauliquement avec les galeries de
5 drainage et d'équilibrage.
Les moyens pour évacuer les débits drainés
hydrauliquement peuvent être constitués par un
dispositif de pompage relié à la galerie amont/aval.
Dans une deuxième solution, les moyens pour
évacuer les débits drainés hydrauliquement sont
constitués par l'exutoire naturel aval de la zone
souterraine.
Dans une troisième solution, les moyens
pour évacuer les débits drainés hydrauliquement peuvent
être également constitués d'une pluralité de puits
drainants situés en aval, reliés entre eux par au moins
une deuxième galerie de puits espacés les uns des
autres d'une distance très supérieure au rayon
d'influence hydraulique d'un puits isolé pour acheminer
les débits drainés en aval de la zone ou de
l'installation.
De préférence, si la zone ou l'installation
souterrain a une hauteur déterminée, les puits
drainants ont également une hauteur déterminée plus
importante que la hauteur de la zone ou du volume.
Un deuxième objet principal de l'invention
est un procédé de protection d'une zone ou d'une
installation terrestre ou souterraine contre les
écoulements hydrauliques dans le sous-sol dans une
direction déterminée, ce procédé consistant à placer un
dispositif de mur drainant tel qu'il vient d'être
résumé, sensiblement perpendiculaire à la direction
déterminée d'écoulement, en amont de la zone ou de
l'installation.
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Dans le cas où l'installation ou la zone
est une installation de stockage de déchets nucléaires
comportant dés galeries d'accès, chacune de ces
galeries d'accès possédant un nombre déterminé de puits
de stockage, ces galeries d'accès sont des galeries
drainantes amont/aval qui se prolongent jusqu'à la
pluralité de puits situés à l'amont et à l'aval
hydraulique de l'installation à la hauteur de la
deuxième galerie de puits de drainage, le nombre de
puits drainants étant deux à cinq fois plus important
que le nombre de galeries axiales drainantes.
Liste des figures
L'invention et ses différentes techniques
seront mieux comprises à la lecture de la description
suivante, illustrée des figures représentant
respectivement :
- figure 1, en coupe frontale, le sous-sol
d'un terrain dans lequel est implantée une zone de
stockage de déchets nucléaires équipée d'un système
drainant selon l'art antérieur et devant être complétée
selon l'invention :
- figure 2A, un schéma en vue de dessus de
l'installation de la figure 1 ;
- figure 2B, un schéma en perspective des
écoulements au voisinage de l'installation de la figure
2 ;
- figure 3, un schéma en vue de dessus
d'une installation de la figure 1 équipée d'un
dispositif de mur selon l'invention ;
- figure 4, un schéma en vue cavalière
d'une installation de stockage de déchets nucléaires à
laquelle est appliqué le dispositif de mur selon
l'invention ;
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- figure 5, une vue cavalière écorchée
d'une installation souterraine équipée d'un dispositif
de mur selon l'invention dans une première réalisation
particulière ;
- figure 6, un schéma relatif à
l'utilisation de l'invention pour la protection d'un
tunnel ; et
- figure 7, un schéma en vue cavalière
écorchée d'une installation souterraine équipée d'un
dispositif de mur selon l'invention dans une deuxième
réalisation.
Description détaillée de l'invention et d'une de ses
applications
En référence à la figure 3, l'invention
propose de rajouter des puits drainants 6A en plus des
puits drainants 6 de la figure 2A, entre ces puits 6
initialement prévus.
En revenant au schéma de la figure 2A, on
sait et on a constaté par étude bidimensionnelle que
les puits drainants 6 limitent le captage des filets
d'écoulement d'eau au voisinage de leur pourtour. A ce
sujet, on connaît une zone d'influence d'un puits de
drainage isolé qui peut être comprise entre deux ou
trois fois le diamètre autour de chaque puits drainant.
Au-delà, on est amené à penser que le puits drainant
n'a plus d'influence sur le sous-sol dans lequel il est
implanté. Il vient donc à l'esprit du technicien de ce
type de drainage qu'un nombre très important de puits
de drainage serait nécessaire pour empêcher les
écoulements à l'entrée d'une zone de stockage
comprenant plusieurs séries de puits de stockage
parallèles entre elles et espacées de plusieurs
dizaines de mètres.
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Or, des calculs numériques en trois
dimensions et des résultats expérimentaux à partir
d'une maquette rhéoélectrique du système montrent que
la largeur d'influence d'un puits drainant peut
s'élèver jusqu'à environ vingt mètres dans la direction
transversale, c'est-à-dire perpendiculaire à la
direction de l'écoulement, alors que ces puits
drainants ont une largeur inférieure au mètre. On
s'aperçoit donc que cette influence est beaucoup plus
importante dans cette direction que lorsque les puits
drainants se trouvent dans la direction de l'écoulement
et isolés, puisque dans ce dernier cas, cette influence
ne dépasse pas les trois mètres.
Comme le montre la figure 3, il est donc
proposé, dans ce cas d'application, de disposer de
puits drainants 6A supplémentaires aux puits drainants
6 placés en tête des galeries d'accès qui deviennent
des galeries axiales drainantes et d'équilibrage dite
galeries amont/aval 7 et font office de moyens pour
décharger hydrauliquement le mur.
La figure 1 proposait un puits drainant 6
relativement profond. Comme on peut le constater les
flèches inférieures montrent que le drainage général
dans la zone délimitée par les fissures 1 et 2 s'écoule
dans la direction de la flèche 3. Par contre, aux
environs de la base du puits drainant 6, l'écoulement a
tendance à être attiré par ce dernier et la direction
de l'écoulement peut s'inverser jusqu'en aval du puits
drainant 6. Cette inversion constitue un phénomène
particulièrement intéressant à exploiter pour limiter
les entraînements d'eau jusqu'à la base des puits de
stockage 4 s'il est possible de le réaliser sur tout
l'espace du massif situé sous la zone de stockage. Cet
effet est conservé dans le dispositif du mur drainant
selon l'invention si les puits drainants 6 sont plus
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profonds que la zone à protéger. Il est même montré
qu'il permet d'aboutir dans ce cas à une réduction
importante des circulations d'eau sous la zone de
stockage en direction des puits de stockage 4. Cette
réduction s'avère encore plus importante si des
bouchons imperméables ou peu perméables sont placés en
tête des puits de stockage 4.
Dans la figure 3, on note qu'une galerie de
drainage et d'équilibrage, dite galerie de puits de
drainage 8, perpendiculaire aux galeries axiales
drainantes 17 et parallèle à une galerie centrale
d'accès 9 est prévue au niveau des puits drainants 6 et
6A. Cette galerie de puits de drainage 8 favorise
l'efficacité des puits drainants 6 et 6A et augmente
donc leur distance d'influence pour tenir l'efficacité
désirée, malgré l'espacement relativement important
entre chaque puits drainant. Cette galerie de puits de
drainage 8 permet d'évacuer les débits drainés par les
puits 6, 6A.
Sur la figure 4, est représenté en détail
une installation de stockage de déchets nucléaires
souterraine. On y retrouve une galerie générale 9
donnant accès à des galeries amont/aval 7. Chacune de
ces galeries amont/aval 7 permet d'accéder à une série
de puits de stockage 4 dans chacun desquels sont
glissés plusieurs colis de déchets nucléaires coulés
dans une masse de verre. Le tout peut être couvert
d'argile à l'intérieur des puits de stockage 4. Une
ventilation est organisée dans la galerie d'accès
central 9 et les galeries drainantes amont/aval 7 avec
une galerie de retour d'air 18.
La propriété drainante des galeries
amont/aval peut être supprimée si des serrements (ou
bouchons) y sont placés à la fermeture du stockage. La
liaison hydraulique entre le mur drainant amont et
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l'aval peut alors être réalisée au moyen de la galerie
de retour d'air 18 si celle-ci est remblayée par un
matériau drainant à la fermeture du stockage.
On remarque que, considérant la direction
5 de la flèche 10 symbolisant la direction de
l'écoulement général de l'eau dans la roche, un mur
drainant est placé en amont de la structure. Il peut
s'avérer efficace de placer également un mur drainant
en aval référencé par ses tubes drainants 6B.
10 On note que la profondeur des puits
drainants 6, 6A et 6B permet de capter également un
gradient de circulation géohydraulique vertical.
Le système ne fonctionne que s'il existe au
moins une galerie amont/aval 7 dans l'axe de
l'écoulement qui relie ce mur drainant à l'aval
hydraulique de cette zone à protéger.
Un mur aval peut être également construit
il permettra de limiter la profondeur du mur amont et
la longueur de la galerie drainante axiale creusée à
l'aval de cette zone.
En référence à la figure 5, le principe
général de l'invention est donc de dresser un mur
drainant comprenant des puits drainants 6 verticaux,
espacés les uns des autres et reliés à une de leurs
extrémités par une galerie de puits de drainage 8. La
hauteur des puits drainants est supérieure à la hauteur
du volume ou de la zone 11 souterraine ou non à
protéger des écoulements hydrauliques, quelle que soit
la porosité du massif ou du sous-sol en question. La
largeur du mur drainant peut également être supérieure
à la largeur de ce volume 11. Quoi qu'il en soit, le
fait que les puits drainants 6 soient reliés entre eux
par une galerie de puits de drainage horizontale 8
favorisent grandement leur efficacité par rapport à
l'efficacité des puits drainants évoqués dans
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l'installation de la figure 1 et notamment de la figure
2, ces dernières proposant des puits drainants en
regard simplement des éléments à protéger.
Le mur de puits drainants 6 se complète
d'une galerie de drainage et d'équilibrage dite galerie
amont/aval 7, orientée axialement dans le sens de
l'écoulement global souterrain. Elle est reliée en
amont à la galerie des puits de drainage 8 et en aval à
un deuxième mur de puits drainants 6 par une autre
galerie de puits de drainage 8.
On constate également que l'espacement de
ces puits drainants 6 est relativement important, par
rapport à la zone d'influence hydraulique qu'ils
possèdent indépendamment les uns des autres dans la
direction parallèle à l'écoulement des eaux.
On peut ainsi protéger non seulement une
zone souterraine de stockage de déchets, mais également
des fondations d'immeubles et de maisons installées
dans des zones où le terrain est peu stable et où les
écoulements sont importants.
On peut également protéger des
constructions souterraines telles que des tunnels
routiers ou ferroviaires, des caves ou des parkings
souterrains.
Des murs drainants peuvent être réalisés
également sur les deux autres faces de la zone à
protéger pour faire face à l'éventuelle évolution de la
direction générale de l'écoulement.
Un autre moyen pour permettre
l'entraînement des eaux en provenance de l'amont du
site et collectées par le mur drainant amont vers
l'aval consiste à utiliser d'autres galeries plus
éloignées des déchets nucléaires, telles que les
galeries de retour d'air qui sont envisagées au-dessus
des galeries d'accès ou axiales drainantes évoquées
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ci-dessus, pourvu qu'elles soient remblayées avec un
matériau perméable.
On envisage également d'utiliser un tel mur
drainant, pour protéger les nappes de produits
pétroliers lors des écoulements hydrauliques terrestres
et souterrains, afin d'éviter que les produits
pétroliers pompés à partir de ces nappes ne contiennent
trop d'eau.
On peut protéger aussi un site urbain de
l'entraînement de la pollution accidentelle d'un sol
sous une installation industrielle ou artisanale avec
ce procédé.
La figure 6 montre un exemple d'utilisation
particulier du dispositif de mur, selon l'invention,
pour la protection d'un tunnel 20 contre un écoulement
général des eaux à l'intérieur d'un massif, symbolisé
par la flèche horizontale 21. Le mur est toujours
constitué de puits drainants 6, à la différence que ces
puits peuvent déboucher à la surface 24 du sol du
massif traversé par le tunnel 20. La galerie de puits
de drainage 22 qui relie les puits drainants 6 est
placée dans ce cas à leurs extrémités inférieures. Une
galerie amont/aval 23 peut également être prévue au
même niveau que la galerie de,puits de drainage 22.
Dans ce cas, la galerie amont/aval 23 passe en dessous
du tunnel 20 pour déboucher en aval de celui-ci jusqu'à
l'exutoire naturel par rapport à l'écoulement général
des eaux, symbolisé par la flèche 21.
La figure 7 représente une autre
réalisation des moyens pour décharger hydrauliquement
le mur. C'est une station de pompage 18 qui remplit
cette fonction, par l'intermédiaire d'une conduite 19
connectée à la galerie de drainage et d'équilibrage
amont/aval 7.
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On peut envisager de nettoyer également un
sol pollué par réalisation d'un tel mur drainant et sa
mise en place à une position judicieuse. Un mur
drainant disposé à l'aval et à.une certaine distance du
site pollué permettra un délai d'action beaucoup moins
limité que dans le cas d'un réseau de puits dans la
zone polluée, d'une part. Cette solution évite
également de déterminer la localisation précise de
cette zone, d'autre part. Enfin, elle ne nécessite pas
un dimensionnement aussi important du matériel de
pompage que dans le cas d'un réseau de puits dans la
zone polluée.
Ce procédé peut s'appliquer également à un
stockage de déchets nucléaires sans puits verticaux.
Les colis de déchets sont alors placés dans les
galeries d'accès horizontales moyennant la précaution
suivante : la galerie drainante axiale (ou les)
doi(ven)t être isolée(s) hydrauliquement de ces
galeries d'accès : des serrements (ou bouchons) peu
perméables doivent être réalisés à l'entrée et à la
sortie de ces galeries d'accès.
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