FR2902198A1 - Appareil et systeme adaptes pour effectuer des mesures au fond d'un lac - Google Patents

Abstract

Un système permet d'effectuer des mesures sur le fond d'un lac (1000). Le système comprend un appareil (100) destiné à être immergé dans le lac à partir d'une embarcation (200), un dispositif (222) de réception de signaux de mesure transmis par l'appareil et un dispositif de commande pneumatique (230-252). L'appareil comprend un vérin équipé d'un réservoir (1), et une cloche d'ancrage (2). Lorsque la cloche est ancrée au fond du lac par dépression, le vérin permet d'enfoncer une pointe (42) munie de capteurs dans une couche sédimentaire (1002). Des mesures de caractérisation de la couche sédimentaire sont recueillies pendant l'enfoncement de la pointe. Le système peut être mis en oeuvre par deux ou trois opérateurs à partir de la surface du lac, d'une façon économique et rapide.

Description

APPAREIL ET SYSTEME ADAPTES POUR EFFECTUER DES MESURES AU FOND D'UN LAC La

présente invention concerne un appareil et un système pour effectuer des mesures au fond d'un lac. Elle concerne aussi un procédé pour effectuer de telles mesures. II est parfois utile de connaître certaines caractéristiques de sédiments qui sont présents au fond d'un lac. C'est le cas, notamment, pour un lac de retenue d'eau d'un barrage hydroélectrique, destiné à la production d'électricité. En effet, il est nécessaire de réaliser des vidanges périodiques du lac de retenue d'eau, notamment pour effectuer des contrôles du barrage. Or, lors d'une telle vidange, des sédiments non-agglomérés ou des alluvions qui sont présents au fond du lac de retenue d'eau peuvent être entraînés par le courant de vidange, lorsque la vidange est réalisée trop rapidement. Ils sont alors rejetés en aval du barrage et provoquent une pollution indésirable. Pour ajuster la vitesse de vidange du lac afin d'éviter que des quantités importantes de sédiments soient entraînées, il est utile de connaître la densité et l'épaisseur de la couche de sédiments non-agglomérés, dits aussi sédiments libres, qui sont présents au dessus du fond du lac. Par opposition aux sédiments libres, le fond réel du lac possède une densité et une dureté élevées, notamment lorsqu'il est constitué de roches. Il est couramment appelé substratum . Par extension, des portions de matériau meuble ou mobile présentes au fond du lac, telles que des lentilles de sable ou des étendues de graviers sont aussi comprises dans la désignation de sédiments, dans le cadre de la présente invention. Plusieurs méthodes existent pour caractériser l'épaisseur et la densité d'une couche de sol meuble présente au dessus d'une couche de sol dure.

Lorsqu'il s'agit de caractériser un sol sec, c'est-à-dire qui n'est pas immergé, il est connu d'enfoncer dans le sol une pointe de pénétration montée à l'extrémité d'une tige. En général, la pointe de pénétration est enfoncée dans le sol à vitesse constante, par exemple de 2 cm/s (centimètre par seconde) et des grandeurs telles que la résistance mécanique qui apparaît au niveau de la -2- pointe lors de l'enfoncement, le frottement latéral de la tige contre le matériau du sol dans lequel l'enfoncement est réalisé, et la pression interstitielle de ce matériau, sont mesurées par des capteurs appropriés. Ces capteurs sont agencés sur la tige elle-même, sur la pointe de pénétration, ou entre la tige et la pointe. Les résultats des mesures sont produits et enregistrés en temps réel, pendant l'enfoncement de la tige dans le sol. La tige est enfoncée dans le sol au moyen d'un vérin vertical arrimé à un support, qui peut être lui-même monté sur un camion. Le poids du camion, éventuellement complété par des masses supplémentaires, assure que le camion n'est pas soulevé lorsque la pointe est enfoncée dans le sol, tant que la résistance à l'enfoncement n'est pas trop élevée. Un tel système ne peut pas être transposé sur un bateau, pour sonder le fond d'un lac. En effet, la profondeur du lac peut être très importante, de sorte que la tige serait trop courte pour atteindre des sédiments présents au fond du lac. En outre, la poussée qui serait exercée sur la tige pour enfoncer la pointe de pénétration dans les sédiments déplacerait le bateau sur le lac. La tige deviendrait alors de plus en plus inclinée au fur et à mesure que la poussée serait augmentée, de sorte que la pointe ne pénétrerait pas dans les sédiments.

Pour cette raison, des carottages sont réalisés pour caractériser une couche de sédiments présente au fond d'un lac. Les carottes de matériau qui sont extraites sont analysées a posteriori, afin de connaître la composition des sédiments et du sol en fonction de la profondeur. Pour fixer l'emplacement du carottage en évitant que l'extracteur ne glisse sur le fond du lac juste avant qu'il commence à s'enfoncer, une cloche d'ancrage est d'abord posée sur le fond du lac et le volume enfermé sous la cloche est mis en dépression. Grâce à cette dépression qui est créée dans la cloche, celle-ci est plaquée au fond par la pression de l'eau extérieure, et peut servir d'appui pour enfoncer l'extracteur de carottes dans les sédiments présents au fond du lac. Mais étant donné qu'un tel procédé de carottage nécessite l'analyse ultérieure de chaque carotte extraite, les résultats de ces analyses ne sont pas disponibles immédiatement pendant l'intervention sur site, c'est-à-dire dans le lac. -3- Un but de l'invention est alors de fournir un appareil permettant d'effectuer des mesures sur le fond d'un lac, qui est maniable, peu onéreux et qui produit des résultats de mesures rapidement. Pour cela l'invention propose un appareil qui est destiné à être immergé dans un lac, et qui comprend : - un vérin comprenant lui-même : . un cylindre ayant une extrémité inférieure et une extrémité supérieure ; . un piston mobile à l'intérieur du cylindre ; . une tige de longueur constante connectée au piston et traversant l'extrémité inférieure du cylindre ; . deux volumes étanches, respectivement supérieur et inférieur, situés à l'intérieur du cylindre et séparés par le piston ; . un orifice d'alimentation et d'évacuation du volume supérieur, situé à l'extrémité supérieure du cylindre ; - un régulateur de débit ; - un réservoir d'eau qui est rigidement connecté au volume inférieur par le régulateur de débit, à l'extrémité inférieure du cylindre, et qui est muni d'un premier orifice de remplissage destiné à être connecté à une source d'eau, et d'un second orifice d'alimentation et d'évacuation destiné à être connecté à une source de gaz pressurisé ; - une pointe de pénétration qui est fixée à une extrémité de la tige opposée au piston ; - au moins un capteur de mesure qui est agencé sur la tige, sur la pointe de pénétration ou entre la tige et la pointe ; - un moyen d'accrochage d'un câble de retenue de l'appareil, disposé à proximité de l'extrémité supérieure du cylindre ; -un dispositif de transmission de signaux de mesure produits par le capteur, agencé pour transmettre ces signaux à un récepteur externe à l'appareil ; - une cloche d'ancrage qui a une paroi latérale et une paroi supérieure étanches, et une ouverture opposée à la paroi supérieure, la cloche -4- étant rigidement fixée à l'extrémité inférieure du cylindre du côté de la paroi supérieure ; et - un dispositif de mise en dépression d'un volume intérieur de la cloche. Le régulateur de débit est adapté pour contrôler une vitesse de déplacement du piston dans le cylindre par l'intermédiaire d'un débit de transfert d'eau entre le volume inférieur et le réservoir d'eau. En outre, la tige traverse la paroi supérieure de la cloche de sorte qu'une portion de tige de longueur variable s'étend à l'extérieur de la cloche par l'ouverture de celle-ci, d'un côté opposé au cylindre, en fonction de la position du piston dans le cylindre.

Ainsi, un appareil selon l'invention peut être descendu dans l'eau d'un lac par l'intermédiaire du câble de retenue, à partir d'une embarcation flottant à la surface de l'eau, telle qu'un bateau, une bouée ou une plateforme. Lorsque l'appareil est suspendu par le câble, la cloche d'ancrage est située à l'extrémité inférieure de l'appareil. Une fois que la cloche repose sur une couche de sédiments présente au fond du lac par le bord inférieur de sa paroi latérale, l'appareil est vertical. Une dépression peut alors être créée dans le volume qui est enfermé entre la cloche et la couche de sédiments, de façon à ce que la pression de l'eau externe enfonce la cloche dans le fond du lac. De cette façon, l'appareil est ancré dans la couche de sédiments. La pointe de pénétration peut ensuite être enfoncée dans la couche de sédiments, puis éventuellement dans le substratum, étant donné que le cylindre du vérin est retenu immobile par la cloche. Lors de l'enfoncement, le capteur produit des signaux de mesure en temps réel qui sont transmis vers un récepteur approprié installé à la surface du lac.

Un tel appareil présente de nombreux avantages, parmi lesquels on peut citer : - il est de taille limitée et suffisamment léger pour pouvoir être manipulé par deux ou trois personnes à bord d'une embarcation de petites dimensions. Pour cette raison, sa mise en oeuvre est peu onéreuse ; - il peut être réalisé à partir de composants disponibles commercialement et de coût limité ; - l'appareil peut être entièrement contrôlé à partir de la surface du lac. Autrement dit, sa mise en oeuvre ne nécessite pas l'intervention de plongeurs ; - la mise en oeuvre de l'appareil pour effectuer des mesures à un endroit déterminé du lac peut être rapide. L'immersion de l'appareil, son ancrage au fond du lac, l'enfoncement de la pointe dans la couche de sédiments et la remontée de l'appareil peuvent être effectués en une durée inférieure à deux heures ; - l'appareil produit en temps réel des résultats de mesures qui caractérisent la couche de sédiments présente au fond du lac. Ces résultats sont disponibles immédiatement lors de l'enfoncement de la pointe de pénétration au fond du lac ; - sa conception permet de réaliser des mesures dans des lacs très profonds, lorsqu'un câble de retenue qui a une longueur suffisante est utilisé pour immerger l'appareil ; et - il peut permettre de caractériser des couches de sédiments épaisses, lorsque le cylindre et la tige du vérin ont des dimensions appropriées. De façon générale, plusieurs types de dispositifs de transmission peuvent être utilisés, pour transmettre les signaux de mesure au récepteur situé à l'extérieur de l'appareil. Par exemple, des dispositifs peuvent être utilisés, qui sont adaptés pour transmettre des signaux électriques par une connexion électrique reliant ce dispositif de transmission au récepteur, ou pour réaliser une transmission ultrasonore à travers l'eau du lac. Avantageusement, l'appareil peut comprendre en outre un boîtier qui contient le dispositif de transmission des signaux de mesure produits par le capteur. De préférence, ce boîtier est étanche et peut être disposé à l'extrémité supérieure du cylindre.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le dispositif de mise en dépression du volume intérieur de la cloche d'ancrage comprend : un orifice d'aspiration du volume intérieur de la cloche d'ancrage ; une cheminée qui s'étend parallèlement au cylindre du vérin en direction de l'extrémité supérieure de ce dernier, qui possède une entrée connectée à l'orifice d'aspiration, et une sortie située à une extrémité de la cheminée opposée à l'entrée ; un embout de raccordement qui est adapté pour injecter un gaz dans la cheminée à proximité de l'entrée de celle-ci ; -6- - une vanne d'inversion ayant un passage à double sens qui est connecté à la sortie de la cheminée, une entrée qui est reliée à l'orifice d'alimentation et d'évacuation du volume supérieur du vérin, et une sortie d'éjection ; et - un clapet anti-retour qui est connecté à l'embout de raccordement et qui est adapté pour permettre d'injecter du gaz par cet embout. L'appareil peut alors être mis en oeuvre en n'utilisant que des bouteilles de gaz pressurisé, du type bouteilles de plongée. En particulier, aucune pompe pneumatique ni hydraulique n'est nécessaire, à bord de l'embarcation. ~o L'appareil est donc d'utilisation simple et ne requiert qu'un entretien très réduit. L'invention propose aussi un système adapté pour effectuer des mesures au fond d'un lac, qui comprend : - un appareil tel que décrit précédemment ; - un câble de retenue qui est accroché à l'appareil par une première 15 extrémité de ce câble ; - un moyen d'accrochage d'une seconde extrémité du câble de retenue, qui est destiné à être maintenu à la surface du lac ; et - un dispositif de réception des signaux de mesure transmis par le dispositif de transmission de l'appareil. 20 L'invention propose encore un procédé pour effectuer des mesures d'une couche de sédiments présente au fond d'un lac en utilisant un système tel que décrit précédemment. Le procédé comprend les étapes suivantes : /1/ lorsque le piston est situé à l'extrémité inférieure du cylindre, connecter le premier orifice du réservoir d'eau à une source d'eau et 25 remplir le réservoir avec de l'eau ; /2/ fermer le premier orifice du réservoir d'eau, connecter le second orifice du réservoir d'eau à une première source de gaz pressurisé et injecter du gaz dans le réservoir d'eau de façon à transférer une partie au moins de l'eau contenue dans le réservoir vers le volume inférieur du 30 vérin, pour amener le piston vers l'extrémité supérieure du cylindre ; -7- /3/ relier l'orifice d'alimentation et d'évacuation du volume supérieur du vérin à une seconde source de gaz pressurisé et descendre l'appareil dans le lac en le retenant par un câble accroché à l'extrémité supérieure du cylindre, jusqu'à ce que la paroi latérale de la cloche d'ancrage repose au fond du lac en fermant l'ouverture de la cloche ; /4/ mettre en dépression le volume intérieur de la cloche, de façon à ancrer l'appareil au fond du lac ; /5/ injecter du gaz dans le volume supérieur du vérin par l'orifice de ce volume supérieur, de façon à transférer une partie au moins de l'eau contenue dans le volume inférieur du vérin vers le réservoir, via le régulateur de débit, pour amener le piston vers l'extrémité inférieure du cylindre, des mesures étant effectuées par le capteur pendant et/ou après la sortie progressive de la tige par l'ouverture de la cloche ; /6/ injecter du gaz dans le réservoir d'eau de façon à transférer de nouveau une partie de l'eau contenue dans le réservoir vers le volume inférieur du vérin, pour ramener le piston vers l'extrémité supérieure du cylindre ; /7/ injecter du gaz dans le volume intérieur de la cloche et remonter l'appareil à la surface du lac.

Les étapes /1/ et /2/ permettent d'assurer que, pendant la sortie de la tige qui est réalisée à l'étape /5/, le régulateur de débit est traversé uniquement par de l'eau transférée du volume inférieur du vérin vers le réservoir d'eau. Grâce au fait que l'eau est incompressible, le régulateur de débit fournit un contrôle très précis du débit d'eau transféré. Ce contrôle permet d'ajuster avec précision la vitesse d'enfoncement de la pointe de pénétration au fond du lac et, éventuellement, de corréler les mesures effectuées par le capteur pendant l'étape /5/ avec la profondeur d'enfoncement de la pointe. A l'étape /4/, la cloche est enfoncée dans le fond du lac par la pression de la colonne d'eau qui est située au dessus de l'appareil. De cette façon, l'appareil est ancré au fond du lac et la pointe de pénétration peut être enfoncée dans les matériaux présents au fond du lac, à l'étape /5/, en prenant appui sur la cloche. -8- A l'étape /5/, la tige peut être sortie progressivement à l'extérieur de la cloche d'ancrage 2 avec une vitesse constante sensiblement égale à 2 cm/s. Les mesures peuvent alors être effectuées pendant une durée suffisamment longue pour bien caractériser la couche de sédiments.

Un tel procédé peut être utilisé de façon particulièrement avantageuse pour caractériser des sédiments présents au fond d'un lac de retenue d'un barrage hydroélectrique, notamment en vue de réaliser une vidange du lac. Grâce aux mesures effectuées en utilisant l'invention, la vitesse de vidange du barrage peut être ajustée de façon à ce que des sédiments libres présents au fond du lac ne soient pas entraînés. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'un exemple de réalisation non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe d'un appareil selon l'invention, destiné à être immergé dans un lac ; - la figure 2 est une vue synoptique d'un système selon l'invention ; et - les figures 3a-3i illustrent différentes étapes de la mise en oeuvre d'un système conforme à la figure 2. Pour raison de clarté des figures, il est entendu que les dimensions des différentes parties de système ou d'appareil qui sont représentées ne correspondent ni à des dimensions ni à des rapports de dimensions réels. Notamment, ces dimensions peuvent être adaptées pour obtenir un appareil permettant d'effectuer des mesures sur une épaisseur variable de couche de sédiments. Sur toutes les figures, des références identiques désignent des éléments identiques et la direction V indique la direction verticale, orientée vers le haut des figures. Les mots inférieur et supérieur sont utilisés dans la suite en référence à cette orientation. Conformément à la figure 1, un appareil selon l'invention, qui est destiné à être immergé, est désigné globalement par la référence 100 et comprend un corps principal 1, une cloche d'ancrage 2 et un boîtier 3. La cloche 2 et le boîtier 3 sont fixés rigidement aux extrémités inférieure et -9- supérieure du corps 1, respectivement. Par exemple, ils peuvent être boulonnés à des brides d'extrémités du corps 1, prévues à cet effet. Avantageusement, l'appareil 100 a un poids total à vide, c'est-à-dire quand l'appareil ne contient pas d'eau, qui est inférieur à 80 kg (kilogramme), afin de pouvoir être manipulé aisément par deux ou trois opérateurs au plus. Eventuellement, l'appareil 100 peut être lesté par des masses supplémentaires, pour faciliter son immersion et sa descente jusqu'au fond du lac. Le corps principal 1 peut être globalement cylindrique et comprend, dans une partie centrale, un vérin à fonctionnement alternatif. Ce vérin comprend luimême un cylindre 10 qui est fermé de façon étanche à ses extrémités supérieure et inférieure, et dans lequel peut se déplacer un piston 40. Le piston 40 sépare deux volumes de hauteurs variables à l'intérieur du cylindre 10 : un volume supérieur référencé 11 et situé entre le piston 40 et l'extrémité supérieure du cylindre 10, et un volume inférieur référencé 12 et situé entre le piston 40 et l'extrémité inférieure du cylindre 10. Le cylindre 10 peut avoir une hauteur d'au moins 2 m (mètre), notamment supérieure ou égale à 3 m. Les volumes 11 et 12 peuvent représenter une capacité totale de 101 (litre) environ, par exemple. Cette capacité totale correspond approximativement au volume inférieur 12 lorsque le piston 40 est entièrement remonté, à l'extrémité supérieure du cylindre 10. Le corps principal 1 comprend en outre un réservoir d'eau 18, de capacité au moins égale à la capacité totale des volumes 11 et 12. Les parois du cylindre 10 et du réservoir 18 peuvent être en PVC renforcé, aussi appelé ABS. Par exemple, la capacité du réservoir d'eau 18 est sensiblement égale à 1,5 fois le volume inférieur 12 lorsque le piston 40 est à l'extrémité supérieure du cylindre. Avantageusement, le réservoir d'eau 18 peut être disposé autour du cylindre 10, coaxialement avec celui-ci. Une connexion fluidique 16 relie le volume inférieur 12 au réservoir 18, à proximité de l'extrémité inférieure du cylindre 10. Un régulateur de débit 17 est agencé sur la connexion 16, qui permet de contrôler un débit d'eau circulant du volume 12 vers le réservoir 18. Le régulateur 17 peut permettre aussi que de l'eau soit transférée en sens - 10- inverse, du réservoir 18 vers le volume 12. Selon le modèle utilisé, un tel régulateur de débit peut fonctionner en ajustant progressivement l'ouverture d'une vanne en fonction d'un paramètre mesuré qui dépend du débit d'eau à travers le régulateur.

Une extrémité supérieure d'une tige rigide 41, qui a une longueur constante, est fixée au piston 40. Cette tige traverse l'extrémité inférieure du cylindre 10, par un passage étanche. Lorsque le piston 40 est descendu dans le cylindre 10, la tige 41 sort en dessous de l'extrémité inférieure du cylindre, d'une longueur variable en fonction de la hauteur du piston 40 dans le cylindre 10. Une pointe de pénétration 42, qui est réalisée en matériau dur, est fixée à l'extrémité inférieure de la tige 41. Un ou plusieurs capteurs de mesure, référencés 43a et 43b, peuvent être disposés sur la pointe de pénétration 42, sur la tige 41, ou entre les deux, pour produire des signaux de mesure de grandeurs physiques, permettant de caractériser un matériau dans lequel la pointe de pénétration 42 est enfoncée. Ce ou ces capteurs peuvent être adaptés pour produire des signaux représentatifs d'au moins une grandeur sélectionnée parmi une résistance mécanique apparaissant au niveau de la pointe 42, un frottement latéral de la tige 41 dans un matériau présent au fond du lac, une pression interstitielle de ce matériau et une inclinaison de la tige par rapport à la direction verticale V. La résistance mécanique de pointe peut, dans certaines circonstances, être liée à la force exercée sur la pointe 42 lorsque celle-ci est enfoncée. Par ailleurs, lorsque le matériau dans lequel la pointe 42 est enfoncée est inhomogène, notamment lorsqu'il est constitué d'une composante fluide répartie dans une matrice poreuse, la pression interstitielle désigne la pression de la composante fluide. A titre d'exemple, l'ensemble désigné par Memocone II et commercialisé par la société Environnemental Mechanics AB (Envi) peut être utilisé. Mais des ensembles différents de capteurs et de pointe de pénétration peuvent être fixés à l'extrémité inférieure de la tige 41 pour obtenir un appareil qui est adapté à des natures variables de fonds de lacs, à condition que les caractéristiques géométriques et dynamiques du vérin et de chaque ensemble soient compatibles. Les signaux produits par -11- les capteurs 43a et 43b sont transmis par une connexion électrique interne 213 en direction de l'extrémité supérieure du cylindre 10. Pour ne pas entraver le déplacement du piston 40 en direction de l'extrémité inférieure du cylindre 10, une réserve de longueur de la connexion 213 peut être prévue à proximité du volume supérieur 11. Par exemple, le boîtier 3 peut contenir un enrouleur automatique à tambour 221, qui est adapté pour dérouler ou rembobiner la connexion électrique interne 213 en fonction du déplacement du piston 40 dans le cylindre 10. Par exemple, l'enrouleur à tambour 221 est mis en rotation dans un sens ou dans l'autre selon une tension mécanique de la connexion 213. De cette façon, la connexion 213 reste sensiblement droite, parallèlement à la direction V dans le volume supérieur 11, de sorte qu'elle ne gêne pas le déplacement du piston 40. Un connecteur rotatif 212, qui peut aussi être contenu dans le boîtier 3, relie électriquement l'extrémité de la connexion interne 213 qui est fixée au tambour rotatif de l'enrouleur 221 à un dispositif de transmission vers l'extérieur de l'appareil 100 des signaux de mesure produits par les capteurs 43a et 43b. Lorsque ce dispositif de transmission des signaux vers l'extérieur est adapté pour transmettre des signaux électriques par une connexion électrique, le connecteur rotatif 212 relie électriquement l'extrémité de la connexion interne 213 qui est fixée au tambour rotatif de l'enrouleur 221 à une connexion externe 220. Cette connexion externe 220 traverse le boîtier 3 par un passage étanche 31 et s'étend dans l'eau du lac en direction de sa surface. Le boîtier 3, qui est disposé à l'extrémité supérieure du cylindre 10, est muni d'un anneau externe 32, pour accrocher l'appareil 100 à un câble de retenue 210. Ce câble 210 peut posséder une longueur supérieure à 10 m, notamment supérieure à 40 m ou 80 m. Dans la réalisation de l'invention qui est décrite ici, le boîtier 3 est étanche et est en communication gazeuse avec le volume supérieur 11. Il assure ainsi la fermeture étanche du cylindre 10 à l'extrémité supérieure de ce dernier. Un orifice 13 d'alimentation et d'évacuation du volume supérieur 11 établit la communication gazeuse entre ce volume 11 et l'intérieur du boîtier étanche 3. Le boîtier 3 est en outre muni d'un orifice 33 d'alimentation et -12- d'évacuation externe. Cet orifice 33 permet de connecter une première conduite souple 230, externe à l'appareil 100, pour introduire un gaz pressurisé dans le volume supérieur 11, ou évacuer un gaz présent dans ce volume. Le réservoir 18 est aussi muni d'un orifice d'alimentation et d'évacuation gazeuse, qui est référencé 14 et est adapté pour connecter une deuxième conduite souple 240, aussi externe à l'appareil 100. Le boîtier 3 peut contenir en outre une batterie (non représentée), qui peut être destinée à alimenter le régulateur de débit 17, notamment, ainsi que tout autre composant de l'appareil 100 qui nécessite être alimenté en énergie électrique.

Alternativement, l'alimentation électrique peut être réalisée au moyen de fils dédiés intégrés dans la connexion externe 220. Le réservoir 18 est en outre muni d'un orifice de remplissage 15. La cloche d'ancrage 2 peut être de forme sensiblement cylindrique et réalisée en tôle soudée, d'épaisseur 2 mm (millimètre) par exemple. Elle est constituée d'une paroi latérale 2a et d'une paroi supérieure 2b, et présente une forme de cuve renversée étanche. La paroi supérieure 2b est fixée à l'extrémité inférieure du cylindre 10. La paroi latérale 2a de la cloche 2 peut avoir un diamètre supérieur à 50 cm au niveau de l'ouverture inférieure 2c de la cloche 2. Le cylindre 10 et la tige 41 peuvent être adaptés de sorte que la longueur de la portion de tige 41 qui s'étend à l'extérieur de la cloche d'ancrage 2 varie entre 0 et une longueur maximale supérieure à 1, 5 m. Eventuellement, cette longueur maximale peut être supérieure à 3 m, pour caractériser des couches de matériau plus épaisses. L'appareil 100 comprend en outre un dispositif de mise en dépression du volume délimité par la cloche 2 et une surface sur laquelle celle-ci repose par le bord inférieur de la paroi latérale 2a. Ce dispositif peut comprendre une cheminée 20 qui s'étend parallèlement à l'axe du cylindre 10, sur une hauteur de 2 m par exemple. L'extrémité inférieure de la cheminée 20 traverse de façon étanche la paroi supérieure 2b de la cloche 2, et présente une ouverture 21 qui établit une communication avec le volume intérieur de la cloche 2. L'ouverture 21 peut être pourvue d'un filtre pour éviter que des corps en suspension dans l'eau ne pénètrent dans la cheminée 20. La cheminée 20 est aussi munie d'un -13- embout de raccordement 24 qui est agencé juste au dessus de la paroi supérieure 2b. Une troisième conduite souple externe 250 est connectée à l'embout 24, par l'intermédiaire d'un clapet anti-retour 25. Le clapet 25 assure qu'aucun reflux ne peut se produire dans la conduite 250, en provenance de la cheminée 20. L'extrémité supérieure de la cheminée 20 est connectée à un passage à double sens 22a d'une vanne d'inversion 22, aussi appelée inverseur. Une entrée 22b de l'inverseur 22 est connectée à la conduite externe 230 par une conduite intermédiaire 23. De cette façon, l'entrée 22b est reliée à l'orifice 13 du volume supérieur Il, par la conduite intermédiaire 23, la conduite externe 230, l'orifice 33 et le boîtier étanche 3. Une sortie 22c de l'inverseur 22 sert d'échappement libre. L'inverseur 22 peut être commandé par une voie de contrôle dédiée, qui peut être intégrée dans la connexion 220. Il peut aussi être alimenté électriquement à partir de la batterie éventuellement contenue dans l'appareil 100.

La figure 2 illustre l'utilisation d'un appareil 100 tel que décrit précédemment, pour recueillir des données de caractérisation du fond d'un lac. Ce peut être, en particulier, un lac de retenue de barragehydroélectrique en vue de réaliser une vidange de celui-ci. Les références 1000 et 1001 désignent respectivement l'eau du lac et le substratum qui constitue le fond réel, ou fond permanent, du lac. La référence 1002 désigne une couche de sédiments présente au dessus du substratum 1001. L'objectif du procédé d'utilisation de l'appareil 100 qui est décrit par la suite est de caractériser la couche sédimentaire 1002. L'appareil 100 est amené au dessus du site de mesure au moyen d'une embarcation 200, qui peut être légère. Cette embarcation est pourvue d'un treuil 211, qui permet de descendre l'appareil 100 dans l'eau, jusqu'à ce que la cloche 2 repose sur le fond. Pour cela, le câble de retenue 210 est initialement enroulé sur le treuil 211. Le treuil 211 peut en outre être muni d'un détecteur de tension du câble qui permet de repérer l'instant auquel l'appareil 100 touche le fond du lac, ainsi que la longueur de câble 210 qui est déroulée. La connexion électrique 220 est reliée à un dispositif de réception des signaux de mesure transmis, référencé 222. Ce dispositif 222 peut aussi - 14 - réaliser l'enregistrement et un traitement des signaux. Il peut être de l'un des modèles disponibles commercialement, tel que le dispositif appelé Géoprinter 60 et commercialisé par la société Environnemental Mechanics AB (Envi). Ce dispositif est muni d'un récepteur GPS qui permet de repérer précisément le site de mesure. Des bouteilles de gaz pressurisé 231, 241 et 251 peuvent être utilisées comme sources de gaz, pour injecter du gaz par les conduites externes 230, 240 et 250, respectivement. Ce peut être des bouteilles d'air pressurisé du type utilisé par les plongeurs sous-marins autonomes. Elles sont munies de vannes et de régulateurs de pression de sortie, référencés 232, 242 et 252, pour ajuster la pression de l'air qui est envoyé dans les conduites 230, 240 et 250. Cet ajustement est effectué en fonction de l'étape du procédé pour laquelle chaque bouteille est utilisée. Ces manomètres peuvent être réglés à des pressions de sortie de l'ordre de 0,4-0,5 MPa (MégaPascal), qui peuvent être limitées par la pression maximale compatible avec le régulateur de débit 17. L'utilisation de ces bouteilles peut être manuelle, ou commandée à partir du dispositif 222 qui possède alors en outre une fonction de contrôleur du procédé d'utilisation de l'appareil 100. Dans ce cas, les vannes et manomètres 232, 242 et 252 sont reliés au dispositif 222 par une connexion de commande 223. Deux opérateurs référencés 260, éventuellement trois, suffisent pour mettre en oeuvre le procédé qui est décrit maintenant. Conformément à la figure 3a, on suppose que le piston 40 est initialement en position haute, à proximité de l'extrémité supérieure du cylindre 10, c'est-à-dire que la tige 41 est rentrée à l'intérieur du cylindre 10. Le volume supérieur 11 est alors réduit à sa valeur minimale, et le volume inférieur 12 possède une extension maximale. On suppose aussi que les volumes 11 et 12 ainsi que le réservoir 18 sont initialement remplis d'air. Les figures 3a-3i illustrent les étapes successives d'une utilisation de l'appareil 100. Pour raison de clarté, l'appareil 100 est représenté de façon simplifiée sur ces figures, en ne faisant apparaître que les éléments de celui-ci nécessaires à la compréhension pour chaque étape du procédé. Lors d'une première étape, le réservoir 18 est rempli d'eau. Cette étape peut être exécutée lorsque l'appareil 100 est à bord de l'embarcation 200, ou -15-lorsque l'appareil 100 est déjà au moins partiellement immergé dans le lac 1000. Ce second mode opératoire peut être plus simple, à cause du poids de l'appareil 100 lorsqu'il contient de l'eau. Pour cela, de l'air pressurisé est injecté dans le volume supérieur 11 (figure 3b), par la conduite 230, alors que l'inverseur 22 est fermé. Le piston 40 est alors repoussé et l'air contenu initialement dans le volume inférieur 12 est transféré dans le réservoir 18, via la connexion 16 et le régulateur 17, puis sort par l'orifice 14. L'orifice 15 du réservoir 18 est ouvert et connecté ensuite à une source d'eau. Eventuellement, le lac peut être utilisé comme source d'eau. Le réservoir 18 est alors rempli d'eau (figure 3c), en utilisant encore l'orifice 14 comme échappement de l'air présent dans le réservoir 18. Un débordement d'eau par l'orifice 14 peut être réalisé pour assurer que le réservoir 18 est entièrement rempli d'eau. La source d'eau est alors déconnectée de l'orifice 15 et celui-ci est rebouché hermétiquement.

Lors d'une deuxième étape, l'orifice 14 est connecté à la conduite externe 240, et de l'air est envoyé par la conduite 240 pour transférer l'eau contenue dans le réservoir 18 vers le volume inférieur 12, via le régulateur de débit 17 (figure 3d). L'air contenu dans le volume supérieur s'échappe par la conduite 230. A l'issue de cette seconde étape, la tige 41 est rentrée dans le cylindre 10, le volume inférieur 12 est plein d'eau, et le réservoir 18 contient de l'air, avec un reste d'eau qui leste l'appareil 100 afin de faciliter son immersion. Lors d'une troisième étape, l'appareil 100 est immergé dans le lac 1000 et le câble de retenue 210 est déroulé jusqu'à ce que la cloche 2 repose sur le fond (figure 3e). Le capteur d'inclinaison permet de vérifier que l'appareil 100 repose au fond du lac en position verticale. Dans le cas contraire, l'appareil 100 est remonté puis redescendu à un endroit décalé jusqu'à ce qu'il repose au fond du lac dans une position verticale stable sur le bord inférieur de la paroi 2a de la cloche 2. Lors d'une quatrième étape, de l'air est injecté par la conduite 250, qui expulse l'eau contenue dans la cheminée 20 par la sortie 22c de l'inverseur 22 (figure 3f). L'intérieur de la cloche 2 est ainsi mis en dépression, de sorte que la paroi 2a s'enfonce dans la couche sédimentaire 1002. L'ancrage de l'appareil -16- 100 au fond du lac est ainsi obtenu, par adhésion et frottement de la paroi 2a contre les sédiments. Cet ancrage peut correspondre à une force d'arrachement supérieure à 1 tonne. L'inverseur 22 est alors actionné pour isoler la cheminée 20.

Lors d'une cinquième étape, de l'air est injecté par la conduite 230 pour repousser le piston 40 vers le bas (figure 3g). L'eau contenue dans le volume inférieur 12 est alors chassée vers le réservoir 18, en passant par le régulateur de débit 17. L'air présent dans le réservoir 18 s'échappe par la conduite 240. Le régulateur 17 assure que l'eau est transférée avec un débit constant du volume inférieur 12 au réservoir 18. Etant donné que l'eau est incompressible, la pointe 42 pénètre dans la couche sédimentaire 1002 avec une vitesse constante, qui peut être de 2 cm.s-', par exemple. La poussée qui est nécessaire pour enfoncer la pointe 42 dans la couche 1002 peut être de l'ordre de 500 kg. Elle est inférieure à la force d'arrachement de l'ancrage de la cloche 2 sur la couche 1002, si bien que la cloche 2 fait office de point de retenue du cylindre 10 au fond du lac. Pendant l'enfoncement de la pointe 42, les capteurs 43a et 43b effectuent des mesures et les signaux de mesure produits sont transmis au dispositif de réception 222. Un détecteur d'inclinaison situé au niveau de la pointe 42 permet de mesurer l'inclinaison de la tige 41 pendant la cinquième étape. L'enfoncement progressif de la pointe 42 peut être mesuré en repérant la rotation du tambour de l'enrouleur 221, au fur et à mesure que la connexion interne 213 est déroulée. Une mesure de cet enfoncement peut être transmise électriquement par la connexion externe 220. Un arrêt éventuel de l'enfoncement de la pointe 42 peut indiquer que celle-ci a atteint le substratum 1001. Lors d'une sixième étape, de l'air est injecté par la conduite 240 pour faire remonter le piston 40 à l'intérieur du cylindre 10 (figure 3h). L'eau contenue dans le réservoir 18 est de nouveau transférée dans le réservoir inférieur 12. L'air contenu dans le volume supérieur 11 s'échappe par la conduite 230. A l'issue de cette étape, la pointe 42 est sortie de la couche 1002. -17- Enfin, lors d'une septième étape, de l'air est introduit dans la conduite 250 pour former un volume gazeux dans la cloche 2. Sous l'effet de ce volume gazeux, la cloche 2 est décollée du fond du lac et l'appareil 100 remonte vers l'embarcation 200 (figure 3i).

Il est entendu que de nombreuses modifications de l'appareil 100 et du système décrits en référence aux figures 1 et 2 peuvent être introduites, tout en conservant certains au moins des avantages de l'invention. De telles modifications peuvent porter notamment sur les points suivants : -le contrôle pneumatique de l'appareil 100. Par exemple, une unique 1 o bouteille de gaz pressurisé peut être utilisée, au lieu de trois, en disposant un variateur de pression de sortie et un ensemble de distribution pneumatique approprié ; - le mode de transmission des signaux de mesure entre l'appareil 100 et le récepteur 222 situé à la surface du lac ; 15 - l'agencement à l'intérieur du boîtier étanche 3 ; - le tambour de l'enrouleur 221 peut-être mû par un ressort de rappel ou être entraîné par un moteur électrique ; - le mode opératoire qui est prévu pour introduire initialement de l'eau dans l'appareil 100 ; 20 - la connexion 16 qui relie le volume inférieur 12 du vérin au réservoir d'eau 18. Cette connexion peut être munie d'une dérivation de sorte que le régulateur 17 ne soit traversé que par de l'eau transférée du volume inférieur 12 vers le réservoir 18 ; - le matériau des parois du cylindre 10, du réservoir 18 et de la cloche 25 d'ancrage 2 ; - les dimensions des différents éléments de l'appareil 100 ; - les dispositifs destinés à assurer l'étanchéité à l'eau et/ou à l'air des parties concernées de l'appareil 100 ; et - le principe du dispositif de mise en dépression du volume interne de la 30 cloche d'ancrage 2.

Claims (20)

REVENDICATIONS

1. Appareil (100) destiné à être immergé dans un lac (100) pour effectuer des mesures au fond du lac, l'appareil comprenant : - un vérin comprenant lui-même : . un cylindre (10) ayant une extrémité inférieure et une extrémité supérieure ; . un piston (40) mobile à l'intérieur du cylindre ; . une tige (41) de longueur constante connectée au piston et traversant l'extrémité inférieure du cylindre ; . deux volumes étanches, respectivement supérieur (11) et inférieur (12), situés à l'intérieur du cylindre et séparés par le piston ; . un orifice (13) d'alimentation et d'évacuation du volume supérieur (11), situé à l'extrémité supérieure du cylindre ; - un régulateur de débit (17) ; 15 - un réservoir d'eau (18) rigidement connecté au volume inférieur (12) par le régulateur de débit (17), à l'extrémité inférieure du cylindre, et muni d'un premier orifice (15) de remplissage destiné à être connecté à une source d'eau, et d'un second orifice (14) d'alimentation et d'évacuation destiné à être connecté à une source de gaz pressurisé ; 20 - une pointe (42) de pénétration fixée à une extrémité de la tige opposée au piston (40) ; - au moins un capteur de mesure (43a, 43b) agencé sur la tige, sur la pointe de pénétration ou entre la tige et ladite pointe; - un moyen (32) d'accrochage d'un câble (210) de retenue dudit appareil, 25 disposé à proximité de l'extrémité supérieure du cylindre ; - un dispositif de transmission de signaux de mesure produits par le capteur, agencé pour transmettre lesdits signaux à un récepteur (222) externe à l'appareil ;-19- - une cloche d'ancrage (2) ayant une paroi latérale (2a) et une paroi supérieure (2b) étanches, et une ouverture (2c) opposée à la paroi supérieure, ladite cloche étant rigidement fixée à l'extrémité inférieure du cylindre (10) du côté de ladite paroi supérieure ; et un dispositif (20-25) de mise en dépression d'un volume intérieur de la cloche, dans lequel le régulateur de débit (17) est adapté pour contrôler une vitesse de déplacement du piston (40) dans le cylindre par l'intermédiaire d'un débit d'eau transférée entre le volume inférieur (12) et le réservoir d'eau (18) ; et dans lequel la tige (41) traverse la paroi supérieure de la cloche d'ancrage (2b) de sorte qu'une portion de tige de longueur variable s'étende à l'extérieur de la cloche par l'ouverture de ladite cloche (2c), d'un côté opposé au cylindre (10), en fonction de la position du piston dans le cylindre.

2. Appareil selon la revendication 1, dans lequel le réservoir d'eau (18) est disposé autour du cylindre du vérin (10).

3. Appareil selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le réservoir d'eau (18) possède une capacité sensiblement égale à 1,5 fois le volume inférieur du vérin (12) lorsque le piston (40) est à l'extrémité supérieure du cylindre (10).

4. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le capteur de mesure (43a, 43b) est adapté pour produire des signaux représentatifs d'au moins une grandeur sélectionnée parmi une résistance mécanique apparaissant au niveau de la pointe (42), un frottement latéral de la tige (41) dans un matériau présent au fond du lac, une pression interstitielle dudit matériau et une inclinaison de la tige.

5. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le cylindre (10) et la tige (41) sont adaptés de sorte que la longueur de la portion de tige s'étendant à l'extérieur de la cloche d'ancrage (2) varie entre 0 et une longueur maximale supérieure à 1,5 m.-20 -

6. Appareil selon la revendication 5, dans lequel le cylindre (10) et la tige (41) sont adaptés de sorte que la longueur de la portion de tige s'étendant à l'extérieur de la cloche d'ancrage (2) varie entre 0 et une longueur maximale supérieure à 3 m.

7. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la paroi latérale de la cloche d'ancrage (2a) est de forme sensiblement cylindrique avec un diamètre supérieur à 50 cm à l'ouverture de ladite cloche (2c).

8. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de mise en dépression du volume intérieur de la cloche d'ancrage (2) comprend : - un orifice (21) d'aspiration du volume intérieur de la cloche d'ancrage ; - une cheminée (20) s'étendant parallèlement au cylindre du vérin (10) en direction de l'extrémité supérieure dudit cylindre, ayant une entrée connectée à l'orifice d'aspiration (21) et une sortie située à une extrémité de ladite cheminée opposée à l'entrée ; - un embout de raccordement (24) adapté pour injecter un gaz dans la cheminée (20) à proximité de l'entrée de ladite cheminée ; - une vanne d'inversion (22) ayant un passage à double sens (22a) connecté à la sortie de la cheminée (20), une entrée (22b) reliée à l'orifice d'alimentation et d'évacuation du volume supérieur du vérin (13), et une sortie d'éjection (22c) ; et - un clapet anti-retour (25) connecté à l'embout de raccordement (24) et adapté pour permettre d'injecter du gaz par ledit embout.

9. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de transmission des signaux de mesure est adapté pour transmettre des signaux électriques par une connexion électrique (220) reliant ledit dispositif de transmission à un récepteur (222) externe à l'appareil (100), ou pour réaliser une transmission ultrasonore à travers l'eau du lac (1000).-21 -

10. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un boîtier étanche (3), ledit boîtier étant en communication gazeuse avec le volume supérieur du cylindre (11) par l'orifice d'alimentation et d'évacuation dudit volume supérieur (13), et étant muni d'un orifice (33) d'alimentation et d'évacuation externe.

11. Appareil selon la revendication 10, dans lequel le boîtier étanche (3) est disposé à l'extrémité supérieure du cylindre (10).

12. Appareil selon la revendication 10 ou 11, dans lequel le boîtier étanche (3) contient le dispositif de transmission à un récepteur externe (222) 10 des signaux de mesure produits par le capteur.

13. Appareil selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, dans lequel le dispositif de transmission des signaux de mesure produits par le capteur comprend un enrouleur automatique (221) d'une connexion électrique (213) interne à l'appareil (100) reliant le capteur (43a, 43b), et un connecteur 15 rotatif (212) pour connecter électriquement une extrémité de ladite connexion interne fixée à l'enrouleur.

14. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, ayant un poids total à vide inférieur à 80 kg.

15. Système adapté pour effectuer des mesures au fond d'un lac, 20 comprenant : - un appareil (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 14 ; - un câble de retenue (210) accroché à l'appareil par une première extrémité dudit câble ; - un moyen (211) d'accrochage d'une seconde extrémité du câble de 25 retenue, destiné à être maintenu à la surface du lac ; et - un dispositif (222) de réception des signaux de mesure transmis par le dispositif de transmission de l'appareil.

16. Système selon la revendication 15, dans lequel le câble de retenue (210) possède une longueur supérieure à 10 m.- 22 -

17. Système selon la revendication 15 ou 16, dans lequel le câble de retenue (210) possède une longueur supérieure à 40 m.

18. Procédé pour effectuer des mesures d'une couche de sédiments (1002) présente au fond d'un lac (1000) en utilisant un système selon l'une quelconque des revendications 15 à 17, le procédé comprenant les étapes suivantes : /1/ lorsque le piston (40) est situé à l'extrémité inférieure du cylindre (10), connecter le premier orifice du réservoir d'eau (15) à une source d'eau et remplir ledit réservoir avec de l'eau ; /2/ fermer le premier orifice du réservoir d'eau (15), connecter le second orifice du réservoir d'eau (14) à une première source de gaz pressurisé (241) et injecter du gaz dans le réservoir d'eau (18) de façon à transférer une partie au moins de l'eau contenue dans ledit réservoir vers le volume inférieur du vérin (12), pour amener le piston (40) vers l'extrémité supérieure du cylindre ; /3/ relier l'orifice d'alimentation et d'évacuation du volume supérieur du vérin (13) à une seconde source de gaz pressurisé (231) et descendre l'appareil (100) dans le lac en retenant ledit appareil par un câble (210) accroché à l'extrémité supérieure du cylindre (10), jusqu'à ce que la paroi latérale de la cloche d'ancrage (2a) repose au fond du lac en fermant l'ouverture de ladite cloche (2c) ; /4/ mettre en dépression le volume intérieur de la cloche (2), de façon à ancrer l'appareil au fond du lac ; /5/ injecter du gaz dans le volume supérieur du vérin (11) par l'orifice dudit volume supérieur (13), de façon à transférer une partie au moins de l'eau contenue dans le volume inférieur du vérin (12) vers le réservoir (18), via le régulateur de débit (17), pour amener le piston (40) vers l'extrémité inférieure du cylindre (10), des mesures étant effectuées par le capteur (43a, 43b) pendant et/ou après la sortie progressive de la tige (41) par l'ouverture de la cloche (2c) ;- 23 - /6/ injecter du gaz dans le réservoir d'eau (18) de façon à transférer de nouveau une partie de l'eau contenue dans ledit réservoir vers le volume inférieur du vérin (12), pour ramener le piston (40) vers l'extrémité supérieure du cylindre (10) ; /7/ injecter du gaz dans le volume intérieur de la cloche d'ancrage (2) et remonter l'appareil (100) à la surface du lac.

19. Procédé selon la revendication 18, suivant lequel la tige (41) est sortie à l'extérieur de la cloche d'ancrage (2) à l'étape /5/ avec une vitesse constante sensiblement égale à 2 cm/s.

20. Utilisation d'un système selon l'une quelconque des revendications 15 à 17, pour caractériser des sédiments présents au fond d'un lac de retenue d'un barrage hydroélectrique.