CA2204407C - Dispositif de mur drainant implante dans un sol - Google Patents

Abstract

Le dispositif de mur drainant permet d'empêcher les écoulements hydrauliques dans un sol de pénétrer dans une zone souterraine ou terrestre (11). Il est constitué principalement de puits drainants (6) reliés à leurs extrémités par une galerie de drainage et d'équilibrage (8). L'ensemble est placé en vis-à-vis de l'écoulement souterrain de l'eau (10) et complété d'une galerie axiale de drainage (13) pour acheminer les écoulements collectés jusqu'à
l'aval de la zone à protéger ou d'un autre système pour décharger hydrauliquement le mur. L'espace entre chaque puits drainant (6) peut être relativement important. Application à la protection de la pollution de sols urbains, à l'isolement des fondations d'immeubles et au stockage des déchets nucléaires en puits de stockage verticaux.

Description

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

2 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

3 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 FEUILLE DE REMPLACEMENT (REGLE 26)

4 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 ;

- 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.

6 PCT/FR96/01355 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 ;

FEUILLE DE REMPLACEMENT (REGLE 26) -

7 - 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.

FEUILLE DE REMPLACEMENT (REGLE 26)

8 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

9 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 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

11 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

12 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.

13 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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Claims (8)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de mur drainant implanté dans un sous-sol pour protéger une zone ou une installation terrestre ou souterraine (11, 20) contre les écoulements hydrauliques dans le sous-sol, le mur drainant comprenant :
- une pluralité de puits drainants (6,6A) 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 hydraulique, - au moins une première galerie de drainage et d'équilibrage sensiblement horizontale, dite galerie des puits de drainage (8) reliant les puits drainants (6,6A) entre eux ;
- au moins une deuxième galerie de drainage et d'équilibrage dite galerie amont/aval (7, 23) ;et - des moyens pour évacuer les débits drainés et reliés hydrauliquement avec les galeries de drainage et d'équilibrage (8, 7, 23).

2. Dispositif de mur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour évacuer les débits drainés hydrauliquement sont constitués par un dispositif de pompage (18) relié à la galerie amont/aval (13, 7, 23).

3. Dispositif de mur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour évacuer les débits drainés hydrauliquement sont constitués par l'exutoire naturel aval de la zone souterraine.

4. Dispositif de mur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour évacuer les débits drainés hydrauliquement sont constitués d'une pluralité de puits drainants (12) situés en aval, reliés entre eux par au moins une deuxième galerie de drainage et d'équilibrage de puits de drainage (8) 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 (11, 20).

5. Dispositif de mur drainant selon la revendication 1, la zone ou l'installation (11, 20) à
protéger ayant une hauteur déterminée, caractérisé en ce que les puits drainants (6,6A) ont une hauteur plus importante que celle-ci.

6. Procédé de protection d'une zone ou d'une installation souterraine (11, 20) contre les écoulements hydrauliques dans le sous-sol dans une direction déterminée, caractérisé en ce qu'il consiste à placer un dispositif de mur drainant d'après l'une des revendications 1 ou 2, le mur étant placé en amont de cette zone ou ce volume (11, 20) et sensiblement perpendiculairement à la direction d'écoulement.

7. Procédé de protection selon la revendication 6, mis en oeuvre dans un sous-sol où se trouve une galerie destinée initialement au retour d'air (18) et orientée dans le sens des écoulements hydrauliques, caractérisé en ce que la galerie de drainage et d'équilibrage amont/aval reliant la pluralité de puits drainants situés à l'aval hydraulique d'évacuation des débits drainés est constituée par au moins la galerie destinée initialement aux retours d'air (18).

8. Procédé selon la revendication 6, la zone ou le volume (11, 20) étant une installation de stockage de déchets nucléaires (11) comportant des galeries d'accès chacune de ces galeries d'accès possédant un nombre déterminé de puits de stockage (4), caractérisé en ce que ces galeries d'accès sont des galeries drainantes amont/aval (7) qui se prolongent jusqu'à la pluralité de puits (6, 6A, 6B) situés à
l'amont et à l'aval hydraulique de l'installation (11), à la hauteur de la galerie de puits de drainage, le nombre de puits drainants (6,6A) étant deux à cinq fois plus important que le nombre de galeries axiales drainantes (7).