Mardi 8 juillet 2014

Qu’est-ce que la conductivité hydraulique?

Cette édition du blog aborde la question qu’est-ce que la conductivité hydraulique? Sur la valeur nominale, c’est une question à laquelle la plupart des manuels d’hydrogéologie ou d’eau souterraine répondent. Mais pour l’ingénieur des eaux souterraines en exercice, une question plus pertinente est de savoir ce que signifie la conductivité hydraulique dans notre vie professionnelle sur des projets d’ingénierie? C’est ce que ce blog abordera.

DÉFINITIONS DE LA CONDUCTIVITÉ HYDRAULIQUE

Il faut d’abord un point de terminologie. En langage géotechnique, la conductivité hydraulique est souvent appelée coefficient de perméabilité, le plus souvent raccourci en perméabilité. Cela peut parfois conduire à une confusion terminologique, comme nous le mentionnerons plus loin.

En termes théoriques, la conductivité hydraulique est une mesure de la facilité avec laquelle l’eau peut traverser le sol ou la roche: des valeurs élevées indiquent un matériau perméable à travers lequel l’eau peut passer facilement; des valeurs faibles indiquent que le matériau est moins perméable. La conductivité hydraulique est typiquement donnée par le symbole k et a des unités de vitesse, par exemple mètres/sec ou mètres/jour.

Un aspect clé de la conductivité hydraulique est qu’il existe une très large gamme de valeurs dans les sols et les roches naturels, peut-être une gamme allant de 10-2 m / s (pour les graviers et les pavés très ouverts) à 10-11 m / s (argiles non fissurées ou roches massives non fracturées). C’est une gamme énorme – un facteur d’un milliard! Il s’agit d’une plage beaucoup plus grande que ce à quoi on pourrait s’attendre pour la plupart des autres paramètres géotechniques tels que la résistance au cisaillement ou la compressibilité.

Il est également important de réaliser que la façon dont un fluide (tel que l’eau) traverse un sol ou une masse rocheuse dépend non seulement des propriétés du sol / de la roche, mais également des propriétés du fluide pénétrant. Cela signifie qu’un sol ou une roche donné se comportera différemment s’il est imprégné de différents fluides – par exemple de l’eau ou des hydrocarbures (pétrole). C’est pourquoi l’utilisation du terme conductivité hydraulique est utile, car il est clair que le terme se rapporte à l’écoulement de l’eau. Le problème avec le terme « perméabilité », largement utilisé en génie géotechnique, est que dans d’autres industries (comme l’industrie pétrolière et gazière), on entend la « perméabilité intrinsèque » qui est indépendante du fluide perméant – la perméabilité intrinsèque a les unités SI de m2, bien qu’elle soit couramment décrite dans Darcys (où 1 Darcy = 1 x 10-12 m2) – et est un paramètre significativement différent de la conductivité hydraulique.

Même lorsqu’il s’agit uniquement d’eau comme fluide pénétrant, les propriétés de l’eau peuvent avoir une influence. La viscosité de l’eau varie avec la température, de sorte que la conductivité hydraulique varie également avec la température. Cependant, dans la plupart des cas, la plage de variations de température dans les problèmes géotechniques est suffisamment petite pour que toute modification de la conductivité hydraulique qui en résulte puisse raisonnablement être négligée.

QUE SIGNIFIE LA CONDUCTIVITÉ HYDRAULIQUE?

Comme de nombreux paramètres géotechniques, la conductivité hydraulique est simple dans son concept, mais présente des aspects très complexes dans la pratique, en particulier lorsqu’on essaie d’obtenir des mesures ou des estimations réalistes de propriétés.

Mathématiquement, la conductivité hydraulique est en fait un coefficient dans la loi de Darcy, qui relie la vitesse d’écoulement de l’eau au gradient hydraulique dans des conditions d’écoulement laminaire. Ceci est facile à comprendre pour l’écoulement à travers un bloc isotrope de milieux poreux comme vous pouvez le voir dans un manuel, où la conductivité hydraulique est la même en tous points (uniforme et homogène) et dans toutes les directions (isotrope).

Bien sûr, l’écoulement de l’eau à travers les sols ou les roches est tout sauf homogène et est rarement isotrope.

Dans les sols, la structure est constituée de particules minérales en contact pour former le squelette du sol, avec un réseau de pores interconnectés dans l’espace entre les deux.

Vue idéalisée des particules de sol (en noir) et de l’espace poreux environnant

L’eau doit emprunter un chemin souvent tortueux le long des pores irréguliers entre les particules. L’utilisation de la loi de Darcy et du concept de conductivité hydraulique est justifiée par le « zoom arrière » et le traitement de blocs de sol comme étant des milieux poreux relativement homogènes, mais il est important de réaliser que l’écoulement des eaux souterraines dans les sols peut être très complexe à petite échelle. L’écoulement peut être encore compliqué par la structure du sol ou le tissu tel que la superposition, les stratifications ou les intempéries.

La façon dont l’eau s’écoule à travers les pores d’une masse de sol est parfois appelée « perméabilité primaire » ou écoulement intergranulaire. En revanche, dans la plupart des roches fracturées, la principale façon dont les eaux souterraines s’écoulent n’est pas à travers les espaces entre les particules minérales formant la roche (la masse rocheuse elle-même a tendance à avoir une très faible conductivité hydraulique). Au lieu de cela, l’eau doit passer le long des fissures, des fractures ou des discontinuités dans la masse rocheuse. Ce type d’écoulement est parfois appelé « perméabilité secondaire » ou écoulement de fissure.

Vue idéalisée des fissures ou des fractures dans la masse rocheuse

Tout comme dans les sols, l’écoulement de l’eau à travers les roches doit souvent emprunter un chemin tortueux le long de fissures irrégulières, et encore une fois l’utilisation de la loi de Darcy et du concept de conductivité hydraulique est justifiée par le « zoom arrière » et le traitement des blocs de sol comme étant des milieux poreux équivalents. Cependant, il faut se rappeler que l’écoulement des eaux souterraines dans les roches fracturées peut être très complexe à petite, moyenne et grande échelle, en particulier lorsque la direction de la fracture, la fréquence et la largeur de l’ouverture sont contrôlées par la structure et les contraintes de la roche ou lorsque les roches sont solubles dans l’eau (comme la craie et les calcaires), où les fissures peuvent s’être élargies par des millénaires d’écoulement naturel des eaux souterraines.

POURQUOI LA CONDUCTIVITÉ HYDRAULIQUE EST-ELLE IMPORTANTE POUR LES INGÉNIEURS?

La conductivité hydraulique peut présenter un problème théorique intéressant, mais pourquoi devrait-elle préoccuper les ingénieurs géotechniques en exercice?

La réponse évidente est qu’il s’agit d’un facteur clé pour déterminer la nécessité d’assécher et de contrôler les eaux souterraines. Par exemple, les excavations sous le niveau des eaux souterraines dans un sol à haute conductivité hydraulique nécessiteront plus de pompage d’assèchement que les excavations dans un sol à faible conductivité hydraulique. La plupart des manuels et des documents d’orientation sur le contrôle des eaux souterraines relient l’applicabilité de différentes techniques d’assèchement à la conductivité hydraulique d’une manière ou d’une autre.

Une réponse moins évidente est que, parce que la conductivité hydraulique contrôle le taux de drainage du sol ou de la roche, elle a un impact significatif sur les problèmes de stabilité géotechnique (murs de soutènement, pentes, talus, fondations).

Si un sol a une conductivité hydraulique élevée, lorsqu’une charge (contrainte totale) est appliquée sur un sol, les pressions interstitielles excessives générées par la charge se dissiperont rapidement. Dans la terminologie de la mécanique des sols, le sol se comportera de manière « drainée », avec des contraintes efficaces relativement élevées, qui à leur tour augmentent la résistance au cisaillement du sol ou de la roche, le rendant plus fort. Inversement, si un sol a une faible conductivité hydraulique, lorsqu’une charge (contrainte totale) est appliquée sur un sol, les pressions interstitielles excessives générées par la charge ne peuvent pas se dissiper rapidement. Dans la terminologie de la mécanique des sols, le sol se comportera de manière « non drainée », avec des pressions interstitielles excessives élevées générées par la charge appliquée, qui se dissiperont ensuite lentement au fil du temps (dans certains cas, il faudra plusieurs années, voire plusieurs décennies pour se dissiper). Des pressions interstitielles excessives élevées entraînent de faibles contraintes efficaces, réduisant la résistance au cisaillement du sol ou de la roche, le rendant plus faible et augmentant le risque d’instabilité de défaillance.

L’importance de la conductivité hydraulique dans les problèmes d’ingénierie géotechnique est parfois négligée car elle est souvent « enveloppée » dans un autre paramètre, tel que le coefficient de consolidation cv, qui peut combiner le taux de drainage (contrôlé par la conductivité hydraulique) avec d’autres facteurs.

ESTIMATION DE LA CONDUCTIVITÉ HYDRAULIQUE

Il est clairement important d’avoir des estimations réalistes de la conductivité hydraulique pour de nombreux problèmes géotechniques. Cependant, l’estimation de la conductivité hydraulique comporte plusieurs complications.

• Les propriétés hydrauliques du sol peuvent varier d’un endroit à l’autre sur de courtes distances et peuvent être anisotropes (différentes dans différentes directions).
• Le tissu du sol (stratification, stratifications, altération) et la structure rocheuse (fissures, failles, caractéristiques karstiques) peuvent affecter la conductivité hydraulique.
• Le fait de percer un trou de forage ou de prélever un échantillon peut perturber le sol/la roche et affecter la valeur observée.
• La conductivité hydraulique n’est pas mesurée directement. En réalité, les paramètres physiques (tels que les niveaux d’eau ou les débits) sont mesurés directement, et la conductivité hydraulique est ensuite calculée ou interprétée. Cela signifie qu’il existe deux types d’erreurs potentielles: les erreurs de mesure des données brutes et les erreurs de calcul de la conductivité hydraulique, en particulier si une méthode d’analyse est utilisée qui n’est pas adaptée aux conditions de l’essai ou de l’échantillon.

MÉTHODES D’ESTIMATION DE LA CONDUCTIVITÉ HYDRAULIQUE

Il est difficile d’obtenir des valeurs réalistes de la conductivité hydraulique, mais cela en vaut la peine, et devrait être un élément clé des études géotechniques.

Plusieurs approches différentes peuvent être adoptées pour estimer la conductivité hydraulique:

• Évaluation visuelle – évaluation du type de sol ou du classement et, sur la base de l’expérience ou des valeurs publiées, estimation d’une plage approximative de conductivité hydraulique.
• Corrélations granulométriques – utilisation de corrélations empiriques pour relier les distributions granulométriques dans les sols granulaires à la conductivité hydraulique.
• Essais en laboratoire – essais au perméamètre sur des carottes d’échantillons.
• Essais de forage – Essais in situ (tête montante, tête descendante, tête constante) effectués dans des forages pendant le forage ou plus tard dans des puits de surveillance.
• Essais de pompage – pompage contrôlé et surveillé attentivement à partir d’un ou plusieurs puits, enregistrant le retrait dans le débit pompé des puits d’observation.

Les méthodes d’estimation de la conductivité hydraulique seront décrites dans des blogs ultérieurs.