Etude de l'étanchéité du bassin

L’étanchéité du bassin supérieur est nécessaire pour plusieurs points de vue. Tout d’abord pour le rendement global de la STEP marine : en effet, si l'eau est pompée dans le bassin supérieur est que celle-ci s’infiltre, c’est une perte brute d’énergie. L’étanchéité est aussi nécessaire pour limiter les impacts sur l’environnement : l’eau salée a un effet stérilisant sur les sols, et pourrait polluer la nappe d’eau phréatique, affecter la faune et la flore locale, etc. Il est donc nécessaire d’assurer l’étanchéité du bassin afin d’avoir un meilleur rendement ainsi qu’une acceptabilité sociale plus facile.

Bassin étanchéifié avec une géo-membrane

(Source : Etanchéité SOCOFI)

 

Il existe plusieurs moyens pour imperméabiliser le fond du bassin. Une première solution envisagée serait de le recouvrir d’une géo-membrane, soit en Poly Ethylène Haute Densité (PEHD), soit en éthylène-propylène-diène monomère (EPMD). Une autre possibilité serait de récupérer la craie qui est dans le sol et qui sera excaver lors de la construction du bassin, de la traiter, de la compacter et de l’utiliser comme couche imperméable. Enfin, une dernière option serait de recouvrir le fond du bassin avec du béton bitumineux.

Ces choix vont donc être étudiés, en comparant leurs avantages et inconvénients. La craie sera étudiée dans une première partie, en expliquant ses caractéristiques et la méthode pour étanchéifier le bassin avec ce matériau. Les géo-membranes et le béton bitumineux seront détaillés dans une seconde partie. L’intégration de la partie économique afin de déterminer la solution la plus pertinente pour la STEP marine sera effectuée dans la conclusion.

 

Page éditée par Fabien Higounenc et Matthieu Sécher

La craie

Plusieurs études ont déjà été réalisées sur la craie, et notamment sur celle se trouvant dans le « Pays de Caux », un plateau situé en Haute-Normandie. Sa couche géologique de surface est majoritairement de la craie,ce qui est facilement observable sur les falaises d’Etretat. Cette craie est blanche, et elle contient des couches de silex espacées de 0,2 à 1,3 mètre. Sa porosité est voisine des 40 % et sa teneur en eau à saturation autour des 20-25 %. Sa perméabilité est elle aussi plutôt importante car elle a été mesurée autour de 10-4 m.s-1, ce qui fait environ 36 cm par heure,  négligeable.

 

La craie est une roche poreuse, perméable en petit et perméable en grand : elle est perméable dans toute sa masse du fait de la présence d’un réseau de pores de taille suffisante pour permettre la circulation de l’eau, mais en plus de cela elle comporte des fissures qui permettent un écoulement encore plus rapide. De ce fait, la craie du « Pays de Caux » est un grand aquifère qui sert à alimenter Paris en eau potable.

Une solution imaginée serait d’utiliser cette craie pour effectuer l’étanchéité du bassin. En effet, comme il est prévu de faire une excavation pour le bassin, il est possible de récupérer une quantité non négligeable de craie. Mais elle ne peut pas être utilisée tel quelle. Il n’y a pas de réglementation sur les retenues d’eau salée en France. Nous allons donc nous baser sur un site qui a des réglementations plutôt strictes : une décharge. Pour ce type d’installation, il faut que la perméabilité de la craie soit inférieure à 10-6 m.s-1 sur une épaisseur de 5 mètres. Ensuite, il faut s’assurer de la durabilité de cette étanchéité au contact de l’eau de mer.

Une étude du BRGM a déjà été réalisée sur un site similaire en Normandie, à Anneville-Ambourville, près de Rouen, soit à 60 km de notre site. Ces données vont donc être utilisées. A cet emplacement, plusieurs essais ont été effectués avec de la craie naturelle, de la craie broyée et compactée, et de la craie broyée et mélangée avec 10 % de bentonite. Les résultats finaux sont résumés dans le tableau-ci-dessous.

Tableau des perméabilités en fonction des craies utilisées :

De ces trois solutions, la seconde, avec la craie broyée et compactée seulement,  est la mailleure car l’étude à révélé des échanges d’ions avec la bentonite lors des tests avec le jus de décharge, une réaction non maîtrisée qu'il est préférable d'éviter. De plus, cette solution est facile à mettre en œuvre puisque la craie va être excavée. Il est possible que cette excavation ne permette pas de récupérer suffisamment de craie; néanmoins, dans ce cas, les quantités à importer sur place ne sera pas très élevées. La mise en place est assez simple avec la venue d’engins de travaux publics assez courants.

Il y a tout de même plusieurs inconvénients. Le premier serait l’épaisseur de cette couche : 5 mètres. Il faut donc excaver 5 mètres de plus sur toute la surface de bassin de 1,7 km² pour garder le même volume d’eau dans la retenue et ne pas fausser le dimensionnement fait précédemment, ce qui occasionnerait un surcoût très important. Il faut aussi noter que la perméabilité reste tout de même relativement élevée.

 

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Les géo-membranes et le béton bitumineux

En étudiant d’autres projets où une étanchéité a été réalisée, une utilisation fréquente de géo-membranes a été observée. Celles-ci sont plutôt efficaces au niveau de la perméabilité, mais elles sont fragiles et difficiles à poser. Les deux les plus utilisées sont celles en polyéthylène haute densité (PEHD) ou en éthylène-propylène-diène monomère (EPDM). C’est d’ailleurs cette seconde membrane qui a été utilisée sur le bassin supérieur de la STEP marine d’Okinawa au Japon. Il a aussi été remarqué que, lors de la création d’une STEP avec un bassin supérieur artificiel aux Etats-Unis, c’est du béton bitumineux qui a été utilisé. C’est le même béton qui est utilisé pour assurer l’étanchéité des routes et de certains ouvrages d’arts en France. Les caractéristiques fonctionnelles, dimensionnelles et mécaniques de ces différents matériaux vont être, par la suite, être évaluées.

Le béton bitumineux, aussi connu sous le nom d’asphalte, est généralement utilisé comme couche supérieure, i.e. la couche de roulement, pour toute la voirie. Cette couche est généralement imperméable pour protéger la structure inférieure. Le bitume sert de liant autour des graviers et des granulats de cette couche. Il existe une grande variété de béton bitumineux, mais celui qui est dorénavant le plus utilisé et qui parait le mieux convenir à notre utilisation est le béton bitumineux très mince (BBTM). Il s’agit d’un enrobé à chaud d’environ 2,5 cm d’épaisseur. Il est constitué de sable fin et de gravillons, liés avec un bitume modifié par l’ajout de poudre de caoutchouc ou de fibres synthétiques, pour obtenir une meilleure durabilité. Il n'a pas été possible de trouver des données précises sur la perméabilité de ce matériau, mais elle est supposée meilleure que celle de la craie dans la partie précédente. La mise en place de cet asphalte est par contre assez contraignante car il faut différentes couches pour stabiliser le sol, comme pour une route classique, donc cela va nécessiter un investissement assez conséquent.

 

Béton Bitumineux

(Source : Enrobé)

Les géo-membranes sont généralement homogènes et de couleur grise ou noire. Elles sont fabriquées à partir de résine vierge, environ 90 %, d’antioxydants, d’anti-UV et de stabilisants. Elles ont une épaisseur variant de 1 à 5 mm et une largeur de lé comprise entre 1,5 et 4 mètres. Leur perméabilité est inférieure à 10-5 m.jour-1, soit 10-10 m.s-1. Elles ont aussi l’avantage d’être assez stables pour les températures extérieures dans nos régions (entre – 30 °C et 80 °C). La différence de composition donne aux géo-membranes des propriétés mécaniques différentes. La résistance physico-chimique est également importante dans cette comparaison, ainsi que la facilité de mise en œuvre.

Les géo-membranes en PEHD présentent une grande inertie vis-à-vis de nombreux produits chimiques. Elles sont cependant délicates à mettre en œuvre du fait de leur manque de souplesse, de leur forte dilatation thermique, et de la technicité de leur raccordement. De plus, elles sont sensibles au phénomène de fissuration sous contrainte. Celles en EPDM sont beaucoup plus faciles à mettre en œuvre du fait de leur souplesse, mais leur raccordement est aussi plutôt difficile. Peu de de données existe sur leur résistance chimique et leur durabilité par absence de retour d’expériences en France.

Bassin étanchéifié avec une membrane bitumineuse

​(Source : Kipopluie)

Le fait que les raccordements soient plutôt difficiles et techniques, ce qui est très contraignant pour notre bassin qui s’étend sur plus de 1,7 km², une autre géo-membrane plus facile à mettre en place a été cherchée. Cela nous permettra de faire une comparaison plus pertinente de toutes nos possibilités.

Un bon compromis a été trouvé parmi toutes ces solutions avec les géo-membranes bitumineuses. Elles sont faciles à mettre en place car elles présentent une bonne soudabilité. Leurs principaux inconvénients sont la faible résistance aux hydrocarbures, ce qui n’est pas un problème pour notre étude de cas, ainsi que la sensibilité à la perforation racinaire. Mais celle-ci est plus chère que les géo-membranes précédentes.

 

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Choix final

Cette étude des différentes solutions pour réaliser l’étanchéité du bassin permet de dresser un tableau les regroupant toutes pour analyser laquelle sera la plus intéressante pour notre STEP.

Tableau récapitulatif des solutions envisagées

Il a été décidé de choisir la solution avec la géo-membrane bitumineuse car c’est celle qui présente le meilleur compromis entre la durabilité (avec la jointure facile), l’efficacité de l’étanchéité (perméabilité de 10-10 m.s-1), le coût et la facilité de la mise en œuvre.

Pour remédier au problème de faible résistance aux perforations racinaires, un Dispositif d’Etanchéité par Géo-membrane (DEG) est envisagé:

 

Schéma d'un Dispositif d'Etanchéité par Géo-membrane

(Source : Article Les géomembranes, de Stéphane LAMBERT)

La structure de support sera formée d’une couche de craie broyée compactée d’environ 10 cm juste en dessous du géotextile de filtration, pour protéger des racines. Une deuxième couche d’une épaisseur similaire sera aussi mise en place sur le géotextile de protection afin de protéger correctement l'étanchéité de toute agression provenant du bassin.

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