Thèse
Auteur :
Cartaud François

Date de soutenance :
01 novembre 2004

Directeur(s) de thèse :
Goblet Patrick



École :

MINES ParisTech
Intitulé de la thèse : Modélisation des écoulements dans les interfaces des barrières d'étanchéité composites d'installation de stockage de déchets


Résumé : Le dispositif d'étanchéité des installations de stockage de déchets est constitué d'une barrière d'argile compactée surmontée d'une géomembrane. En théorie, cette technique permet d'assurer un niveau de protection maximal en prévenant le contact entre les éléments polluants contenus dans les lixiviats et le milieu environnant. Cependant, des défauts existent dans la géomembrane, liés à sa mise en place ou à de l'endommagement postérieur, et ceux-ci forment des passages préférentiels d'écoulement pour les lixiviats. D'autre part, le contact parfait entre la géomembrane et la surface de la barrière minérale n'existe pas car aucun de ces composants n'est parfaitement plan. Il en résulte l'existence d'une interface, qui provoque une surface d'infiltration du lixiviat bien supérieure à la seule aire du défaut dans la géomembrane. Des solutions analytiques et des outils empiriques permettant de quantifier, en régime permanent, les débits de fuite dans les dispositifs d'étanchéité comprenant une interface d'épaisseur uniforme sont disponibles dans la littérature. Cependant, des observations in situ et au laboratoire sont venues invalider le modèle d'un écoulement radial à partir d'un défaut circulaire et d'un écoulement bidimensionnel à partir d'un défaut longitudinal, les écoulements d'interface se révélant d'une nature bien plus complexe et dépendant essentiellement de la non-uniformité de l'épaisseur de l'interface. Les outils bibliographiques disponibles atteignent rapidement leur limite vis-à-vis de la prise en compte de cette non-uniformité de l'épaisseur de l'interface et il apparaît qu'une autre approche doit être suivie pour parvenir à une quantification précise des débits de fuite à travers l'étanchéité composite. Le travail de thèse a consisté à d'abord quantifier la variabilité spatiale de l'interface, puis à adopter un modèle d'écoulement issu des flux dans les milieux poreux fracturés avec lesquels les écoulements d'interface partagent des similitudes. La méthodologie développée consiste à combiner à la fois (1) des observations de terrain qui permettent de connaître les états de surface de la barrière minérale dans des conditions réelles (2) des expérimentations réalisées au laboratoire qui fournissent des mesures de débit de fuite et la géométrie exacte d'une interface reconstituée et (3) des simulations numériques d'écoulement à partir des géométries d'interface fournies, avec une comparaison des flux simulés et mesurés pour évaluer la validité du modèle.Le travail expérimental a été complété par une étude du cas particulier, mais néanmoins courant sur les installations de stockage de déchet françaises, où un géotextile est placé à l'interface. L'impact de cette pratique sur le débit de fuite engendré en cas de défaut dans la géomembrane a été évalué en comparant les données de flux mesurées avec celles obtenues dans les mêmes conditions sans géotextile.Remerciements: 1
Résumé: 3
Sommaire: 4
Liste des figures: 10
Liste des tableaux: 14
Liste des symboles :16
Introduction générale: 19
Chapitre I: Les dispositifs d'étanchéité composite des installations de stockage de déchets 1. Introduction - 23
2. Les installations de stockage de déchets: contexte réglementaire et mise en ?uvre: 23
2.1 - La réglementation française: 24
2.2 - La réglementation américaine: 25
3. Matériaux constitutifs des dispositifs d'étanchéité composite: 27
3.1 - Les géomembranes :27
3.1.1 - Types de géomembranes: 28
3.1.2 - Critère de sélection selon la fonction envisagée et la localisation dans l'ouvrage: .28 3.1.3 - Principaux avantages et inconvénients des différents types de géomembranes: 2
3.2 - Les géotextiles: 29
3.2.1 - Types de géotextiles: 30
3.2.2 - Utilisation en installation de stockage de déchets: 33
3.3 - Barrières d'étanchéité minérales: 34
3.3.1 - Composition des barrières d'étanchéité minérales: 34
3.3.2 - Propriétés des barrières minérales: 35
3.3.2.1 - Porosité: 35
3.3.2.2 - Compactage: 35
3.3.2.3 - Conductivité hydraulique: 37
3.3.2.4 - État hydrique des barrières minérales: 38
4. Défauts et endommagement des dispositifs d'étanchéité composite: 40
4.1 - Défauts dans la géomembrane: 42
4.1.1 - Nature et causes des défauts: 42
4.1.2 - Densité et localisation des défauts dans les géomembranes: 42
4.1.3 - Dimension des défauts: 44
4.2 - Notion d'interface et de qualité de contact entre le sol et la géomembrane: 44
4.2.1 - Définition de l'interface: 44
4.2.2 - Qualité du contact entre le sol et la géomembrane: 45
5. Conclusion: 47
Chapitre II: Travaux antérieurs sur la quantification des transferts advectifs dans les étanchéités composites
1. Introduction: 48
2. Quantification expérimentale des débits de fuite dans les dispositifs d'étanchéité composite: 48
2.1 - Travaux de Fukuoka: 48
2.2 - Travaux de Brown et al.: 49
2.3 - Travaux de Touze-Foltz: 50
3. Bases de la modélisation des écoulements: 51
3.1 - Rappel de quelques équations de base et grandeurs utilisées en hydraulique: 51
3.2 - Mécanisme de fuite dans les dispositifs d'étanchéité composite: 53
3.2.1 - Hypothèses: 53
3.2.2 - Mécanisme de fuite: 54
3.2.2.1 Cas d'un écoulement bidimensionnel à l'interface: 55
3.2.2.2 Cas d'un écoulement radial à l'interface: 57
3.2.2.3 Écoulement dans le sol: 57
4. Solutions analytiques développées: 58
4.1 - Cas axisymétrique - 59
4.1.1 - Solution analytique du cas axisymétrique en condition limite de type flux nul: 60
4.1.2 - Solution analytique du cas axisymétrique en condition limite de type pression effective nulle: 60
4.1.3 - Solution analytique du cas axisymétrique en condition limite de type terrain :
4.2 - Cas bidimensionnel: 60
4.2.1 - Solution analytique du cas bidimensionnel en condition limite de type flux nul: 61
4.2.2 - Solution analytique du cas bidimensionnel en condition limite de type pression effective nulle: 61
4.2.3 - Solution analytique du cas bidimensionnel en condition limite de type terrain: 61
4.3 - Valeurs de transmissivité de l'interface: 62
4.4 - Prise en compte d'une interface de transmissivité variable: 62
5. Équations empiriques: 65
6. Modèles numériques: 67
7. Synthèse des travaux de quantification des débits de fuite dans les dispositifs d'étanchéité composite: 68
7.1 - Mise en évidence de la non-uniformité des interfaces d'étanchéité composite - limites des solutions analytiques: 68
7.2 - Limites des modèles existants et enjeux d'une quantification plus fine des débits de fuite: 69
Chapitre III: Modélisation et conceptualisation des écoulements dans les dispositifs d'étanchéité possédant des interfaces non-uniformes
1. Introduction: 70
2. Similarités morphologiques et hydrodynamiques entre une fracture rocheuse et une interface d'étanchéité composite: 71
2.1 - Ressemblances et différences morphologiques: 71
2.1.1 - Différences entre interface et plans de fracture: 71
2.1.2 - Analogies entre interface et plans de fracture: 75
2.2 - Analogies des écoulements: 75
2.3 - Conclusion: 77
3. Géométrie et moyens de description de la surface d'une fracture: 77
3.1 - Synthèse des techniques de mesure de la topographie des surfaces: 8
3.1.1 - Les méthodes de mesure avec contact: 78
3.1.2 - Les méthodes de mesure sans contact: 78
3.2 - Structure de l'espace de la fracture: 79
3.3 - Démarche adoptée: 81
4. Approches simples de la modélisation de l'écoulement dans les fractures rocheuses: 82
4.1 - Discussion sur la validité de la loi cubique et de la loi cubique locale pour le calcul des flux dans les fractures rugueuses: 82
4.2 - Équation de Reynolds et hypothèse de la lubrification hydrodynamique: 84
5. Étude des paramètres influençant l'écoulement dans une fracture rocheuse: 87
5.1 - Cheminement d'écoulement préférentiel: 87
5.2 - Influence de la tortuosité - 89
5.3 - Effets de l'anisotropie des surfaces de fracture sur l'écoulement - 89
5.4 - Effets des pertes de charge locales: 90
6. Modélisations complexes des écoulements dans une fracture seule: 90
6.1 - Modèle du flux canalisé dans des chemins d'écoulement préférentiels: 91
6.2 - Modèle stochastique de flux et de transport dans une fracture bidimensionnelle: 92
6.3 - Modèle de fracture d'ouverture variable suivant une direction unique: 93
6.4 - Modèle bidimensionnels de l'écoulement dans une fracture d'ouverture variable en 2D: 95
6.5 - Modélisation des écoulements dans les fractures par méthodes Gaz sur réseaux: 95
6.5.1 - Présentation du modèle gaz sur réseau: 96
6.5.2 - Application des modèles LG aux écoulements dans une fracture: 96
7. Modélisation des écoulements dans les fractures représentées par un milieu poreux situé dans une matrice: 97
7.1 - Modèle du milieu poreux bidimensionnel équivalent: 98
7.2 - Modèle de perméabilité relative: 98
7.3 - Prise en compte de l'infiltration dans les parois de la fracture: 102
7.3.1 - Transfert par imbibition vers la matrice: 102
7.3.2 - Exemple de modèles d'écoulements non-saturés dans un milieu fracturé quasi-tridimensionnel avec une ouverture variable, prenant en compte les transferts dans la matrice: 103
7.4 - Synthèse et remarques à propos des modèles présentés: 105
8. Modèle retenu pour l'écoulement à travers un dispositif d'étanchéité composite: 109
8.1 - Présentation du modèle retenu: 109
8.1.1 - Présentation générale: 109
8.1.2 - Paramètres hydrodynamiques non-saturés adoptés pour l'interface :: 111
8.2 - Validation du code de calcul retenu: 112
8.2.1 - Simulations préliminaires dans le cas d'une interface d'ouverture nonuniforme: 113
8.2.1.1 - Géométrie de l'interface d'épaisseur périodique sinusoïdale: 113
8.2.1.2 - Solution analytique de l'écoulement d'un fluide dans une géométrie sinusoïdale: 115
8.2.1.3 - Modélisation de l'interface d'épaisseur non-uniforme sous Metis: 116
8.2.1.4 - Résultats: 118
8.2.1.5 - Solution analytique de l'écoulement d'un fluide dans une géométrie d'interface en créneaux: 120
8.2.2 - Résultats de simulation obtenus: 122
9. Conclusion :122
Chapitre IV: Expérimentations hydrauliques d'écoulements dans les dispositifs d'étanchéité composite
1. Introduction: 124
2. Objectifs de l'étude et éléments nouveaux apportés: 124
3. Présentation des dispositifs expérimentaux: 127
3.1 - Dispositif de mesure de débit de fuite de dimension décimétrique: 127
3.2 - Dispositif de mesure de débit de fuite de dimension métrique: 129
4. Présentation des matériaux: 133
4.1 - Géomembranes: 133
4.2 - Géotextiles: 134
4.3 - Argiles compactées: 34
4.4 - Matériaux granulaires de la couche drainante: 135
5. Méthodologies développées pour la quantification des débits de fuite et l'acquisition de la géométrie d'interfaces d'étanchéités composite: 135
5.1 - Présentation des méthodologies développées: 135
5.1.1 - Acquisition d'états de surface de barrières minérales d'installation de stockage de déchets: 136
5.1.2 - Reproduction d'états de surface dans les essais au laboratoire: 138
5.1.2.1 - Reproduction d'états de surface dans le dispositif décimétrique: 138
5.1.2.2 - Choix de l'état de surface de terrain à reproduire d'après les moulages réalisés sur sites: 40
5.1.2.3 - Reproduction de l'état de surface retenu dans les essais de dimension métrique: 145
5.1.3 - Méthodologie de l'acquisition de la géométrie de l'interface: 147
5.1.3.1 - Réalisation du moulage de l'interface: 147
5.1.3.2 - Technique de mesure de l'interface- Précision et limites: 153
5.1.3.3 - Application à la quantification des variations tridimensionnelles de l'ouverture des interfaces: 155
6. Essais de quantification des débits de fuite dans les dispositifs d'étanchéités composite en fond d'installation de stockage de déchets: 156
6.1 - Essais de dimension décimétrique: 158
6.1.1 - Objectif de l'étude: 159
6.1.2 - Essais de dimension décimétrique sur état de sol plan: 159
6.1.3 - Essais de dimension décimétrique sur état de sol irrégulier: 161
6.2 - Discussion des résultats obtenus à l'échelle décimétrique - Interprétations: 162
6.2.1 - Comparaison des résultats des tests avec ceux obtenus par la norme EN-ISO12958: 163
6.2.2 - Influence de la contrainte mécanique appliquée à l'étanchéité composite: 164
6.2.3 - Influence du type de géotextile et de la topographie de la couche d'argile: 165
6.3 - Essais de dimension métrique sur état de sol représentatif des fonds d'installation de stockage de déchets.: 167
6.3.2 - Quantification des débits de fuite dans le cas d'un dispositif d'étanchéité composite classique: 167
6.3.3 - Quantification des débits de fuite dans le cas du dispositif d'étanchéité composite comprenant un géotextile à l'interface: 172
6.3.3.1 - Mesure des débits de fuite sous 64 kPa: 172
6.3.3.2 - Mesure des débits de fuite sous 134 kPa: 174
6.3.3.3 - Analyse des résultats obtenus: 175
6.3.3.4 I- mpact de l'état non-saturé des géotextiles à l'interface sur les débits dans l'étanchéité composite: 182
6.4 - Synthèse des résultats sur l'impact hydraulique probable de la présence d'un géotextile à l'interface: 188
7. Discussion des débits d'interface obtenus expérimentalement: 189
8. Conclusion des essais expérimentaux: 191
Chapitre V: Simulations numériques des écoulements dans un dispositif d'étanchéité composite prenant en compte la géométrie de son interface
1. Introduction: 193
2. Présentation du code de calcul METIS: 193
2.1 - Équations résolues: 193
2.2 - Principe de résolution: 194
2.3 - Spécificités du code: 194
2.4 - Gestion des conditions aux limites: 195
3. Etude de l'influence de la non-saturation de la barrière minérale: 196
3.1 - Caractéristiques de l'étanchéité composite étudiée: 196
3.2 - Modèle de transfert et méthode de résolution: 197
3.3 - Paramètres hydrodynamiques de la barrière minérale: 198
3.4 - Paramètres hydrodynamiques de l'interface: 200
3.5 - Effets de la saturation initiale de la barrière minérale: 201
3.6 - Influence du type de défaut dans la géomembrane: 203
3.7 - Influence des paramètres hydrodynamiques de l'interface: 204
3.8 - Influence des paramètres hydrodynamiques de la barrière minérale.: 204
3.9 - Comparaison des résultats numériques avec les solutions analytiques et les équations empiriques existantes: 205
3.10 - Mécanismes des écoulements simulés dans l'étanchéité composite: 206
4. Étude de l'écoulement dans une géométrie d'interface réelle: 209
4.1 - Géométrie du système étudié: 209
4.2 - Maillage de l'interface: 210
4.3 - Conditions initiales du système et conditions limites appliquées: 210
5. Simulations d'écoulement dans une interface d'étanchéité composite classique: 211
5.1 - Débits de fuite obtenus et analyse de l'écoulement dans l'interface: 211
5.1.1 - Résultats obtenus sur l'interface sous contrainte mécanique de 6 kPa: 211
5.1.2 - Résultats obtenus sur l'interface sous contrainte mécanique de 64 kPa: 214
5.2 - Étude de l'influence de la position du défaut par rapport à l'ouverture: 216
5.2.1 - Mise en évidence de l'influence de la position du défaut dans le cas de la géométrie d'interface mesurée sous 6 kPa: 216
5.2.2 - Mise en évidence de l'influence de la position du défaut dans le cas d'une interface reconstituée: 221
6. Simulations de flux dans une interface d'étanchéité composite comprenant un géotextile à l'interface: 223
7. Comparaison des simulations numériques réalisées avec les données expérimentales: 224
7.1 - Comparaison dans le cas d'une interface de dispositif d'étanchéité classique.: 226
7.2 - Comparaison pour le cas où un géotextile occupe l'interface: 227
8. Comparaison des résultats numériques avec les prédictions par solution analytique: 228
9. Conclusion: 230
- Conclusion générale, préconisations pour la réduction des transferts advectifs dans les dispositifs d'étanchéité composite et perspectives.: 231
- Bibliographie citée dans le document - 235
- Liste des annexes: 252
- Annexe I: Vérification des critères d'application de la solution analytique de Zimmerman et Bodvarsson (1996): 253
- Annexe II: Protocole de reproduction d'état de surface artificiel dans la cellule de mesure de transmissivité: 255
- Annexe III: Montage de l'essai en cellule de mesure de transmissivité de diamètre 20 cm: 259
- Annexe IV: Protocole de prise d'empreintes d'états de surface sur sites.: 261
- Annexe V: Protocole de reproduction de l'état de surface réel en colonne d'essais de diamètre 1 m - 264
- Annexe VI: Protocole de détermination de la courbe teneur en eau - succion des géotextiles: 272

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