Ch 11 14 - Université LavalASTM D2412--02 (R 2008) Standard Test Method for Determination of...

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TABLE DES MATIÈRES

CHAPITRE 1Introduction 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.1 INTRODUCTION 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPITRE 4Relations---eau---sol---plante 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.1 INTRODUCTION 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.2 CE QU’EST UN SOL 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.3 PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DES SOLS 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.4 PROPRIÉTÉS PHYSICO--CHIMIQUES DES SOLS 9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.5 LES GAZ DANS LE SOL 10. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.6 L’EAU DANS LE SOL 10. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.7 PÉDOLOGIE 13. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.8 LA PLANTE, LES BACTÉRIES ET L’EAU 19. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.9 L’EAU, LE SOL ET LA MACHINE 21. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPITRE 5Le climat et les problèmes d’eau 23. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.1 INTRODUCTION 23. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.2 LE BILAN HYDROLOGIQUE OU HYDRIQUE 24. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.3 PROCESSUS D’INFILTRATION 25. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.4 PROFIL D’HUMIDITÉ ET INFILTRATION 26. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.5 RÉGIME HYDRIQUE AU QUÉBEC 28. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPITRE 6Topographie et géologie des sols 35. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.1 INTRODUCTION 35. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.2 TERRAIN PLAT (PLAINES) OU À FAIBLE PENTE 35. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.3 PIEDS ET FLANCS DE COTEAU 39. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.4 NAPPE ARTÉSIENNE 40. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.5 DÉPRESSIONS 41. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.6 VALLÉES 41. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPITRE 7Lois de l’écoulement 43. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7.1 INTRODUCTION 43. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.2 ÉQUATION DE DARCY 43. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.3 VITESSE RÉELLE, VITESSE APPARENTE, FLUX 44. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.4 PERMÉABILITÉ INTRINSÈQUE 44. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.5 NOTIONS DE POTENTIEL 45. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.6 LOI DE DARCY GÉNÉRALISÉE 48. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.7 ÉQUATION DE LA CONTINUITÉ 48. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.8 SOLUTION DE PROBLÈMES 50. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.9 CONDUCTIVITÉ HYDRAULIQUE ÉQUIVALENTE 52. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.10 RÉSEAU D’ÉCOULEMENT 54. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.11 HYPOTHÈSE DE DUPUIT--FORCHEIMER 59. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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CHAPITRE 8Conductivité hydraulique 65. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8.1 INTRODUCTION 65. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8.2 MÉTHODES DE MESURE 66. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8.3 PERMÉAMÈTRE À CHARGE CONSTANTE 66. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8.4 MÉTHODE DU TROU À LA TARIÈRE 67. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8.5 CALCUL DE L’ERREUR 72. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8.6 CONDUCTIVITÉ HYDRAULIQUE DES SOLS STRATIFIÉS 75. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8.7 ANALYSE STATISTIQUE 78. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8.8 STATISTIQUES ET SOLS STRATIFIÉS 87. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8.9 DEUX ZONES DE SOL SEMBLABLES OU DIFFÉRENTES 91. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPITRE 7Modèles de drainage souterrain 101. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7.1 INTRODUCTION 101. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.2 PARAMÈTRES DES MODÈLES DE DRAINAGE 101. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.3 LE RÉGIME PERMANENT 102. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.4 LE MODÈLE EN RÉGIME VARIABLE (GUYON) 104. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.5 ÉCOULEMENT RADIAL 111. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.6 PROFONDEUR ÉQUIVALENTE DE DRAINAGE 113. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.7 CRITÈRES DE DESIGN 117. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.8 DIAMÈTRE DES DRAINS OU LEUR LONGUEUR 119. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPITRE 8Porosité équivalente de drainage 127. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8.1 INTRODUCTION 127. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8.2 POROSITÉ DE DRAINAGE 127. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8.3 LA POROSITÉ ÉQUIVALENTE DE DRAINAGE 131. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPITRE 9Irrigation souterraine 141. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9.1 INTRODUCTION 141. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.2 DÉFINITION 141. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.3 PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT DES SYSTÈMES 142. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.4 CRITÈRES D’APPLICATION 146. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.5 CONCEPTION 148. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.6 TEMPS DE REMONTÉE DE LA NAPPE 152. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.7 DÉBIT DE LA POMPE D’ALIMENTATION 154. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.8 RECOMMANDATIONS POUR L’OPÉRATION DES SYSTÈMES D’IRRIGATION SOUTERRAINE . . . .

1549.9 RÉGIONS POTENTIELLES POUR L’IRRIGATION SOUTERRAINE AU QUEBEC 155. . . . . . . . . . .9.10 RESSOURCES EN EAU 155. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.11 RECHERCHE EFFECTUÉE AU QUÉBEC 156. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9.12 EXEMPLES 156. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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CHAPITRE 10Principes et méthodes d’assainissement 165. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.1 INTRODUCTION 165. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10.2 PRODUCTION ET ASSAINISSEMENT 165. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10.3 LES OBJECTIFS DE L’ASSAINISSEMENT 165. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10.4 LES TECHNIQUES 166. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10.5 LES APPROCHES 167. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPITRE 11Drains et matériaux de drainage 169. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11.1 INTRODUCTION 169. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11.2 TUYAUX EN POLYÉTHYLÈNE et NORMES 169. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11.3 MATÉRIAUX DE FABRICATION 170. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11.4 CARACTÉRISTIQUES DIMENSIONNELLES 171. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11.5 MÉTHODES D’ESSAI ET DE CONTRÔLE 173. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11.6 RACCORDS 176. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPITRE 12Colmatage des drains et matériaux filtrants 181. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12.1 INTRODUCTION 181. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12.2 TYPES DE COLMATAGES 181. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12.3 PROCESSUS D’ENSABLEMENT 182. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12.4 FORMATION DE PONTS 185. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12.5 ASPECTS THÉORIQUES 185. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12.6 PRÉDICTION DE LA SÉDIMENTATION 188. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12.7 BESOINS EN MATÉRIAUX FILTRANTS 190. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12.8 MEMBRANES GÉOTEXTILES 191. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPITRE 13Identification des problèmes de drainage 195. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13.1 INTRODUCTION 195. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13.2 FONCTIONNEMENT D’UN SYSTÈME DE DRAINAGE SOUTERRAIN 196. . . . . . . . . . . . . . . . . .13.3 PROBLÈMES ET SYNDROMES 198. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13.4 MÉTHODOLOGIE D’IDENTIFICATION DES PROBLÈMES 209. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13.5 CONCLUSIONS 210. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CHAPITRE 14Migration des substances 211. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14.1 INTRODUCTION 211. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14.2 LOIS DE MIGRATION DES SUBSTANCES 211. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14.3 BILAN DE SUBSTANCES 213. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14.4 CYCLE DE L’AZOTE 214. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14.5 EXEMPLES 216. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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CHAPITRE 11Drains et matériaux de drainage

11.1 INTRODUCTION

Les drains agricoles peuvent être fabriqués avec différent matériaux tels que la terre cuite, leciment et plus récemment en matières thermoplastiques comme le polyéthylène (PE), le poly-chlorure de vinyle (PVC) et le polypropylène. Aujourd’hui, les drains sont presque exclusive-ment fabriqués de thermoplastiques. Pour des raisons historiques, les drains sont principale-ment fabriques de polyéthylène en Amérique du Nord et de PVC en Europe.

Les tuyaux utilisés pour le drainage agricole au Québec sont fabriqués avec du polyéthylènehaute densité (> 0,940 g/cm3) auquel du noir de carbone (minimum 2 %) est généralementajouté pour le rendre résistant aux rayons ultra--violets du soleil. Les tuyaux de polyéthylènesont fabriqués par un procédé d’extrusion.

Ce chapitre présente sommairement les caractéristiques des tuyaux de polyéthylène fabriquésau Québec en considérant les normes du Bureau de normalisation du Québec (BNQ, 2007).

11.2 TUYAUX EN POLYÉTHYLÈNE et NORMES

Au Québec, les tuyaux de polyéthylène utilisés en drainage agricole sont régis par les normessuivantes du Bureau de normalisation du Québec [http://www.bnq.qc.ca] :

BNQ 3624--115/2007 Tuyaux annelés flexibles et raccord en thermoplastique pour ledrainage des sols (BNQ, 2007).

BNQ 3624--001/2000 Tuyauteries en matière plastique -- Définitions, désignations etdimensions (BNQ, 2000).

170 DRAINS ET MATÉRIAUX DE DRAINAGE

et par l’ASTM (American Society for Testing and Materials [http://www.astm.org] :

ASTM D2412--02 (R 2008) Standard Test Method for Determination of External LoadingCharacteristics of Plastic pipe by Parallel--Plate Loading(ASTM Standard D2412, 2002).

ASTM D2444--99 (R 2005) Standard Test Method for Determination of the Impact Resist-ance ofThermoplastic Pipe andFittings byMeans of a Tup (Fal-ling Weight) (ASTM Standard D2444, 1999).

ASTM D3350--06 Standard Specification for Polyethylene Plastics pipe and Fit-tings Materials (ASTM Standard D3350, 2006).

ASTM D4218--96 (R 2008) Standard Test Method for Determination of Carbon Black Con-tent in Polyethylene Compounds by the Muffle--Furnace Tech-nique (ASTM Standard D4218, 1996).

11.3 MATÉRIAUX DE FABRICATION

11.3.1 Le polyéthylène

La résine de polyéthylène utilisée pour la fabrication des tuyaux de drainage (BNQ, 2007) doitêtre un polyéthylène vierge, un polyéthylène recyclé, un rebut industriel de polyéthylène ou unpolyéthylène remis en oeuvre qui doit être conforme à la désignation PE324420 selon la classi-fication par propriétés spécifiées par la norme ASTM D3350 (ASTM Standard D3350, 2006).Cette désignation signifie :

un indice de densité (density) 3 0,940 -- 0,955 g/cm3

un indice de fluidité (melt index) 2 1,0 -- 0,4

un indice de module de flexion (flexural modulus) 4 552 -- 758 MPa

un indice de résistance à la tension (tensile strengthat yield) 4 21 -- 24 MPa

un indice Slow crack growth resistance 2

Les raccords fabriqués par soufflage doivent utiliser une résine PE324420, les raccords fabri-qués par injection doivent utiliser une résinePE314420 et ceux fabriqués par rotomoulage doi-vent utiliser une résine PE213310.

Un plastique ayant une classification par propriété différente de celles qui sont spécifiées pré-cédemment peut être utilisée en autant que chacun des indices par propriétés soit égal ou supé-rieur à ceux spécifié précédemment.

11.3.2 Protection contre les rayons UV

Comme les tuyaux et les raccords sont exposés au rayonnement ultra--violet (UV) lors de l’en-treposage extérieur, ils doivent être protégés contre le rayonnement UV par l’addition de noirde carbone ou d’autres absorbeurs UV (BNQ, 2007).

CARACTÉRISTIQUES DIMENSIONNELLES 171

Lorsque le noir de carbone est utilisé, la quantité additionnée au polyéthylène doit être d’aumoins 2 % sans dépasser 5 %. La teneur en noir de carbone est déterminée selon la normeASTM D4218 (ASTM Standard D4218, 1996).

11.4 CARACTÉRISTIQUES DIMENSIONNELLES

11.4.1 Aspect

Les tubes et les raccords doivent présenter un aspect homogène et être exempts de craquelures,piqûres, bulles, matières étrangères ou autres défauts visibles à l’oeil nu. De plus, ils doiventprésenter visuellement une couleur et une épaisseur uniformes. Leurs extrémités doivent êtrecoupées de manière nette et à angle droit.

11.4.2 Les caractéristiques géométriques

La figure 11.1 présentent les principales caractéristiques géométriques des tuyaux de drainageondulés. Les ondulations ont pour objectif d’augmenter la rigidité du tuyau pour un minimumde matière plastique utilisée. Les filets sont soient parallèles ou hélicoïdaux. Les tuyaux sontgénéralement caractérisés par leur diamètre intérieur nominal. Les diamètres intérieurs nomi-naux fabriqués au Québec sont 75 mm, 100 mm, 150 mm, 200 mm, 250 mm et 300 mm(tableau 11.1). Le diamètre intérieur moyen doit être compris entre le diamètre nominal moins2 mm et 105 % du diamètre nominal pour les tuyaux dont le diamètre nominal est égal ou infé-rieur à 150 mm. Pour les tuyaux ayant un diamètre nominal supérieur à 150 mm, le diamètreintérieur moyen doit être compris entre 98,5 % et 105 % du diamètre nominal.

Une ovalisation inférieure à 5 % du diamètre extérieur est tolérée. La longueur minimale desbobines de tuyaux doit être égale à au moins 99% de la longueur nominale et les longueursnominales sont spécifiées au tableau 11.1.

11.4.3 Les perforations

Les perforations (BNQ, 2007) (figure 11.1) qui peuvent être sous forme de fentes ou de trouscirculaires doivent être pratiquées dans le fond des anneaux ou des filets. Elles doivent êtreuniformément réparties le long de l’axe longitudinal et être disposées en trois rangées aumoinsautour de l’axe du tuyau ou selon la demande des utilisateurs

La largeur ou le diamètre des perforations lorsque circulaires) doit être compris entre 0,5 mmet 2,0 mm, tandis que l’aire totale de perforation doit être d’au moins 32 cm2 par mètre detuyau. La longueur des fentes doit être inférieure à 55 mm.

Les perforations doivent être dépourvues de bavures susceptibles de restreindre le passage del’eau et ce, tant sur la surface interne que sur la surface externe.

172

Figure 11.1 Caractéristiques géométriques et dimensions des perforations (BNQ, 2007).

MÉTHODES D’ESSAI ET DE CONTRÔLE 173

11.5 MÉTHODES D’ESSAI ET DE CONTRÔLE

11.5.1 La rigidité

Lorsqu’ils sont installés, les tubes en plastique se déforment sous le poids du sol se trouvant audessus. Malgré une résistance due au support latéral du sol qui l’entoure, le tube doit avoir unerésistance qui se mesure par l’essai de rigidité.

L’essai (BNQ, 2007) doit être fait dans une presse hydraulique conformément aux exigencesde la norme ASTM D2412 (ASTM Standard D2412, 2002) sur des échantillons d’une lon-gueur 305 mm ± 5 mm si le diamètre nominal est inférieur à 300 mm ou d’une longueur égaleau diamètre nominal ± 30 mm si le diamètre nominal est égal ou supérieur à 300 mm.

Cet essai consiste à presser dans une presse hydraulique (schématisée à la figure 11.2) uneéprouvette de tuyau placée entre deux plateaux parallèles qui se rapprochent à vitesse cons-tante, et à mesurer la force de compression qui en résulte en fonction de la déformation. Si larupture se produit, la charge de rupture ainsi que la déformation correspondante sont notées.L’essai est arrêté lorsque l’éprouvette a atteint une déformation de 15 % de son diamètre inté-rieur.

Figure 11.2 Schéma d’une presse hydraulique pourmesurer la rigidité des tuyaux (BNQ,1981a).

Charge

Éprouvette

Indicateur decharge

Piston dela presse

Plateauxparallèle

Indicateur dedéformation

174

Les valeurs de rigidité sont calculées pour des déformations de 5 % et 10 % par rapport au dia-mètre intérieur moyen par la formule suivante :

[11.1]R% =F%

Lo ∆y%

R% = Rigidité (Kpa ou KN/m2) pour une déformation de 5 % ou 10 %

F% = Charge (KN) pour une déformation de 5 % ou 10 %

Lo = Longueur de l’éprouvette (m)

∆y% = Déformation à 5 % ou 10 % (m)

∆y5% =Din

20∆y10% =

Din

10

Din = Diamètre intérieur du drain (m)

Les valeurs à retenir sont les plus basses obtenues parmi les trois éprouvettes testées. Lesvaleurs de rigidité minimales sont respectivement 210 kPa et 160 kPa pour des déformationsde 5%et 10 %.Lors de cet essai, les tuyaux ne doivent présenter ni fissuration ni séparation dela ligne de moulage longitudinale.

11.5.2 La résistance à l’allongement

Lors du déroulement des tuyaux et leur installation dans les tranchées, les tuyaux sont soumis àdes tensions axiales qui peuvent l’amener à s’étirer et entraîner une réduction de leur rigidité.L’essai d’allongement (BNQ, 2007) est effectué dans le but de prévenir ces risques.

Cet essai consiste à suspendre verticalement une éprouvette de 1,5 m de longueur chargéed’abord par une charge initiale (aussi appelée charge de redressement) de 0,18 N/mm fois lediamètre intérieur nominal (en mm) du tuyau. Par la suite, une charge d’essai de 0,90 N/mmfois le diamètre intérieur nominal (en mm) du tuyau est ajoutée. Au bout de 3 minutes, le pour-centage d’allongement entre deux repères préalablement fixés lors de l’étape de redressementet distant de 0,76 m est mesuré. L’allongement est mesuré sur trois éprouvettes et la moyennene doit pas dépasser 10%.

11.5.3 La résistance aux chocs

Durant le déchargement des tuyaux de leur remorque sur le site de construction, ils peuventsubir des chutes accidentelles. L’énergie résultant de cet impact doit être absorbée sans causerdes dommages aux tuyaux. Cette capacité d’absorption des chocs est quantifiée par l’essai derésistance aux chocs (ASTM Standard D2444, 1999) qui est effectué dans toutes les normesnord américaines.

L’essai de résistance aux chocs (BNQ, 207) doit être effectué conformément aux exigences dela norme ASTM D2444 (ASTM Standard D2444, 1999). L’essai consiste à faire tomber unpoids de 1 kg de type B (figure 11.3) en chute libre d’une hauteur de 1,0 m sur une éprouvette

MÉTHODES D’ESSAI ET DE CONTRÔLE 175

découpée dans le tuyau à soumettre à l’essai, et à constater s’il y a ou non fissuration ou autresdommages. L’essai est réalisé sur dix éprouvettesmesurant aumoins 200mmet comportant aumoins trois anneaux complets. Les éprouvettes sont conditionnées pendant aumoins 24 heuresdans une chambre réfrigérée à 0°C ou pendant au moins 4 heures dans un bain d’eau à unetempérature de à 0°C. Les éprouvettes doivent être soumises à l’essai dans un intervalle de 15secondes suivant leur sortie de la chambre de conditionnement ou du bain d’eau. Chaqueéprouvette doit être examinée à l’aide d’un appareil d’éclairage adéquat pour déceler toutefente ou toute fissure. Les dix éprouvettes ne doivent présenter ni fente, ni fissure après avoirété soumis à l’essai. Les figures 11.4 et 11.5 présentent un schéma de l’appareil utilisé lors del’essai de résistance aux chocs.

Figure 11.3 Poids de type B utilisé lors de l’essai de résistance aux chocs (ASTM Stan-dard D2444, 1999).

Figure 11.4 Schéma de l’appareil utilisé lors de l’essai de résistance aux chocs (ASTM Stan-dard D2444, 1999)..

176

Figure 11.5 Schéma de l’appareil utilisé lors de l’essai de résistance aux chocs (BNQ,1981b).

11.6 RACCORDS

Les raccords peuvent être des manchons (figure 11.6), des tés (figure 11.7), d’embranche-ments (figure 11.7) et de bouchons. Les manchons servent à joindre deux longueurs de tuyau.Les tés servent à joindre un latéral à un collecteur ou un collecteur à un autre collecteur à angledroit. Les embranchements ont le même usage que les Tés mais le font à un angle de 45�. Lesbouchons servent à fermer le bout des latéraux ou des collecteurs pour empêcher le sol de péné-trer dans les tuyaux.

Les raccords utilisés pour l’assemblage des tuyaux doivent être désignés conformément auchapitre 5 de la norme NQ 3624--001 (BNQ, 2000). Ils ne doivent pas être perforés et ne doi-vent pas diminuer de façon notable la vitesse d’écoulement de l’eau dans les tuyaux. Le fabri-cant doit spécifier les raccords à utiliser et les techniques d’assemblage des raccords et destuyaux.

177

Figure 11.6 Manchons (BNQ, 2007).

Figure 11.7 Té et embranchement (BNQ, 2007).

Té Embranchement

178

11.6.1 Longueur d’emboîture des raccords

Les raccords doivent offrir à chaque joint une longueur d’emboîture couvrant au moins deuxanneaux complets ou la largeur de deux filets pour les tuyaux hélicoïdaux.De plus, la longueurd’emboîture doit être au moins égale à :

1. 50 % du diamètre nominal lorsque ce dernier est de 250 mm ou moins;

2. 40 % du diamètre nominal lorsque ce dernier est supérieur à 250 mm mais infé-rieur ou égal à 375 mm;

3. 150 mm, lorsque le diamètre nominal est supérieur à 375 mm.

11.6.2 Résistance des joints à la séparation

Les tuyaux de drainage sont habituellement vendus en rouleaux de 30m à 125 mou en bobinespouvant aller jusqu’à 1200mpour les tuyaux de 100mmdediamètre, selon lemanufacturier etles besoins du client. De ce fait, des manchons sont nécessaires pour assurer la continuité del’installation ou pour remplacer une portion de conduite endommagée. Les joints doivent êtrecapables de se plier et de passer au travers de la machine d’installation sans s’endommager ouse séparer de la conduite.

L’essai de résistance des joints à la séparation (BNQ, 2007) permet de mesurer la résistanced’un joint sous une charge. Le principe consiste à vérifier l’état d’assemblage du tube sus-pendu verticalement sous une charge de redressement (0,18 N/mm) multipliée par le diamètrenominal (mm) du tuyau et sous une charge de traction de 0,90 N/mm fois le diamètre nominal(en mm) du tuyau appliquées suivant l’axe. Cet essai utilise les mêmes charges et le mêmemode opératoire de l’essai de résistance à l’allongement Le résultat est satisfaisant si aucuneséparation de joint ne se produit. L’essai est réalisé sur trois éprouvettes.

11.6.3 Résistance des joints à l’écrasement

L’essai de résistance des joints à l’écrasement (BNQ, 207) doit être effectué conformémentaux exigences de la norme ASTM D2412 (ASTM Standard D2412, 2002) dans un pressehydraulique. Chaque éprouvette est constitué en un assemblage formé d’un raccord lié à un ouplusieurs tronçon de tuyaux et assemblés conformément au mode d,emploi du fabricant. Lestronçons de tuyaux utilisés doivent avoir une longueur minimale de 150 mm. Chacun desjoints d’une éprouvette est comprimé jusqu’à ce que son diamètre intérieur moyen atteigneune déformation de 20 %. Les joints entre les tuyaux et les raccords ne doivent pas se défaire etles raccords ne doivent présenter ni fente ni fissure après avoir été soumis à cet essai. Troiséprouvettes sont utilisées lors de cet essai.

179

Tableau 11.1 Diamètres et longueurs des tuyaux aux fins de drainage agricole (BNQ, 2007).

Diamètrenominal(mm)

Longueur nominale(m)

Nombre maximalde manchons

75 125 et les multiples* de 125 sans dépasser 2125 8

100 75 et les multiples* de 75 sans dépasser 1200 **

125 75 et les multiples* de 75 sans dépasser 1200 **




300 6 et les multiples* de 30 sans dépasser 60 s. o.

400 6 et les multiples* de 30 sans dépasser 60 s. o.

* Multiple d’un nombre entier dans le cas d’un tuyau enroulé sur une bobine d’une capa-cité de plus de 75 m (appelé “bobine géante”).

** Le nombre maximal de manchons est de 1 pour des longueurs nominales de 75 m et150 m. Le nombre maximal de manchons est déterminé par la longueur nominaledivisée par 225 pour les longueurs nominales de 225 m et plus.

180

BIBLIOGRAPHIE

ASTM Standard D2412, 2002. Standard Test Method for Determination of External LoadingCharacteristics of Plastic pipe by Parallel--Plate Loading. (Reapprove 2008). ASTMInternational, West Conshohocken, PA.

ASTM Standard D2444, 1999. Standard Test Method for Determination of the Impact Resis-tance of Thermoplastic Pipe and Fittings by Means of a Tup (Falling Weight). (Reap-prove 2005). ASTM International, West Conshohocken, PA.

ASTM Standard D3350, 2000. Standard Specification for Polyethylene Plastics pipe and Fit-tings Materials. ASTM International, West Conshohocken, PA.

ASTM Standard D4218, 1996. Standard Test Method for Determination of Carbon BlackContent in Polyethylene Compounds by the Muffle--Furnace Technique. (Reapprove2001). ASTM International, West Conshohocken, PA.

BNQ, 1981a. Tuyaux en plastique -- Méthode d’essai. de résistance à la déformation. BNQ3624--060--885. Bureau de normalisation du Québec, Québec.

BNQ, 1981b. Tuyaux en plastique -- Méthode d’essai de résistance aux chocs. BNQ3624--070.Bureau de normalisation du Québec, Québec.

BNQ, 2000. Tuyauteries en matière plastique -- Définitions, désignations et dimensions. BNQ3624--001/2000. Bureau de normalisation du Québec, Québec.

BNQ, 2007. Tuyaux et raccord en polyéthylène (PE) -- Tuyaux flexibles pour le drainage --Caractéristiques et méthodes d’essais. BNQ 3624--115/2007. Bureau de normalisationdu Québec, Québec.

Sagard S.M., G. F. Mitchell et J. O. Hurd (éd.). 1990. Structural performance of flexible pipes.Proceedings of the first national conference on flexible pipes. A. A. Balkema, Rotter-dam.

CHAPITRE 12Colmatage des drains et matériaux filtrants

12.1 INTRODUCTION

Il est désastreux de constater après l’installation de drains qu’ils sont colmatés et que l’investisse-ment est perdu. Le colmatage des drains est influencé par les caractéristiques du sol, du drain et lesconditions d’installation. Pour contrôler le colmatage des drains, il est important de comprendre lesphénomènes qui y sont associés. Les matériaux filtrants sont utilisés pour contrôler l’ensablementdes drains et il est nécessaire de les connaître et les conditions d’utilisation pour pouvoir faire desrecommandations adéquates.

12.2 TYPES DE COLMATAGES

Avant de décrire les phénomènes de colmatage des drains, il est important de connaître les formes etles origines en terme terminologique.

Le colmatage des tuyaux de drainage peut revêtir deux formes :

� Le colmatage externe est l’obstruction totale ou partielle des perforations et/ou la réduction dela conductivité hydraulique du sol au voisinage du drain qui limitent la pénétration de l’eau dansle drain. Le drain perd alors beaucoup de son efficacité hydraulique.

� Le colmatage interne est l’obstruction totale ou partielle du drain par des particules de sol, desracines ou des dépôts de nature chimiques ou biologiques. Ce colmatage amène une réductionde la section hydraulique du tuyau et de sa capacité de transport.

L’origine du colmatage peut être unique oumixte (combinant plusieurs causes). Les principales sont :

� Les colmatages minéraux : ils sont provoqués par la migration de particules minérales qui sedéposent dans le tuyau (colmatage interne) et/ou qui sont immobilisées dans la zone autour du

182 COLMATAGE DES DRAINS ET MATÉRIAUX FILTRANTS

drain. Ce dernier cas amène alors la formation d’une zone peu perméable (colmatage externe).Ce colmatage peut survenir rapidement après la pose lors de la période de consolidation du soldans la tranchée près du drain. Il est alors appelé colmatage primaire. Il est principalement lefait des mauvaises conditions d’installation où le sol est très humide ou saturé. Le colmatagepeut se produire dans les périodes subséquentes d’écoulement et il est alors appelé colmatagesecondaire. Ce dernier colmatage est principalement dû à la nature du sol. Le colmatage secon-daire des drains par des particules de sol est aussi appelé ensablement des drains. Il est la princi-pale forme de colmatage à laquelle les praticiens doivent faire face. Dans certains cas, l’ensable-ment des drains peut se produire très rapidement voire dans l’année qui suit l’installation.

� Les colmatages “physico--chimiques” et “biologiques” : ils sont dus aux modifications dumilieu induites par la pose des drains qui provoque la prolifération d’unemicroflore adaptée auxnouvelles conditions et/ou à des dépôts résultant de transformations chimiques. Les colmatages“ferriques” sont le type le plus répandu : ils combinent des dépôts d’oxyde de fer obstruant lesperforations et le développement d’un gel bactérien à l’intérieur du drain.

� Les colmatages racinaires : ils sont dus à l’accumulation d’un chevelu racinaire dans le drain.Ils se produisent principalement dans les situations de drains transportant l’eau provenant d’unesource. Le drain est alors un milieu privilégié pour l’attraction racinaire car il constitue uneréserve d’eau et d’air facilement utilisable. Les radicelles pénètrent dans le drain par les perfora-tions et lorsqu’elles meurent, elles créent des bouchons dans les tuyaux qui gênent alors l’écou-lement de l’eau.

12.3 PROCESSUS D’ENSABLEMENT

Le processus d’ensablement des drains commence lorsque les particules de sol sont arrachés etemportés dans le drain par le mouvement de l’eau au travers des perforations. Pour comprendre lephénomène, il est important d’analyser les forces que subit un volume élémentaire de sol à la surfacede suintement. Dans un premier temps, nous allons analyser le cas d’un volume élémentaire de solpulvérulent (figure 12.1). L’élément est soumis à la force de la gravité et à une force ascendante due àl’écoulement. La force de gravité correspond au poids déjaugé (poids -- poussée d’Archimède) :

[12.1]Fg = (γs− γe) (1− n) ∆x ∆y ∆z

Fg = Force gravitationnelle

γs = Poids spécifique des particules de sol (g/cm3)

γe = Poids spécifique des particules de l’eau (g/cm3)

n = porosité

La force due à l’écoulement est provoquée par la différence de potentiel ou gradient hydraulique :

[12.2]Fe = γe ��1 − �2� ∆x ∆y= γe ��1 − �2

∆z� ∆x ∆y ∆z= γe i ∆x ∆y ∆z

Fe = Force d’écoulement

183PROCESSUS D’ENSABLEMENT

Figure 12.1 Bilan des forces sur un élément soumis à un écoulement ascendant.

Fécoulement

∆y

∆x

∆z

Fgravité

�2

�1

φ = Potentiel

i = ��1− �2∆z

� = gradient hydraulique

L’élément se soulèvera lorsque la force due à l’écoulement sera plus grande que la force de gravité etce phénomène est appelé “boulance” :

[12.3]Fe ≥ Fg

[12.4]γe i≥ (γs− γe) (1− n))

Le gradient qui permet l’amorce du phénomène est appelé gradient critique (ic):

[12.5]ic ≥ �γs− γeγe

� (1− n)

En supposant que les particules de sol ont un poids spécifique de 2,65 g/cm3 et que les particules sontdes billes arrangées de la façon la plus compacte avec une porosité de 0,35, le gradient critique estalors de 1,07. Dans le cas d’un sol idéal possédant une porosité de 0,50, le gradient critique est alorsde 0,83. Dans les sols pulvérulents, nous constatons que le gradient critique est de l’ordre de l’unité,ce qui est très élevé.

Dans le cas d’un sol réel, les forces de cohésion et de friction doivent être considérées et elles sontreprésentées par la résistance au cisaillement (τ) (figure 12.2) :

[12.6]τ = Fc+W sin θf = Fc+ Ff

τ = Résistance au cisaillement

Fc = Force de cohésion

W = Charge appliquée sur le sol

sin θf = angle de friction ou coefficient de friction


Ff = Force de friction

Figure 12.2 Résistance au cisaillement.

(τ)

Cohésion

Friction

sin θf

CHARGE

Forcedecisaillement

(W)

Nous allons analyser le cas d’une perforation située dans la partie inférieure du drain et une autresituée dans la partie supérieure (figure 12.3).

Figure 12.3 Bilan des forces sur un élément de sol à l’entrée d’un perforation.

DRAIN

Fécoulement

Ffriction

Fgravité

PERFORATION AUBAS DU DRAIN

PERFORATION AUHAUT DU DRAIN

FcohésionFécoulement

FgravitéFcohésion

Pour une perforation au bas du drain, la force de friction est nulle (W=0) et le bilan des forces donne :

[12.7]Fe ≥ Fg+ Fc

[12.8]γe i≥ (γs− γe) (1− n))+ Fc

[12.9]ic ≥ �γs− γeγe

� (1− n))+Fcγe

185FORMATION DE PONTS

Pour une perforation au haut du drain, le bilan des forces donne :

[12.10]Fe ≥ Fc+ Ff− Fg

La force de friction est causée par le poids de la colonne de sol au--dessus de l’élément. Le gradientcritique est :

[12.11]ic ≥Fcγe

+Wγe

sin θf− �γs− γeγe

� (1− n))

Comme nous le voyons les forces de cohésion et de gravité essaient de contrer les forces d’écoule-ment pour une perforation au bas du drain alors que les forces de cohésion et de frictionmoins la forcede gravité essaient de contrer les forces d’écoulement pour une perforation au haut du drain. Au hautdu drain, les forces de friction sont importantes compte tenu du poids de la colonne (W) de sol au--des-sus du drain.

12.4 FORMATION DE PONTS

La section précédente a analysé les forces provoquant le mouvement d’un élément de sol dans unesituation de stabilité beaucoup après l’installation du drain. Dans la réalité, les particules de sol arra-ché par le mouvement de l’eau seront emportées vers la perforation. Si la particule ou la motte estbeaucoup plus petite que la perforation, elle entrera facilement dans le drain. Par contre, si elle est dela taille de la perforation ou plus grande, elle sera retenue par la perforation et il se créera un pont àl’entrée de la perforation. Le pont empêchera les particules suivantes de pénétrer dans le drain. Cepont joue alors le rôle d’un filtre. La figure 12.4 de l’analyse micromorphologique de lames mincesde sol à l’interface avec le drain montre clairement la formation d’arches par des agrégats (petitesmottes de terre).

12.5 ASPECTS THÉORIQUES

L’analyse des résultats de recherche permet de décrire théoriquement les processus se produisantsuite à l’installation d’un drain. Après l’installation du drain, le drain est recouvert plus ou moinsrapidement par des mottes de sol qui laissent beaucoup de vides. Le processus de tassement du soldébute lentement avec la déformation des mottes causée par la pression de la masse de sol au--dessusde celles--ci. Le tassement est influencé par la consistance du sol et son niveau s’accroit avec le temps.Lorsque l’eau commence à couler le long desmottes, elle brise tous liens de cohésion non permanentset les mottes s’effritent. La gravité et les forces de l’écoulement emportent les mottes brisées, lesagrégats et les particules de sol vers les perforations du drain. Si les agrégats ou les mottes sont del’ordre de grandeur ou plus large que les perforations, elles vont former rapidement un pont face à laperforation. Si les agrégats ou les particules sont plus petites que l’ouverture, elles entrerons facile-ment dans le drain et le processus se poursuivra jusqu’à ce qu’un agrégat ou groupe de particule oud’agrégats de plus grande dimension vienne former un pont au--dessus de l’ouverture ou que le drain


Figure 12.4 Formation d’une arche par des petits agrégats et chemin préférentiel vers uneperforation (Gallichand et al., 1989).

soit rempli. Si un pont se forme, tous les autres agrégats ou particules s’accumuleront derrière le pontet le solidifieront. Lorsque ce processus, le haut du drain doit être considéré différemment du bas dudrain. Au haut du drain, le gradient hydraulique et la gravité s’additionne pour pousser le sol dans lesondulations du drain face aux ouvertures. Au bas du drain, l’écoulement est vers le haut et agit contrela gravité. Dans cette situation, la pression est nécessairement plus petite qu’au--dessus du drain.Alors, le sol seramoins bien consolidé dans les ondulations sous le drain qu’au--dessus du drain et lesponts seront plus difficile à bâtir et seront moins stables. Le sol plus lâche dans les ondulations au basdu drain offre moins de résistance à l’écoulement et plus d’eau va entrer par les perforations situéesau bas du drain. Si la force de traction de l’eau sur les particules est suffisante pour les soulever (phé-nomène de boulance), les particules entrerons en grande quantité dans le drain. Le sol lâche dans lesondulations au bas du drain peut expliquer pourquoi il semble entrer plus de sol par le bas du drain quepar le haut. La formation de ponts amène à considérer un cas particulier : si un agrégat ou une motteépouse exactement la forme de la perforation, celle--ci obstruera complètement la perforation et l’eaune pourra pénétrer dans le drain. Si cette situation est intéressante pour prévenir l’ensablement desdrains, elle l’est moins en terme de drainage.

187ASPECTS THÉORIQUES

Lors de l’irrigation souterraine, l’écoulement de l’eau est inversée par rapport au drainage et il peutalors fragiliser les ponts. Les particules de sol seront plus susceptibles d’entrer dans le drain lors despériodes drainage subséquentes.

Figure 12.5 Évolution de la tranchée suite à l’installation d’un drain.


12.6 PRÉDICTION DE LA SÉDIMENTATION

Très peu d’études ont essayé de prédire le niveau de sédimentation dans le drain.

La première est basée sur l’analyse granulométrique et l’analyse des agrégats sous tamisage dansl’eau (Lagacé et Skaggs, 1984) :

[12.12]

ln(SED) = 12, 25+ 0, 038 AGR_1− 0, 122 SM+ 0, 144 ln�AGR_25_50�

− 0, 046 AGR_10_25+ 0, 502 ln�AGR_100_200�

+ 0, 012 CU+ 0, 046 Argile Larg

+ 0, 848 ln�Limon Larg�

− 0, 160 Argile− 0, 049 Sable− 2, 964 ln(Limon)

SED = Épaisseur de sédiments (mm)

AGR_1 = Agrégats < 0,1 mm (%)

SM =Sable moyen (%)

AGR_25_50 = Agrégats [ 0,25 -- 0,50 mm] (%)

AGR_10_25 = Agrégats [ 0,10 -- 0,25 mm] (%)

AGR_100_200 = Agrégats [ 1,00 -- 2,00 mm] (%)

Argile = Argile (%)

Sable =Sable (%)

Limon = Limon (%)

CU = Coefficient d’uniformité

Larg = Largeur des pertuis (mm)

Le coefficient de corrélation obtenu a été de 0,886 et la figure 12.6 présente la relation entre les épais-seurs de sédiments prédites et observées pour les cas analysés.

En utilisant les résultats de plusieurs expériences Gallichand et Lagacé (1987) ont présenté une syn-thèse présentée à la figure 12.7. Les résultats peuvent être représentés par l’équation suivante qui peutaider à prédire le niveau de sédiments dans les sols pulvérulents :

[12.13]CF HR+ Fsol< 0, 5

CF = Coefficient = 1,0 (pertuis ronds), = 1,1 (pertuis rectangulaires)

HR = Rayon hydraulique des pertuis (mm)

Fsol = Facteur sol = 0,68 -- (1,187 D60)

189

Figure 12.6 Relation entre les épaisseurs de sédiments prédites et observées (Lagacé etSkaggs, 1985).

Figure 12.7 Prédiction de la fraction de sédiment occupant l’espace libre en utilisant diffé-rents résultats de la littérature (adapté de Gallichand et Lagacé, 1987).

FRACTION

CF HR + FSOIL (mm)

Broadhead, 1981

Lagacé, 1983Gallichand et Lagacé, 1987

Broughton et al. 1982,et Lagacé, 1983

Wiiardson, 1979Trafford et Mice, 1972

190

12.7 BESOINS EN MATÉRIAUX FILTRANTS

12.7.1 Cahier des normes en drainage souterrain (CPVQ, 1989)

Selon le cahier des normes en drainage souterrain (CPVQ, 1989), les sols possédant plus de 20%d’argile ne requièrent généralement pas d’enveloppe oumatériel filtrant. Pour les sols ayantmoins de20% d’argile, la recommandation considère trois cas :

1. dans les où le d85 est supérieur à 400 mm, il est recommandé d’utiliser :

a) “une enveloppe de n’importe quel type dont les ouvertures n’exèdent pas 800 µm”

b) ou “une conduite dont la largeur des pertuis n’exède pas 800 µm”

2. dans les sols où le d85 est entre 120 µm et 400 µm, il est recommandé d’utiliser une enveloppesynthétique dont les ouvertures caractéristiques sont comprises entre 25 µm et 350 µm,

3. dans les sols où le d85 est entre 20 µm et 120 µm, il est recommandé d’utiliser l’une des enve-loppe synthétique suivante :

a) “une enveloppe tricotée ayant une masse minimale de 140 g/m2 à surface duveteuse, etdont les caractéristiques sont comprises entre 25 µm et 200 µm”

b) “une enveloppe non tissée dont la dimension des ouvertures n’exède pas 3 fois le d85 dusol”

Le d85 est le diamètre où 85% des particules d’un échantillon de sol ont un diamètre inférieur àcelui--ci.

Les ouvertures caractéristiques des membranes synthétiques sont généralement mesurées pa laméthode du tamisage humide, le FOS (filtration opening size).

191MEMBRANES GÉOTEXTILES

12.8 MEMBRANES GÉOTEXTILESIl existe différentes catégories de membranes géotextiles.

12.8.1 Les membranes tissées

Lesmembranes tissées sont constituées de fibres orientées en deux directions perpendiculaires et quis’entrecroisent mutuellement. Comparativement aux autres méthodes de fabrication, le tissagereprésente une méthode plus coûteuse, mais il a l’avantage de conduire à un produit ayant une struc-ture simple : la distribution de la taille des pores est jusqu à un certain point uniforme, simple et facileà déterminer. D’autre part, la géométrie relativement simple des membranes tissées permet de relierdirectement leurs propriétés mécaniques à celles des fibres.

Il faut noter cependant que les caractéristiques de contrainte desmembranes tissées sont presque tou-jours présentées en termes de direction de chaîne ou de trame,mais si lesmembranes sont soumises àun effort dans une autre direction (diagonale), leurs propriétés sont considérablement modifiées.

Dans l’ensemble les membranes tissées offrent quand même des résistances moyennement fortes àtrès fortes et possèdent aussi une structure de pores simples.

12.8.2 Les membranes tricotées

Alors que pour lesmembranes tissées les brins sont essentiellement rectilignes, lesmembranes trico-tées sont constituées par des boucles de fibres reliées par des segments linéaires. Ainsi, de par cettestructure, les membranes tricotées peuvent être soumises à des tensions dans une ou plusieurs direc-tions sans augmenter de façon significative l’effort sur les fibres.

Le procédé de tricotage a deux avantages sur le tissage. Il est moins cher et il offre la possibilité defabriquer des tubes.

Une des applications de ces tubes est leur utilisation comme filtres autour des drains agricoles.

12.8.3 Les membranes non tissées

On inclut dans ce groupe toutes les membranes qui ne sont ni tissées ni tricotées. Elles sont consti-tuées par des fibres reliées entre elles par différents procédés qui leur confèrent des propriétés parti-culières.

Dans l’ensemble, les membranes non tissées sont relativement bon marché et elles présentent desrésistances à l’effort allant de faible àmoyennement forte. Elles ont également une très grande défor-mabilité. Elles sont largement utilisées comme filtres, comme drains, comme agent séparateur oudans des travaux de renforcement léger.

12.8.4 Les membranes aiguillettées

L’aiguilletage est un procédé mécanique qui consiste à entremêler les filaments au moyen d’aiguil-les, ce qui confère une certaine résistance à la nappe obtenue. Pour obtenir une plus grande résistance,on peut aussi superposer plusieurs nappes qui seront aiguillettées ensemble.

192

Les membranes aiguillettées sont épaisses comparativement à leur poids (85 à 90% de vide) et lastructure des pores est assez complexe. Ceci peut représenter un avantage en filtration.

12.8.5 Les membranes liées thermiquement

Les fibres sont liées entre elles par passage entre deux cylindres chauffés et sous une importante pres-sion. On obtient ainsi une soudure des filaments les uns aux autres aux points de contact. La mem-brane formée est relativement mince ; la configuration et la dimension des pores sont indépendantesde la contrainte appliquée à la membrane. Cependant, il arrive souvent que si la nappe de fibres estchauffée suffisamment pour créer une liaison solide entre les fibres, il s’en suit une dégradation deleurs propriétés mécaniques ainsi qu’une réduction de leur orientation.

12.8.6 Les membranes liées chimiquement

Ces membranes sont produites par imprégnation de la nappe de fibres avec une résine qui sert à leslier ensemble. L’épaisseur et la structure de ces membranes sont intermédiaires entre les membranesaiguillettées et celles liées thermiquement.

Cette méthode est cependant la plus coûteuse et, toutes choses égales d’ailleurs, les membranes liéeschimiquement ont moins de vide et une perméabilité plus faible.

12.8.7 Autres types

On peut également trouver des membranes fabriquées à l’aide d’une combinaison de ces techniquesde liaison. Ainsi, des membranes liées chimiquement sont souvent aiguillettées.

D’autre part, de nombreusesmembranes sont produites en utilisant plus d’une technique de construc-tion et de liaison : par exemple. il est courant d’aiguilletter des fibres sur un support tissé.

Il apparaît donc qu’il existe une grande variété de membranes et il est également évident qu’on peuten obtenir un éventail encore plus grand avec le développement de nouvelles techniques et de nou-veaux matériaux. Le domaine des caractéristiques de ces membranes est très étendu aussi bien dupoint de vue des caractéristiques des pores que des propriétés mécaniques. Leur durée de vie peutégalement être très différente. L’ingénieur devra donc reconnaître ces différences et choisir lesmem-branes qui conviennent le mieux pour chaque application particulière.

193BIBLIOGRAPHIE

BIBLIOGRAPHIE

CPVQ. 1989. Drainage souterrain -- Cahier des normes. Conseil des productions végétales du Qué-bec, Québec. Agdex 555.

CRAAQ. 2005. Guide de référence technique en drainage souterrain et travaux accessoires. Centrede référence en agriculture et agroalimentaire du Québec. Québec.

Gallichand J. et R. Lagacé. 1987a. Modeling sediment movement into perforated subsurface drains.Transaction of ASAE 30(1):119--124.

Gallichand J. et R. Lagacé. 1987b. Verification of a model predicting sediment level in subsurfacedrains. Transaction of ASAE 30(6):1648--1652.

Gallichand J., R. Lagacé et M. Cailler. 1989. Thin--section study of soil near corrugated subsurfacedrain perforations. Geoderma 43:337--347.

Gallichand J. et R. Lagacé. 1991. Effect of perforation dimensions and hydraulic gradient on sedi-mentation in subsurface drains. Can. Agr. Eng. 33(1):17--25.

Lagacé R. et R. W. Skaggs. 1985a. Prévision du colmatage des drains par la méthode d’analyse desagrégats. Dans: La recherche en drainage souterrain. 12e Colloque de génie rural, UniversitéLaval, Québec. GR--H--85--01:19--39.

Lagacé R. et R. W. Skaggs. 1985b. Colmatage des drains: Expériences en laboratoire. Dans: Larecherche en drainage souterrain. 12e Colloque de génie rural, Université Laval, Québec.GR--H--85--01:41--68.

Lagacé R. et R.W. Skaggs. 1988. Predicting of drain silting by soil aggregate size analysis. Transac-tion of ASAE 30(6):1648--1652.

Lagacé R., R. W. Skaggs et J. Gallichand. 1987. Prediction of drain sedimentation. Proceeding 5thational Drainage Symposium. ASAE Publication 07--87:354--361.

194

CHAPITRE 13Identification des problèmes de drainage

13.1 INTRODUCTION

L’ingénieur est souvent appelé à identifier les causes du mauvais fonctionnement d’un système dedrainage souterrain. Pour l’agriculteur, un système de drainage souterrain présente un problème lors-que le sol demeure humide pendant des périodes plus ou moins longues, que la traficabilité est diffi-cile ou que l’eau séjourne à la surface du sol. Au--delà de ces apparences, chaque problème de drai-nage souterrain présente des symptômes que l’ingénieur devra observer pourmieux identifier le pro-blème.

Les problèmes de drainage souterrain sont d’autant plus difficiles à identifier qu’ils sont enfouis avecle drain et qu’ils ne sont pas directement visibles. L’ingénieur doit, comme un médecin, essayer dedéceler tous les symptômes qui lui permettront d’identifier la maladie du système de drainage. Lors-que le problème et ses causes auront été identifiés, il pourra recommander des correctifs appropriés sicela est possible.

Ce chapitre a pour but de présenter les différents problèmes demauvais fonctionnement des systèmesde drainage souterrain et les symptômes qui peuvent y être associés. Connaissant les problèmes et lessymptômes qui leur sont associés, nous essaieront d’élaborer une stratégie pour identifier les problè-mes.

196 IDENTIFICATION DES PROBLÈMES DE DRAINAGE

13.2 FONCTIONNEMENT D’UN SYSTÈME DE DRAINAGE SOU-TERRAIN

Avant de discuter de l’identification des problèmes en drainage souterrain, il serait bon de décrire lefonctionnement d’un système normal et ses performances.

Figure 13.1 Schéma d’un système de drainage souterrain.

Un système de drainage souterrain est caractérisé par (figure 13.1)

-- les limites physiques :

-- la profondeur des drains ”d”

-- la profondeur de sol perméable sous les drains “Z”

-- l’écartement entre les drains “E”

-- le rayon du drain “r”

-- les propriétés des sols :

-- les conductivités hydrauliques des couches de sol au--dessus et au--dessous des drains “K1et K2”

-- la porosité équivalente de drainage

-- les caractéristiques hydrauliques :

-- les hauteurs de la nappe au--dessus des drains “h0 et h1”

-- le débit unitaire du drain “q”

197FONCTIONNEMENT D’UN SYSTÈME DE DRAINAGE SOUTERRAIN

Le fonctionnement d’un système de drainage souterrain idéal suppose que les drains sont installésdans une tranchée dont la conductivité hydraulique est plus grande que celle du sol environnant (Ktranchée > Ksol).

Pour un système de drainage fonctionnant normalement, la nappe possède une forme paraboliquecomme celle observée et présentée à la figure 13.2. Le sol de la tranchée et le drain offre très peu de

Figure 13.2 Profils de la nappe lors de son rabattement.

résistance à l’entrée de l’eau et la nappe rejoint presque le drain. La charge hydraulique près du drainest généralement inférieure à 20 cm.

Lorsque le drain ne coule pas en charge, il est considéré comme coulant en surface libre et nous pou-vons approximer la pente hydraulique à la pente du drain; c’est le cas normalement considéré lors dudesign. Il est à noter que ce n’est pas la pente du drain qui provoque l’écoulement dans le drainmais la

198 IDENTIFICATION DES PROBLÈMES DE DRAINAGE

pente hydraulique de la ligne d’eau au--dessus du drain. Ainsi les trois drains de la figure 13.3 ont lamême capacité car ils ont la même pente hydraulique. Il est à noter que le troisième cas n’est pas àrecommander car il favorisera la sédimentation dans les drains.

Figure 13.3 Drains ayant la même capacité d’écoulement.

ÉCOULEMENT ÀSURFACE LIBRE

ÉCOULEMENTEN CHARGE

ÉCOULEMENTEN CHARGE ETEN CONTRE PENTE

13.3 PROBLÈMES ET SYNDROMES

Lorsqu’un agriculteur mentionne que son système de drainage souterrain ne fonctionne pas adéqua-tement, c’est qu’il croit que son système ne présente pas le rendement attendu. Le problème se pré-sente, pour lui, sous forme de retard à entrer dans son champ au printemps, à l’automne ou suite à unepluie abondante, de difficultés de circulation et parfois, de problèmes de croissance de ses plantes etde rendementsmédiocres. Le rôle de l’ingénieur consiste à départager les problèmes de drainage desautres problèmes pour les identifier et leur apporter une solution.

Avant de définir une approche à l’identification des différents problèmes de drainage souterrain, ilserait bon d’identifier les problèmes susceptibles d’être rencontré et de présenter les symptômes quileur sont associés.

13.3.1 Drain brisé, écrasé ou obstrué par un corps étranger.

Un drain brisé, écrasé ou obstrué réduit partiellement ou totalement la section du drain. Lorsque lasection est complètement obstruée, l’eau refoule vers l’amont. Sous la pression créée dans le drain,l’eau diffuse dans le sol pour entrer à nouveau dans le drain en un point en aval du bris ou de l’obstruc-tion (figure 13.4). La nappe se rabat en se drainant dans les drains voisins s’ils fonctionnent correcte-ment. En terrain plat, la situation en amont du point problème équivaut à l’absence du drain et lesystème de drainage se comporte comme si l’écartement entre les drains était le double de celui

199

Figure 13.4 Canal trapézoïdal et définition des termes.

a) Terrain plat

ZONE HUMIDE

b) Terrain en pente

c) Patron de diffusion de l’eau

200

installé. Ainsi, la nappe se rabattra approximativement au tiers de la vitesse prévue. Si le design aprévu des rabattements très rapides et que la conductivité hydraulique du sol est très élevée, le pro-blème sera très peu perceptible. Pour un sol en pente, le problème aura de toutes autres conséquences.Si les nappes en amont sont plus élevées que le niveau dans le drain au point problème, elles sedraine-ront en proportion du gradient existant et alimenteront continuellement le drain. Le débit ainsi pro-duit refoulera en rencontrant le point problème et devra se diffuser dans le sol pour rejoindre le drainen aval et les autres drains environnants. Comme le drain est toujours alimenté par les nappes enamont, le terrain sera continuellement très humide dans le voisinage du bris et nous aurons l’impres-sion d’être en présence d’une source. Dans certains cas, nous pourrontmêmevoir sortir un filet d’eauà la surface du sol. Par contre, nous aurons l’impression que le drainage fonctionne plus ou moinsnormalement vers l’extrémité amont du drain.

Le problème s’identifie bien en observant le profil de la nappe transversalement et longitudinalementau drain à l’aide de piézomètres ou de puits d’observation. Le profil de la nappe longitudinalement audrain (préférablement à quelques centimètres de celui--ci) sera presque horizontal en amont du pointd’obstruction et montera un chute abrupte du niveau d’eau dans les quelques mètres en aval (figure13.5). Le profil transversalmontrera une nappe comme si le drain n’existait pas. La pression de l’eau

Figure 13.5 Profil de la nappe pour un drain brisé, écrasé ou obstrué.

PROFIL LONGITUDINAL PROFIL TRANSVERSAL

dans le drain sera toujours égale ou supérieure à la nappe environnante. L’enfoncement d’une tigedans le drain provoquera une remontée du niveau de l’eau dans un trou foré au--dessus du drain au lieude provoquer son rabattement.

Lorsque un problème de drain brisé, écrasé ou obstrué a été décelé, la localisation exacte de l’obstruc-tion s’effectue de la façon suivante :

a) identifiez les deux piézomètres ou puits consécutifs forés le long du drain où une chute impor-tante du niveau d’eau est observée,

b) creusez un puits à mi--distance entre les deux puits montrant une chute importante du niveaud’eau,

201

c) si le niveau d’eau se stabilise au même niveau que ceux des puits amonts, l’endroit problèmeest en aval de ce puits. Si le niveau d’eau se stabilise près du niveau du drain, l’endroit pro-blème est en amont de ce puits,

d) répétez les étapes b) et c) en réduisant de moitié la distance jusqu’à ce que les deux puits soientdistants de moins de quatres mètres,

e) creusez entre les deux puits et vous découvrirez le pot aux roses. Ne soyez pas surpris de travail-ler dans un lac d’eau.

Cette approche ne fonctionne que si la nappe est plus haute que le niveau des drains. Il est possible delocaliser un drain brisé ou obstrué même avec une nappe de 20 à 30 cm au--dessus des drains. Pourceux qui trouveront cette procédure un peu longue, vous pouvez remplacer les étapes b) à d) par lecreusage d’une série de puits rapprochée entre les deux puits montrant une chute importante duniveau d’eau.

13.3.2 Drain rempli de sédiments.

Le drain partiellement remplis de sédiments présente une section libre et une capacité réduite àl’écoulement sur toute la portion du système affectée. Le drain (latéral ou collecteur) ne peut alorstransporter toute l’eau que la nappe pourrait alimenter. Ainsi, le drain coulera comme un drain encharge et donnera l’illusion d’un drain installé à faible profondeur sous le niveau de la nappe. Leprofil transversal de la nappe montrera une légère courbure (figure 13.6) et la pression dans le drain

Figure 13.6 Profil de la nappe pour des drains partiellement remplis de sédiments.

sera plus grande que le diamètre du drain tout en étant inférieure à la charge hydraulique d’un piézo-mètre adjacent au drain. Lorsque la nappe est très basse, le profil transversal de la nappe donneral’illusion d’un drain fonctionnant normalement. Le débit du système en fonction de la hauteur de lanappe correspondra à la figure 13.7.

202

Figure 13.7 Débit unitaire d’un drain partiellement remplis de sédiments.

13.3.3 Drain colmaté sur son pourtour.

Le drain colmaté sur son pourtour (colmatage externe) offre une très grande résistance à l’entrée del’eau dans le drain. Ainsi, lamajorité de la charge hydraulique disponible sera utilisée à faire pénétrerl’eau dans le drain et le débit unitaire sera fort réduit (figure 13.8). Le profil transversal de la nappe

Figure 13.8 Débit unitaire d’un drain colmaté sur son pourtour.

sera quasi horizontal avec une très grande charge hydraulique près du drain mais avec une très faiblepression d’eau dans le drain (figure 13.9).

Un drain colmaté sur son pourtour est difficilement corrigible. L’installation d’un nouveau systèmede drainage est presque la seule solution et ne doit être envisagée que lorsque la cause du colmatage a

203

Figure 13.9 Profil de la nappe d’un drain colmaté sur son pourtour.

été identifiée. Les principales causes sont le bris de la structure du sol lors de l’installation ou le col-matage du filtre autour du drain.

13.3.4 Drain installé dans une tranchée devenue quasi imperméable.

Ce cas est similaire au cas du drain colmaté sur son pourtour sauf qu’il sera très difficile d’identifierune charge hydraulique au--dessus du drain au moyen d’un puits d’observation ou d’un piézomètre.

Ce cas est principalement rencontré dans les sols sensibles (argiles principalement) où l’installationest effectuée lorsque la nappe est trop élevée. Les vibrations de la machinerie détruisent toute lastructure du sol autour de la tranchée.

13.3.5 Drain installé dans un horizon imperméable ou de faible conductivitéhydraulique.

Cette situation se présente sous deux formes:

-- le drain a été remblayé par du sol de surface plus perméable ou la fracturation du sol par la poseusel’a rendu aussi perméable que le sol de l’horizon supérieur,

-- la drain a été remblayé par le sol de l’horizon peu perméable et ce sol a retrouvé sa faible conducti-vité hydraulique.

Dans le premier cas, le profil transversal de la nappe présente une forme presque horizontale avec unecharge hydraulique très faible dans la tranchée. Le débit unitaire (figure 13.10) et le rabattement de lanappe correspondent à ceux d’un drain installé à l’interface d’un horizon de faible conductivitéhydraulique. Ce cas causera généralement peu de problème si l’horizon peu perméable est à plus de80 cm de profondeur.

Quant au second cas, il présentera les mêmes symptômes qu’un drain colmaté sur son pourtour. Cecas pourrait être évité si le profil du sol était bien identifié lors de la prospection en vue de l’établisse-ment du plan de drainage.

204

Figure 13.10 Débit unitaire d’un drain installé dans un horizon peu perméable mais où latranchée est perméable.

13.3.6 Les dépressions.

Les dépressions causent d’importants problèmes de drainage. A cause de leur situation topographi-que, elles sont un endroit de prédilection où les eaux de ruissellement peuvent s’accumuler. De plus,l’écoulement hypodermique peut contribuer à alimenter la dépression môme lorsqu’il n’y a pas deruissellement. Les dépressions sont des endroits qui se maintiennent humides de façon prolongée.La croissance des plantes est alors difficile et la circulation des machines est retardée ou problémati-que. À cause du travail du sol en conditions humides, les dépressions possèdent souvent une coucheindurée sous la couche de labour qui ralentit considérablement la percolation de l’eau vers la nappe.Le comportement caractéristique d’une dépression est présenté à la figure 13.11. Une dépression estcaractérisé par un niveau d’eau dans la dépression qui est plus élevé que celui de la nappe environ-nante.

Pour connaître le comportement néfaste d’une dépression, examinons le cas d’une dépression idéale(sans couche indurée) qui se retrouve àmi--distance entre deux drains. Si le système de drainage peutrabattre la nappe de 30 cm/j lorsque celle--ci se retrouve à la surface du sol pour un sol possédant uneporosité de drainage de 4 %, le même système prendra un minimum de quatre jours pour drainer 50mm d’eau présent dans la dépression.

La correction des problèmes de dépression n’est pas toujours chose facile. Si la dépression ne pos-sède pas de couche indurée, elle peut être simplement comblée par du sol. Si la dépression possèdeune couche indurée, le problème ne peut simplement pas être résolu par le seul comblement de ladépression car l’écoulement hypodermique continuera de l’alimenter. La couche indurée doit aussiêtre brisée et cela n’est pas facile.

205

Figure 13.11 Schéma d’écoulement pour une dépression.

13.3.7 Présence d’une couche de labour compacte.

Une couche de labour compactée aura pour effet de réduire la capacité d’infiltration de l’eau dans lesol et aura pour conséquence de ralentir la vitesse de ressuyage du sol après une pluie. Ainsi, la cou-che de labour se maintiendra humide pendant une longue période après une pluie. Une lame d’eauaura tendance à apparaître très rapidement à la surface du sol après le début de la précipitation. L’ob-servation des puits d’observation montrera une nappe basse (figure 13.12) même si la couche delabour semble saturée etmontrera parfois une nappe perchée s’il y a présence d’une semelle de labour(figure 13.13).

Figure 13.12 Effet d’une couche de labour compacte sur la nappe.

Cette situation aura pour conséquence de réduire la quantité d’eau qui pourra s’infiltrer pour humidi-fier le profil en saison sèche (accentuation des problèmes de déficits hydriques) et rendre la plante

206

Figure 13.13 Effet d’une semelle de labour ou d’une couche indurée.

inconfortable au moment des précipitations. La plante pourra aussi souffrir de manque d’oxygéna-tion. Dans une telle situation, les rendements peuvent en souffrir sans que le système de drainagesouterrain en soit la cause.

Cette situation est principalement causée par la compaction du sol et unemauvaise régie du sol et descultures. Elle est souvent associée à une réduction du contenu en matière organique. La solution estd’ordre agronomique; unemeilleur régie du sol et des cultures où les rotations doivent être présentes.La décompaction des sols n’est, en général, qu’une solution de courte durée.

13.3.8 Présence d’un horizon induré ou d’une semelle de labour.

La présence d’un horizon induré ou d’une semelle de labour aura pour conséquence de réduire la per-colation de l’eau vers la nappe et provoquera la création d’une nappe perchée dans les horizons supé-rieurs. La vitesse de rabattement de cette nappe perchée ne sera fonction que de la vitesse de percola-tion de l’eau au travers de l’horizon indurée ou de la semelle de labour et non de l’écartement entre lesdrains à moins que la nappe profonde ne rejoigne l’horizon induré ou la semelle de labour.

L’identification d’un horizon induré ou d’une semelle de labour peut se faire facilement lorsque lasurface du sol se maintient humide après une précipitation et que la nappe perchée est présente. Unecoupe du profil du sol montrera facilement du suintement à l’interface de la semelle ou de l’horizoninduré. L’utilisation d’un puits profond (1 -- 1.5 m) et d’un puits foré dans l’horizon de surfacemon-treront le comportement caractéristique de la figure 13.13 suite à une pluie importante. Une dénivel-lation du niveau d’eau entre le puits peu profond et profond est un indice certain de la présence d’unenappe perchée et d’un horizon induré ou d’une semelle de labour.

207

Le problème peut être corrigé par le sous--solage si l’horizon problème est à faible profondeur. Lasolution n’est pas nécessairement permanente et le problème peut être récurrent.

13.3.9 Drain installé pas assez profondément.

L’influence de la profondeur des drains semanifeste principalement sur les conditions de circulationdesmachines. Il est reconnu que la nappe doit être à une profondeurminimale de 50 à 60 cm pour quela portance du sol soit suffisante pour permettre la circulation des machines. Ainsi, un système dedrainage souterrain conçu pour rabattement de la nappe de 30 cm/j lorsque la nappe atteint la surfacedu sol prendra 2.8 jours pour rabattre la nappe de la surface du sol à 60 cmde profondeur si le systèmeest conçu et installé pour des drains à unmètre de profondeur. Lemême système conçu et installé pourdes drains à 75 cm de profondeur prendra 6.7 jours. Un système conçu pour des drains à un mètre deprofondeur mais installé à 75 cm de profondeur prendra 10 jours. Cet agriculteur aura l’impressiond’attendre un éternité avant d’entrer dans son champ. Les calculs ont été fait en supposant une épais-seur d’eau de 5 cm dans les drains et une profondeur équivalente de drainage de un mètre.

Ainsi, il est très difficile de rabattre les derniers 20 cm de nappe au--dessus du drain à cause du faiblegradient hydraulique. Lamesure de la profondeur de la nappe et des drains montreront rapidement leproblème de drains insuffisamment profonds. Le problème ne peut être corrigé qu’en réinstallant unnouveau système de drainage à une profondeur adéquate.

13.3.10 Écartement trop grand entre les drains.

Un écartement trop grand entre les drains entraîne un rabattement lent de la nappe et une présencerégulière de la nappe àmoins de 60 cm de la surface du sol. Ces nappes élevées gênent considérable-ment la circulation des machines et les travaux culturaux. L’observation de la nappe dans un puits àmi--chemin entre deux drains montrera un rabattement très lent.

13.3.11 Sol gelé.

Un sol gelé en maintenant une nappe perchée peut donner l’illusion du mauvais. fonctionnement dusystème de drainage. Avec le dégel du sol, le problème devrait disparaître en quelques jours. Un solgelé est facilement identifiable à l’aide d’une sonde.

13.3.12 Collecteur sous--dimensionné.

Un collecteur sous dimensionné aura pour effet de le faire couler en charge lorsque la nappe s’appro-chera de la surface du sol. Un collecteur coulant en charge signifie que le gradient disponible pourrabattre la nappe est diminué et que le rabattement de celle--ci est plus lent que les spécification dudesign (figure 13.13). Comme l’effet de l’écoulement en charge se transmet d’aval vers l’amont, lessecteurs les plus en amont seront les plus affectés.

208

Figure 13.14 Influence d’un collecteur sous--dimensionné.

Dans un système où le sous--dimensionnement est chronique, les secteurs près de la sortie souffrirontpeu de l’écoulement en charge car le gradient potentiel demeure près des conditions de design; lanappe se rabattra presque normalement. Pour les secteurs en amont, il se pourrait que le rabattementsoit presque nul si la charge hydraulique dans le collecteur atteint la surface du sol. Le rabattement necommencera réellement que lorsque les secteurs en aval se seront quelque peu drainés. Un collecteursous--dimensionné retarde le drainage des secteurs en amont lorsque la nappe remonte près de la sur-face du sol. Cet effet n’est réellement observable que dans les collecteurs très longs. Le débit maxi-mum que peut débiter un collecteur surviendrait lorsque la pente hydraulique correspondrait à la dif-férence de dénivellation entre le niveau du sol du point le plus éloigné du collecteur et la sortie ducollecteur. Ce débit maximum devrait être de plusieurs fois le débit de design.

Outre une erreur de design, les principales causes de sous--dimensionnement sont la sous évaluationde la conductivité hydraulique ou de la profondeur équivalente de drainage.

13.3.13 Cours d’eau pas assez profond.

L’effet d’un cours d’eau où les drains sortent sous le niveau de l’eau est de réduire la pente hydrauli-que. Ainsi, la pente hydraulique, au lieu de correspondre à la pente du drain, correspond à la diffé-rence de dénivellation avec le niveau de l’eau dans le cours d’eau(figure 13.15). Lorsque la pentehydraulique est fortement réduite, le gradient hydraulique permettant le rabattement de la nappe estplus faible que celui prévu lors du design. Le rabattement de la nappe est ralenti et il s’effectuecomme si les drains étaient installésmoins profondément. Cet effet n’est visible que lorsque le coursd’eau coule plein sur une longue période.

209MÉTHODOLOGIE D’IDENTIFICATION DES PROBLÈMES

Figure 13.15 Influence d’un collecteur sous--dimensionné.

13.4 MÉTHODOLOGIE D’IDENTIFICATION DES PROBLÈMES

Maintenant que nous connaissons les différents problèmes et les symptômes qui leur sont associés,nous pouvons définir une méthodologie efficace pour identifier les problèmes d’un système de drai-nage souterrain.

La première étape consiste à obtenir de l’agriculteur la meilleure description possible du problème(manifestations, localisations, fréquences, etc.) et les conditions où il a observé le problème. L’ingé-nieur doit aussi recueillir le plan de drainage et les rapporte où devraient être consignés toutes lesétudes des sols (description du profil pédologique, conductivité hydraulique, granulométrie, épais-seur des différents horizons et profondeur du sol perméable) et les critères de design. Cette premièreétape permet d’avoir une évaluation subjective du ou des problèmes et savoir si le problème est loca-lisé ou généralisé. Un problème est considéré généralisé s’il affecte l’ensemble d’une parcelle ou dusystème de drainage et il est considéré localisé s’il n’affecte qu’une partie du système.

La seconde étape consiste a établir le plan d’observation pour essayer d’évaluer objectivement lefonctionnement du système de drainage sous les conditions où le problème se manifeste. Les drainsdoivent être localisés et une série de puits d’observation doivent être creusés aux endroits jugées stra-tégiques pour déterminer la forme de la nappe, la charge hydraulique au voisinage et la pression dansle drain. Les puits et les drains doivent être nivelés. La localisation des drains est probablement l’opé-ration la plus fastidieuse. Cette étape peut êtreminimisée si l’on soupçonne la présence d’une coucheindurée, un horizon de labour peu perméable ou un problème de dépression.

La troisième étape consiste à mesurer le comportement des niveaux d’eau dans les puits et le débitdes collecteurs (si cela est possible) lorsque le problème se manifeste. L’agriculteur peut participeractivement à cette étape. Une visite des lieux à ce moment est très pertinente.. Cette étape survientgénéralement à l’automne ou au printemps car les nappes sont généralement élevées et les problèmessont plus visibles à ce moment. Cette étape est essentielle sans quoi tout n’est que spéculation.

210

La quatrième étape consiste à analyser le comportement des niveaux d’eau pour évaluer l’ampleurdu problème, le niveau d’efficacité ou d’inefficacité du système et de révéler de nombreux symptô-mes qui, comparés aux symptômes de la section 13.3, permettrons de pointer les causes possibles duou des problèmes. Si le problème correspond à un des cas simples et francs présentés à la section13.3, l’identification du problème se fera rapidement. Par contre, si le problème est une résultante dedeux ou plusieurs des cas présentés à la section 13.3, l’identification devient plus complexe et néces-sitera peut--être des observations supplémentaires.

Ladernière étape consiste, si nécessaire, à déterrer le drain aux endroits jugées critiques. Cette étapeeffectuée sans les autres est souvent décevante car elle ne permet d’identifier que les cas où le drainest rempli de sédiments. De plus, déterrer des drains qui sont sous le niveau de l’eau ne permet pasd’observer grand chose.

Les problèmes les plus fréquents que j’ai rencontrés ont été les drains écrasés, brisés ou bouchés, lesdrains remplis de sédiments, la présence de couches indurées, une couche de labour peu perméable,des drains installés dans un horizon peu perméable, la présence de dépressions et des drains installéspas assez profondément. Beaucoup de problèmes rencontrées auraient pu être évités si le sol avait étésuffisamment regardé avant d’installer le système de drainage souterrain.

13.5 CONCLUSIONS

Cette étude a présenté les principaux problèmes des systèmes de drainage souterrain susceptiblesd’être rencontrés et les symptômes qui leur sont associés, et une méthodologie pour les identifier.L’identification des problèmes de drainage souterrain et de leurs causes demande une excellenteconnaissance théorique de tous les processus impliqués en drainage souterrain et un excellent espritd’observation et de déduction.

CHAPITRE 14Migration des substances

14.1 INTRODUCTION

L’application d’engrais minéraux ou organiques apportent des quantités d’azote qui se trans-forment en nitrates. Ces nitrates sont prélevés par les plantes pour leur croissance. Ils sont aussitransportés vers les nappes par l’eau qui percole dans le sol et les nappes les transportent à leurtour vers les cours d’eau. Les autres substances solubles dans le sol subissent les mêmes phé-nomènes. Dans une perspective de protection de l’environnement, les phénomènes de diffu-sion, de transport et de lessivage des solutés doivent être considérés. Ce chapitre présente som-mairement ces phénomènes et quelques lois de base qui les régissent.

14.2 LOIS DE MIGRATION DES SUBSTANCES

Les flux de soluté dans un sol peuvent être décrits sommairement par l’équation suivante :

[14.1]q→s = [C] q→− [D]{∇[C]}

→+ fn([C], x, y, z, t)

flux = �ConvectionDispersion

�+ Diffusion+ Réaction

qs = Flux de soluté (g/s)q = Flux d’eau (m/s)

[C] = Concentration de soluté (g/l)

D = Coefficient de diffusion (m2/s)x,y,z = directions (m)

t = temps (s)fn = production de soluté (g/s)

212 MIGRATION DES SUBSTANCES

La diffusion est le phénomène de migration d’une substance sous l’influence du gradient deconcentration. Ce phénomène est très important au niveau des racines. Celles--ci prélèvent lessubstances comme les nitrates et créent ainsi une plus faible concentration de cet élément prèsd’elles. La différence de concentration entre lemilieu ambiant et la proximité des racines (gra-dient de concentration) provoque la migration des substances de la plus grande concentrationvers la plus petite. Ce phénomène se produit principalement au voisinage des racines dans lesol. Il se produit aussi entre les micropores (solution du sol) et les macropores (eau de percola-tion).

La convection/dispersion est le phénomène de transport des substances par le flux d’eau. L’eauqui percole dans le sol suite à une infiltration vient en contact avec l’eau du sol dans les micro-pores qui contient des substances en solution. Sous l’effet du gradient de concentration, cessubstances migrent des micropores vers les macropores par diffusion jusqu’à équilibre desconcentrations (ce phénomène est aussi appelé mélange). L’eau des macropores continue sonchemin chargée de nouvelles substances. Le phénomène est appelé convection pour exprimerle transport des substances par le flux d’eau (sans flux, pas de déplacement). Le phénomène estaussi appelé dispersion car, dans le sol, les pores ne sont pas tous de même dimensions et ledéplacement de l’eau se fait à des vitesses différentes d’un pore à l’autre donnant l’impressionque la substance se disperse avec le flux. Le phénomène de transport des substances par perco-lation de la zone de surface du sol où les concentrations sont élevées vers le bas de la colonnedesol est aussi appelé lessivage ou lixiviation car la percolation de l’eau d’infiltration y produitune déperdition des substances des couches de surface.

Le phénomène de réaction permet d’exprimer toutes les réactions comme celles du cycle del’azote (minéralisation, fixation, etc.).

En lien avec les processus d’infiltration présentés au chapitre CH--8, le processus de transportou lessivage peut être présenté schématiquement par la figure 14.1. Le sol peut être représenté

Figure 14.1 Représentation schématique du phénomène de lessivage dans une couche de sol

θPte

PF

SAT

CCq→· [C]

N--NH4

N--NO3

BILAN DE SUBSTANCES 213

par une suite de couches de sol et chaque couche de sol peut être représentée par un réservoircomme celui de la figure 14.1. Lors d’une pluie, le sol se réhumidifie et correspond au remplis-sage du réservoir. L’eau est retenue par les micropores. Lorsque le sol atteint la capacité auchamp, le surplus doit être évacué par le trop plein (les macropores) et il va humidifier la cou-che de sol suivante. Ce surplus quitte la couche de sol avec la concentration des substances ensolution, ce qui constitue le phénomène de lessivage parfois appelé lixiviation.

14.3 BILAN DE SUBSTANCES

L’équation 14.1 permet d’exprimer les phénomènes à un niveau plus oumoinsmicroscopique.L’approche des bilans de masse est souvent suffisante pour analyser les situations. Au niveaud’un hectare de sol, l’équation du bilan de masse d’une substance due à un flux pendant uncertain temps (volume d’eau) s’exprime :

[14.2]Vs =[C]100

Vq

Vs = Volume de la substance (kg/ha)

Vq = Volume d’eau (mm)

[C] = Concentration de la substance (mg/l)

Cette équation représente la convection. Le volume d’eau représente le volume percolé et paranalogie avec la précipitation, il est exprimé en mm sachant qu’un mm représente 1 l/m2. Lefacteur 100 correspond à la conversion des unités de mm en l/m2, de m2 en ha et de mg en kg.

214 MIGRATION DES SUBSTANCES

14.4 CYCLE DE L’AZOTE

Pour comprendre la lessivage des nitrates, il est important de comprendre la cycle de l’azote etson interaction avec le cycle de l’eau qui est défini localement par le bilan hydrique tel queprésenté à la figure 3.2. La figure 14.2 présente les principales réactions qui sont présentesdans le cycle de l’azote. La figure permet de distinguer la localisation dans le sol des différen-tes formes de l’azote (fixé aux particules de sol, dans les macropores et les micropores).

Figure 14.2 Schéma des réactions du cycle de l’azote.

N--ORG N--NH4 N--NO3N--NH4fixé

Nitrification

SOLFixé

Désorption

Immobilisation

Minéralisation

Adsorption

MicroporesSoluble

MacroporesSoluble

Plante

Prélèvement

Résidus

La figure 14.3 ajoute le bilan hydrique au cycle de l’azote et permet d’identifier les éléments ducycle qui sont associés au cycle de l’eau et les interactions avec ce dernier.

La figure 14.4 présente schématiquement l’introduction de matières fertilisantes azotées sousforme organique ou autre dans le cycle de l’azote. La matière fertilisante est divisée en troiscomposantes, la fraction organique (N--ORG), la fraction soluble sous forme de nitrates(N--NO3) et d’azote ammoniacale (N--NH4).

215

Figure 14.3 Schéma du cycle de l’azote couplé au bilan hydrique.


Nitrification

SOLFixé

Désorption

Immobilisation

Minéralisation

Adsorption

MicroporesSoluble

MacroporesSoluble

Plante

Prélèvement

Résidus

RUISSELLEMENT

PERCOLATIO

NLESS

IVAGE

Dénitrification

Figure 14.4 Fertilisants dans le cycle de l’azote.


Nitrification

SOLFixé

Désorption

Immobilisation

Minéralisation

Adsorption

MicroporesSoluble

MacroporeSoluble

Plante

Prélèvement

Résidus

FERTILISANT + PRÉCIPITATION

N--ORG N--NH4 N--NO3

Volatilisation

216

14.5 EXEMPLES

Les exemples qui suivent proviennent d’expériences réalisées sur des cases lysimétriquesdrainantes (figure 14.5) installés sur des sols sableux de la région de Portneuf (Gasser et al.,2000). Le récipient collecteur permettait de recueillir l’eau de percolation au bas de la colonnede sol et de lamesurer la concentration des différentes substances d’intérêt. La surface du lysi-mètre a 1 m2 et chaque litre d’eau représente 1 mm.

Figure 14.5 Diagramme d’un lysimètre drainant.

La figure 14.6 présente l’évolution des concentrations en nitrates au bas de la colonne de solpour une culture de pommes de terre en 1996. La figure montre des concentrations relative-ment faibles au printemps mais qui s’accroissent en été lorsque le front de lessivage atteint laprofondeur du lysimètre. Elles semaintiennent élevées jusqu’en automne et elles commencentpar la suite à décroître lorsque la masse de nitrates diminue dans le sol suite au lessivage. Pen-dant les étés secs, le lessivage se produit plus tard à l’automne. Desmesures ont aussi été faitesavec des applications de lisiers et le même phénomène a été observé. Les nitrates accumulésdans le sol à la fin de la période de culture est lessivé par la percolation des pluies d’automne etles concentrations en nitrates diminuent par la suite pour devenir relativement faible le prin-temps suivant. La figure montre des concentrations en nitrates largement supérieures à lanorme de 10 mg/l et elle montre un cas avec une concentration approchant 200 mg/l.

Sur ce site, la précipitation demai à octobre a été de 739mm, la percolation au bas du lysimètrede 286 mm et la concentration moyenne en nitrates de 42 mg/l. L’évapotranspiration peut enêtre déduite, soit 453 mm (739 mm -- 286 mm). La masse de nitrates lessivés est selon l’équa-tion 14.2 de :

[14.3]120 kg�ha =286 mm . 42 mg�l

100

BIBLIOGRAPHIE 217

Figure 14.6 Évolution des concentrations de nitrates mesurées dans les eaux de lysimètresdrainants sous une culture de pomme de terre dans la région de Portneuf.

Sur ce site, les concentrations en nitrates dans le sol ont étémesurées au printemps et à la fin del’automne. Les rendements de pomme de terre ont été de 36 mg/ha. Le bilan des nitrates estprésenté au tableau suivant. Il présente aussi le bilan pour une culture de trèfle et de mil.

Pdt trèfle mil mil

Stocks dans le sol au printemps 17 kg/ha -- -- --

Engrais 160 kg/ha 0 kg/ha 49 kg/ha 43 kg/ha

Prélevés par les plantes 100 kg/ha 119 kg/ha 105 kg/ha 70 kg/ha

Lessivé 120 kg/ha 20 kg/ha 15 kg/ha 7 kg/ha

Stocks dans le sol à l’automne 20 kg/ha + 7 kg/ha -- 5 kg/ha +24 kg/ha

Minéralisation -- pertes 63 kg/ha 147 kg/ha 66 kg/ha 58 kg/ha

BIBLIOGRAPHIE

Gasser, M.O. 2000. Transformation et transfert de l’azote dans les sols sableux cultivés enpomme de terre. Thèse de Ph. D., Université Laval.

218

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