COMPORTEMENT DES GÉOSYNTHÉTIQUES BENTONITIQUES (GSB) DANS LES DIGUES DE RETENUE DES EAUX PLUVIALES

Les GSB sont des produits manufacturés en forme de nappe, constitués d’un assemblage de matériaux comportant au moins de la bentonite, en poudre ou granulés, assurant la fonction étanchéité et d’un ou plusieurs géosynthétiques utilisés comme support(s) ou conteneur(s), utilisé(s) dans le domaine de la géotechnique et du génie civil (AFNOR XP P 84-700).
Depuis plus de 20 ans, ils ont souvent été utilisés en remplacement des couches d'argile dans les couvertures des installations de stockage de déchets (ISD) (Egloffstein, 2001 ; Bouazza, 2002). De nombreuses études sur le comportement des GSB sur site ont été publiées ; les résultats ont permis de mettre au jour un certain nombre de paramètres influant sur la performance des GSB dans les couvertures d'ISD comme l'échange cationique et les cycles de dessiccation-hydratation (Touze-
Foltz, et al., 2010a).
En comparaison avec les nombreuses applications des GSB dans les ISD, l'utilisation des GSB comme barrières étanches dans les ouvrages hydrauliques est plus récente et moins répandue (Heibaum and Fleischer, 2010 ; Werth, et al., 2010).
Différents paramètres sont à considérer pour évaluer la durabilité des GSB dans les ouvrages hydrauliques, selon que les GSB sont utilisés pour étanchéifier les bassins (charges hydrauliques
permanentes), les barrages (permanentes ou temporaires), ou encore les digues (charges cycliques).
L'objectif de cet article est de présenter les résultats obtenus sur des échantillons de GSB excavés de 4 digues utilisées comme protection contre les inondations, donc soumises à des charges hydrauliques durant des périodes courtes, après des événements pluvieux importants. Les 4 digues étudiées sont restées à sec la plupart du temps, et le GSB a donc été soumis à l'échange cationique et aux cycles de dessiccation-hydratation comme dans les couvertures d'ISD.

DESCRIPTION DES SITES, EXCAVATION DES GSB ET DES SOLS ENVIRONNANTS

Description du site

Les 4 digues sont situées à l'ouest de la France (climat océanique), dans un périmètre réduit d'environ 30 m2 et reçoivent environ 700 à 1 200 mm de pluie, annuellement. Ces digues sont des barrages déversants qui permettent de retenir les eaux pluviales lors des épisodes orageux conséquents (fréquence décennale) – (figure 1). Depuis leurs constructions respectives entre 2005 et 2008, aucune n'a été soumise à des charges hydrauliques élevées.
Le sol recouvrant les GSB est constitué de 15 à 30 cm de terre végétale contenant des morceaux de silex et des racines (tableau 1).

Description des GSB

Tous les GSB sont des GSB cousus, contenant initialement de la bentonite sodique avec des masses surfaciques de bentonite sèches comprises entre 5,5 et 6,6 kg/m² (tableau 1), mis en oeuvre entre juillet 2005 et mars 2008. Les prélèvements ont été effectués en mai 2011.

Description des excavations

Les recommandations de Zanzinger et Touze-Foltz (2009) sur le prélèvement, le transport et les essais à réaliser sur les échantillons sur sites pour obtenir des résultats complets et fiables ont été suivies.
Le sol de couverture a été enlevé précautionneusement avec une pelle mécanique. Puis, pour ne pas endommager le GSB, le reste de sol le recouvrant a été enlevé à la main. Des échantillons rectangulaires de GSB (0,3 × 0,6 m) ont ensuite été découpés avec un cutter, transférés sur des supports rigides, hermétiquement emballés afin d'éviter une perte d'humidité ou une déformation durant leur transport et leur stockage.
Tous les échantillons étaient traversés par des petites racines ; aucune fissure de dessiccation n'était visible à l'oeil nu. À l'arrivée au laboratoire, une éprouvette de chaque échantillon de 0,25 m de diamètre a été prélevée afin de réaliser des essais en oedoperméamètre. Le reste a été utilisé pour prélever de la bentonite qui a servi, après séchage à 50 °C, à la réalisation d'essais de détermination de la capacité de gonflement et des cations interfoliaires.
Des échantillons des sols de couverture et des sols situés sous le GSB ont également été prélevés afin de déterminer teneurs en eau et en cations solubles (paragraphe sur les méthodes de test et résultats obtenus).

MÉTHODES DE TEST ET RÉSULTATS OBTENUS

Capacité de gonflement de la bentonite

Des essais de quantification de la capacité de gonflement de l'argile (norme XP P 84-703) ont été réalisés pour les bentonites de chaque échantillon. Les valeurs des indices de gonflement
obtenues sont cohérentes avec les valeurs typiques obtenues pour des bentonites calciques (

DÉTERMINATION DES PROPRIÉTÉS HYDRAULIQUES
DES GSB EXCAVÉS

Des essais pour déterminer la conductivité hydraulique ont été menés dans des oedoperméamètres (NF P84- 705 AFNOR 2008). La cellule de test a été présentée par Guyonnet, et al. (2005). Une solution de NaCl 10-3 M a été utilisée comme liquide d'essai. Une contrainte verticale égale à 10 kPa a été appliquée sur les éprouvettes de GSB afi n de représenter les faibles contraintes observées sur site dues aux faibles épaisseurs de sols au-dessus des GSB dans les digues. Les essais
se composent d'une phase initiale de saturation-gonfl ement des éprouvettes sous faible gradient hydraulique, suivie d'une phase de mesure des volumes traversant l'éprouvette sous différents
gradients hydrauliques constants.
Durant la phase de saturation-gonfl ement, nous avons constaté que tous les GSB excavés ne possédaient plus de capacité de gonflement, ce qui est cohérent avec les résultats d'essais de
référence ; la phase de mesure a donc débuté lorsque au moins 90 % du volume absorbé pour un temps infi ni (ΔH∞) a été atteint.
Plusieurs charges hydrauliques ont été appliquées aux éprouvettes, entre 1 et 10 cm suivant leur conductivité hydraulique.
En effet, lorsque les flux obtenus sont élevés seulement des faibles valeurs de charge hydraulique peuvent être appliquées sur l'éprouvette afi n de pouvoir mesurer ce flux de manière correcte en considérant les limites du dispositif de mesure (fi gure 1).
Afin de vérifi er que les valeurs élevées du fl ux n'étaient pas dues à des fuites latérales dans la cellule de test, un colorant bleu a été ajouté au liquide d'essai en fin de tests. Le colorant s'est diffusé de manière homogène au travers des éprouvettes et aucune fuite latérale n'a été observée (fi gure 2).
Une synthèse des valeurs de conductivité hydraulique obtenues ainsi que des teneurs en eau initiales et en fin de test des éprouvettes de GSB est présentée (tableau 2). On constate que
des valeurs élevées de conductivité hydraulique ont été obtenues pour les échantillons D1 et D2 (k~10-6 m/s), supérieures de 4 à 5 ordres de grandeur à celles d’un produit vierge alors que les échantillons D3 et D4 ont montré des valeurs plus faibles (k

DÉTERMINATION DE LA CAPACITÉ D'ÉCHANGE CATIONIQUE ET DE LA PROPORTION DES
DIFFÉRENTS CATIONS DANS LA BENTONITE

La capacité d’échange cationique (CEC) et la proportion des différents cations présents dans la bentonite ont été déterminées selon la norme NF X 31-130 (Afnor 1999). La CEC a été déterminée après extraction des cations interfoliaires par contact entre la bentonite et le chlorure de cobaltihexammine.
La CEC et les cations échangeables Na, K, Ca and Mg pour chaque échantillon de GSB prélevé sont présentés dans le tableau 2 ; l’échange ionique s’est totalement produit au sein des GSB ; le sodium originellement contenu dans les bentonites a été remplacé par les ions Ca et Mg provenant des sols
environnants et de la dissolution des carbonates au sein des GSB. Ces résultats sont cohérents avec les faibles indices de gonflement obtenus.

Cette détermination a également été réalisée sur le sol recouvrant le géosynthétique bentonitique et sur le sol situé dessous (tableau 3). On constate que les cations Ca et Na sont présents dans la même proportion dans les sols situés au-dessus des GSB alors que le calcium apparaît comme le cation
majoritaire dans les sols situés au-dessous des GSB sauf pour le sol situé en dessous de l’échantillon D3. On peut noter qu’il existe une proportion de calcium contenue dans le sol entourant le GSB qui justifi e donc sans aucun doute en grande partie l'échange cationique qui s'est presque totalement produit dans la bentonite.

DISCUSSION SUR LES PROPRIÉTÉS DES GSB EXCAVÉS

COMPARAISON AVEC DES ESSAIS RÉALISÉS EN LABORATOIRE SUR DES GSB VIERGES AVEC DES SOLUTIONS DE CHLORURE DE CALCIUM

De nombreuses études ont montré que la conductivité hydraulique des GSB varie en fonction de la concentration de la solution de percolation et de la valence des ions contenus dans  cette solution (Lin & Benson, 2000 ; Jo, et al, 2001 ; Vasko, et al, 2001 ; Lee, et al, 2005 ; Jo, et al, 2005).
La figure 3 présente les résultats d’essais réalisés sur des GSB vierges en laboratoire traversés par des solutions de chlorure de calcium à différentes concentrations (Gleason et al, 1997 ; Norotte et al, 2004 ; Katsumi et al, 2007 ; Katsumi et al, 2008a ; Katsumi et al, 2008b).
Les conductivités hydrauliques les plus élevées sont obtenues avec les solutions de CaCl2 les plus concentrées (>0,2 M) ; en revanche de nombreux résultats montrent que les GSB conservent des valeurs faibles de conductivité hydraulique (entre 10-11 et 10-9 m/s) lorsqu’ils sont en contact avec des solutions présentant des concentrations en CaCl2 plus faibles, qui sont proches des valeurs de concentrations que l’on retrouve dans les pores des sols (entre 0,001 M et 0,004 M) (Egloffstein, 2001).
Les concentrations en CaCl2 trouvées dans les sols situés au-dessus et en dessous des GSB sont inférieures à 0,0037 M (Tableau 3). Pour cette plage de concentrations, on peut comparer les valeurs de conductivités hydrauliques obtenues en laboratoire et pour les échantillons excavés. On constate que pour ces faibles concentrations en CaCl2 il est normal de trouver les faibles valeurs de conductivités hydrauliques obtenues pour les échantillons de GSB D3 et D4.
La différence entre les valeurs de conductivité hydraulique obtenues pour les échantillons D3 et D4 (k10-7 m/s) ne peut s’expliquer uniquement par l’échange cationique qui s’est déroulé au sein des bentonites, mais par une combinaison de plusieurs facteurs :
échange cationique et cycles de dessiccation-hydratation subis par les GSB. En effet, les GSB prélevés dans les digues D1 et D2 ont eu une durée de service plus grande (4,9 et 5,9 ans)
qui les a soumis à une exposition aux aléas climatiques plus grande.

COMPARAISON AVEC DES ÉTUDES RÉCENTES SUR DES GSB EXCAVÉS D’ISD

Seulement quelques études récentes sur site ont été réalisées sur le comportement des GSB en couverture d’ISD avec des résultats complets et détaillés.
Benson, et al. (2007) ont étudié des échantillons de GSB aiguilletés excavés d’une couverture d’ISD dans le Wisconsin après 2 ans et 4 ans de service. Les GSB contenaient initialement de la bentonite sodique et étaient couverts par 0,76 m de terre végétale. Les GSB excavés après 2 ans ont présenté
des conductivités hydrauliques comprises entre 4,2 × 10-10 et 9,4 × 10-8 m/s alors que celles des GSB excavés après 4 ans de service étaient comprises entre 1,4 × 10-8 and 8,1 × 10-7 m/s. Le
remplacement des ions sodium par les ions calcium et magnésium, combiné à la déshydratation de la bentonite est apparu comme le facteur-clé qui a engendré cette augmentation de conductivité hydraulique. Les sols environnants sont désignés comme les sources de cations Ca et Mg.
Meer and Benson (2007) ont détaillé des excavations de GSB aiguilletés réalisées dans trois ISD dans le Wisconsin et en Georgie après 4,6,4,1 et 5,6 années de service. Tous les GSB contenaient initialement de la bentonite sodique et étaient recouverts par 0,75 m et 0,80 m de terre végétale selon le site. La majorité des ions sodium contenus dans les GSB excavés a été remplacée par des ions calcium et magnésium ; les bentonites présentaient des indices de gonfl ement typiques des
bentonites calciques (~10 mL/2 g). Les conductivités hydrauliques des échantillons excavés étaient comprises entre 5,2 × 10-11 et 1,3 × 10-6 m/s et étaient étroitement reliées à la teneur en eau des échantillons lors de leur prélèvement ; en effet, les GSB présentant une teneur en eau inférieure à 80 % avaient des conductivités hydrauliques élevées (10-8 to 10-6 m/s) (Figure 4) alors que les GSB ayant une teneur en eau supérieure à 100 % avaient des conductivités hydrauliques plus faibles (10-11 to 10-9 m/s). Selon Meer and Benson la variation abrupte de conductivité hydraulique visible à la Figure 5 suggère qu’une dessiccation du GSB entraînant une baisse de la teneur en eau conséquente a un effet dramatique sur la conductivité hydraulique du GSB.
Toujours selon Meer and Benson la conductivité hydraulique des GSB ne semble pas être reliée à la fraction molaire des cations Na présents dans les échantillons ; en effet, tous les échantillons présentaient des fractions molaires faibles. En revanche, les GSB excavés peuvent être séparés en deux groupes en fonction de cette fraction molaire des cations Na : les échantillons ayant une conductivité hydraulique élevée (>10-7 m/s) et les échantillons présentant une conductivité hydraulique plus faible (étaient comprises entre 1,07 × 10-6 et 6,91 × 10-6 m/s.
Les GSB n’assuraient donc plus leur fonction étanchéité à cause des nombreuses racines traversant les GSB, des cycles de dessiccation-hydratations et de l’échange cationique subi
Pour les échantillons prélevés dans les digues D1 et D2, les valeurs de conductivités en fonction de la teneur en eau de la bentonite lors de l’excavation des échantillons sont en accord avec les tendances observées par Meer and Benson (2007) ; des valeurs élevées de conductivités hydrauliques sont obtenues lorsque la teneur en eau est inférieure à 60 %. Les échantillons excavés des digues D3 et D4 ont une teneur en eau très faible lors de leur excavation à cause de l’épaisseur faible de sol les
recouvrant (respectivement 20 et 16 cm), mais présentent des valeurs de conductivités hydrauliques faibles qui peuvent s’expliquer par les durées de service des GSB qui sont inférieures à 3,5 ans.
Comme décrit par Meer and Benson (2007), même s’il n’y a pas de relation apparente entre la conductivité hydraulique et la fraction molaire des cations Na présents dans les échantillons, les valeurs obtenues dans les études précédentes peuvent être divisées en deux groupes en fonction de la fraction molaire des cations Na (fi gure 5), excepté pour deux points. Même si tous les échantillons ont une faible teneur en ions sodium (fraction molaire des cations Na entre 0,07 et 0,18), les valeurs
de conductivités hydrauliques obtenues pour les échantillons D3 et D4 sont en adéquation avec le groupe des faibles valeurs de conductivités alors que les conductivités hydrauliques obtenues pour les échantillons D1 et D2 appartiennent au groupe des valeurs élevées. Cette différence entre les valeurs de conductivité hydrauliques obtenues pour les échantillons D1, D2 et D3, D4 peut être reliée aux différentes durées de service des GSB L’échange cationique complet des ions sodium ainsi qu’une épaisseur insuffi sante de sol de couverture des GSB qui ne peut pas le protéger de la dessiccation, combinés à une durée de service et donc d’exposition aux conditions climatiques supérieure à 4 années ont entraîné la formation de fi ssures irréversibles au sein de la bentonite.

CONCLUSION

Des échantillons excavés de 4 digues de retenue des eaux pluviales après des durées de service différentes étaient recouverts chacun d’une faible épaisseur de sol dont des échantillons ont
également été prélevés.
Les indices de gonfl ement ainsi que les teneurs en différents cations échangeables obtenus ont montré pour tous les échantillons que les bentonites initialement sodiques avaient toutes subi un échange cationique complet et étaient devenues calciques.
La différence dans les résultats de conductivité hydraulique obtenus entre les échantillons D1, D2 (k~10-6 m/s) et D3, D4 (k En effet, la comparaison entre les valeurs de conductivité hydrauliques obtenues pour ces échantillons excavés et des échantillons de GSB vierges testés en laboratoire avec des solutions de CaCl2 diluées a montré que les GSB maintiennent une faible conductivité hydraulique (entre 10-11 et 10-9 m/s) lorsque qu’ils sont en contact avec des solutions faiblement concentrées en calcium (<0,004 M) qui sont représentatives de la concentration en calcium contenue dans les eaux porales des sols environnant les GSB dans les digues.
Les résultats de cette étude sont cohérents avec les études récentes menées sur des échantillons excavés de couverture d’ISD issues de la littérature qui nous indiquent que l’échange cationique combiné à des cycles de dessiccation-hydratation affecte de manière irréversible le GSB qui ne pourra plus assurer sa fonction de barrière hydraulique.

Camille Barral,
INRAE/Cnam, Antony, France
Nathalie Touze, Didier Croissant, Élodie Loheas
INRAE, Antony, France
La communauté d’agglomération du Havre (CODAH) a permis la réalisation de cette étude en autorisant les prélèvements et les essais sur les GSB. L’assistance de l’équipe technique de la CODAH lors des prélèvements de GSB est aussi vivement remerciée.