Etude expérimentale et numérique de la Sédimentation

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Etude expérimentale et numérique de la Sédimentation/Consolidation de sols à très forte teneur en eau

Gilbert LE BRAS (IUT de st nazaire, Dépt. Génie Civil)Alain ALEXIS (GeM)

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Introduction

Domaine scientifique : comportement des milieux poreux naturels très déformables interdisciplinarité: hydraulique-géotechnique amélioration des connaissances sur les dépôts de sédiments finsDomaines d’application : gestion environnementale des zones aménagées : envasements des souilles, chenaux, retenues de barrage , parc régional de Briére gestion industrielle : boues de lavage de granulats (carrières)

Programmes et contrats:

•Pr Eu MAST 1 et 2 , Pr Nat CARR’EAU ( BRGM)

•EDF-LNHE, BRGM, Parc régional de Brière

Port de Trentemout (Nantes)

Réservoir du barrage d’Oytier (Alpes)

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x

Temps t

H0

0

Théorie de sédimentation : Kynch (1952) Théorie de consolidation : Gibson et al.(1967)

Introduction

Processus de sédimentation-consolidation

Chute entravée

Consolidation

Sédimentation libre

Courbe de tassement et lignes caractéristiques

Interface eau-sédiment

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Objectif

Etude du processus de sédimentation-consolidation des sédiments fins cohésifs

- par un système de mesure spécifique non destructive, - permettant d’accéder à des lois de comportement utilisables en simulation

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Situation dans le cadre des travaux de l’équipe

Simulation• 1DV compressible : compressibilité des phase solide et fluide

Alexis,Gallois (1995)

Expérimentation• Création du système expérimental original

Alexis,Le Bras (2000)

Expérimentation• Développement du système expérimental ;• Essais sédimentation-consolidation à 50, 100, 200 g/l• Essais paramétriques : floculation, ségrégation Simulation

• 1DV incompressible :Modèle numérique et en tenant compte de la ségrégation

Expérimentation• Amélioration du système expérimental• Essais sans et avec ségrégation

Alexis,Le Bras,Nguyen(2008)

Application auxapports successifs

Application aux dépôts à terre

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Plan de la présentation

1. Etude expérimentale en laboratoire

2. Modélisation numérique

3. Extension à la ségrégation

4. Application industrielle

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Capteur de position

Colonne de sédiment

Input Output

Capteur de pression

Scrutateur rotatif

Buses de prise de pression

Tube de connexion Verscommandemoteur des

déplacementsdu chariot

Unité de contrôleet de données

1500mm

Scintillomètre

Mixture

Moteur électrique

Calculateurde densité

SourceGammadensimètre

Système expérimental : Gamma-densimètre

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Concentration initiale

Concentration volumique

Indice des vides Porosité Densité Concentration massique

c=1-n=1/(1+e) e n=e/(1+e) d=1+1,7c C=2700.c[ - ] [ - ] [ - ] [ - ] [g/l]0 1 1 0

0,019 53,054 0,982 1,031 50

0,037 26,000 0,096 1,063 100

0,074 12,500 0,926 1,126 200

0,250 3,000 0,750 1,425 675

0,555 0,800 0,445 1,944 1500

1,000 0,000 0,000 2,700 2700

Eau

Domaine hydraulique

Domaine intermédiaire

Domaine géotechnique

Solid

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0

10

20

30

40

0,1 1 10 100Diamètre [m]

[%]

Kaolin

Caractéristiques des matériaux

33 %22Vase de Méan

12 %17Vase de Rezé

98 %200Sable Fontainebleau

9 %8Vase d’Oytier

4 %2Kaolin

Refus à 63 md50 [m]Matériaux

10-1

100

101

102

1030

20

40

60

80

100

Diamètre des grains [micromètre]

Tam

isat

[%]

Courbe Granulométrique

Vase d'OytierKaolinVase de RezéVase de Méan

Matériau reconstitué

Vase naturelle

0

5

10

15

0,1 1 10 100 1000Diamètre [m]

[%]

Vase naturelle de Méan

01020304050

0,1 1 10 100 1000Diamètre [m]

[%]

Sable de FontainebleauKaolin

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0 0.05 0.1 0.15 0.20

100200300400500600700800900

1000110012001300140015001500

Concentration volumique c [-]

x [m

m]

Kao (100%Kaolin-C=100g/l)

1.33mn3h6h12h1j2j4j8j16j32j

1.33mn

3h

6h

12h1j

8j4j2j

16j

32j

Résultats expérimentaux

Profils de la concentration volumique Profils de la surpression interstitielle

0 200 400 600 8000

100200300400500600700800900

1000110012001300140015001500

Surpression interstielle [Pa]

x [m

m]

Kao (100% Kaolin-C=100g/l)

1.33mn3h6h12h1j2j4j8j16j32j

32j

12h

1j

2j

4j

8j16j

1.33mn

3h

6h

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Procédure de traitement des données

Densité mesuréex,t correspondants

Maillage :

x imposés

t imposés

Pression mesurée x,t correspondants

Contrainte effective’ = -uw= n-u [Pa]

Perméabilité réduite kr = k.c [m/s]

Concentration volumique, Surpression interstitielle

Contrainte totale nette, Gradient hydraulique, Vitesse de chute

Spécificités du système expérimental

Trajectoire

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Résultats expérimentaux : matériaux fins cohésifs

Trajectoire des particules

102 104 1060

500

1000

1500

Log(temps) t [s]

x [m

m]

Kao (100%Kaolin - C=100g/l)

100Pa200Pa300Pa400Pa500Pa600Pa700Pa800Pa

12h45mn 2j 8j 32jt = 0 t = 32j

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Résultats expérimentaux : Lois de comportement

Kaolin 100g/l

Vase Rezé 100g/l

0 100 200 300 400 500 600 700 800800

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

Contrainte effective [Pa]

Con

cent

ratio

n vo

lum

ique

c [-

]

100Pa200Pa300Pa400Pa500Pa600Pa700Pa800Paloi puissance

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

Contrainte effective [Pa]

Con

cent

ratio

n vo

lum

ique

c [-

]

100Pa200Pa300Pa400Pa500Pa600Pa700Pa800Paloi puissance

' Bv (c) A c

10-8 10-7 10-6 10-5 10-4

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

Perméabilité réduite kr [m/s]

Con

cent

ratio

n vo

lum

ique

c [-

]


r rok (c) k 1 c

10-8 10-7 10-6 10-5 10-4

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

Perméabilité réduite kr [m/s]

Con

cnet

ratio

n vo

lum

ique

c [-

]

100Pa200Pa300Pa400Pa500Pa600Pa700Pa800PaFitting

kr'

c

c

Sédiment ARTIFICIEL

Sédiment NATUREL

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Modèle théorique

1. Equation de conservation

2. Equation d’équilibre

3. Postulat de Terzaghi

4a. Loi de Darcy4b. Contrainte effective

' 's v

r rw w

c 1c k k

Advection Diffusi

x

on

0t x x

s

Soc vc

lide

t x

w1 c v1 ct x

fluide

'v v w v hu u u

mw

k(c) uv k(c) ix

'v (c)

vs wc (1 c)

x

Principales équations

Equation de sédimentation - consolidation

Simulation

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Résultats de simulation : Kaolin 100g/l

Trajectoires des particules

Profils de concentration

102

104

1060

500

1000

15001500

log(temps) t [s]x

[mm

]

Simulation - Kaolin C=100g/l


32j8j1j

Temps de calcul :20 min pour une durée physique de 32 javec t=20s et x=10mm)

0 0.05 0.1 0.15 0.20

100200300400500600700800900

1000110012001300140015001500

Concentration volumique c [-]

x [m

m]

Simulation - Kaolin C=100g/l

1.33mn3h6h1j2j8j32jdata 1.33mndata 3hdata 6hdata 1jdata 2jdata 8jdata 32j

3h 1.33mn

6h

1j

2j

8j

32j

simulation

mesures

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Synthèse de la partie simulation

Equations de sédimentation-consolidation 1 DV en grandes déformations qui utilisent une loi de contrainte effective et de perméabilité,

Simulation d’un essai sur le kaolin : comparaison satisfaisante

Calcul fiable et rapide d’un cas de sédimentation-consolidation par une approche continue

Dans le cas d’un matériau naturel,quel est le rôle de la fraction grossière ?

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Application industrielle

Problématique : L’accumulation des sédiments au pied d’un barrage peut colmater la vanne de vidange de fond. Les dépôts formés diminuent la capacité du réservoir. L’envasement des retenues de barrage est lié au processus de sédimentation-consolidation.

Objectif : Donner des éléments d’appréciation (évolution des concentrationset des résistances) de la faisabilité des méthodes de soutirage de sédiment frais derrière les barrages hydroélectriques.

C

B

D A

Aval

Barrage d’Oytier (20 Avril 2006)

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Mesures in-situ

Apports des sédiments dans le dépôt

Apports successifs

Consolidation du dépôt

962

964

966

968

970

972

974

976

978

980

982

984

986

0 100 200 300 400 500

Concentrations g/l

Cot

es N

GF

19-avr20-avr21-avr22-avrplan d'eau

805404317321521501

fin [jours]Ca [g/l]Phase

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Modélisation numérique des apports

0 500 10000

2

4

6

8

10

12

Concentration C [g/l]

x [m

]

Cas 1

0j1j (1,06j)2j (1,96j)3j (3,04j)4j (prévision)8j (prévision)

2j

8j

4j3j

1j0j

Consolidation du dépôt

962

964

966

968

970

972

974

976

978

980

982

984

986

0 100 200 300 400 500

Concentrations g/l

Cot

es N

GF

19-avr20-avr21-avr22-avrplan d'eau

Profils de concentration mesurée (par EDF)Profils de concentration

Modification au code de sédimentation-consolidationpour tenir compte des apports successifs

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Synthèse de la partie applications

Expérimentation sur le matériau prélevé : Evolution de la concentration Evolution de la résistance avec la concentration et le temps

Modélisation des apports successifs

Comparaison seulement qualitative car problème de représentativité du matériau prélevé

Evolution de la résistance intéressante pour l’étude de faisabilité du soutirage

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Conclusions

Rappel des objectifs : Regard plus général sur le processus de sédimentation-consolidation

Etude du phénomène de sédimentation-consolidation : connaissances sur le comportement des sols de très forte teneur en eau

Rôle de la fraction grossière

Partie expérimentale : Amélioration du système expérimental

Réalisation d’une colonne de prélèvement

Développement d’un nouveau pénétromètre

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Conclusions

Application industrielle : Simulation des apports successifs

Evolution de la cohésion

Application à la faisabilité du soutirage

Partie numérique : Réalisation d’un code de dépouillement

Réalisation d’un code de sédimentation-consolidation

Réalisation de l’extension à la ségrégation

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Perspectives

Perspectives expérimentales Réalisation d’essais sur des colonnes de plusieurs mètres de hauteur

Essais paramétriques en fonction de la composition du matériau

Adaptation du pénétromètre à des campagnes de mesures in-situ

Amélioration de la représentativité des méthodes de prélèvement

Prolongement des essais de ségrégation avec prélèvement

Perspectives numériquesExtension de la modélisation à la prise en compte d’une granulométrie continue

Rendre plus opérationnel le code de simulation

Intégration du modèle de ségrégation-sédimentation-consolidation dans des codes plus généraux (Télémac )

Documents

Etude expérimentale et numérique de la Sédimentation