9 – Drainage

1. Infiltration d’eau et drainage temporaire et permanent des structures

Selon une enquête récente de Santé et Bien-être social Canada, environ 38 % des maisons au Canada éprouvent des problèmes d’humidité ou de moisissure.  Les inconvénients causés par les infiltrations d’eau découlent du fait que les sous-sols sont prévus généralement pour être secs, ce qui n’est pas le cas avec les infiltrations d’eau.  Ces inconvénients sont :

1)    Excès d’humidité dans le sous-sol, ce qui peut provoquer des champignons et de la moisissure mettant en danger la santé des occupants;

2)    Les matériaux placés dans le sous-sol deviennent humides et généralement hors d’usages;

3)    La présence de sels (efflorescence) sur les murs des fondations;

4)    Pourriture du bois ayant subis plusieurs cycles de mouillage et de séchage;

5)    Hors d’usage du sous-sol lors des infiltrations d’eau;

6)    diminution possible de la capacité portante des sols de fondation argileux;

7)    Risque du gel du sol de fondation si la profondeur de protection du gel est inadéquate;

8)    Diminution de la qualité de l’espace;

9)    Si on ne déclare pas aux acheteurs éventuels, ça peut devenir un vice caché.

L’origine des infiltrations d’eau peut être ( SCHL):

1)   Niveau élevé de la nappe phréatique par rapport au niveau des fondations;

2)   Absence de drainage pour cueillir les eaux d’infiltration de surface;

3)   Présence de fissure sur les murs de fondation jouant le rôle des chemins pour les eaux d’infiltration;

4)   Absence de protection contre l’humidité des murs de fondations si cette dernière est nécessaire compte tenu des conditions géotechniques et hydrauliques du site;

5)   Refoulement d’eau du réseau d’égout municipal;

6)   Rupture des conduites d’aqueducs municipales au voisinage du site;

7)   Conception inadéquate des fondations;

8)   Une source d’eau locale alimentée des conduites abandonnées.

État de connaissance dans le domaine de drainage et référence bibliographique

  1. Drainage de route®Cedergren (1974)
  2. Drainages des pentes® Forrester (2001)
  3. Drainage et écoulement d’eau ® Cedergren (1989)
  4. Drainage agricole ®Conseil des productions vegetales du Québec,
  5. Drainage des excavations ® Powers et al (2007), CIRIA
  6. Drainage des sites urbains (urban subsurface drainage)® ASCE  (1998)
  7. Drainage souterrain des constructions ® ?
  8. Drainage des ouvrages d’art et des murs de soutènement (Navfac, divers documents)

La construction d’immeubles, de barrage, de tunnel et d’ouvrages d’art nécessite souvent l’exécution des travaux d’excavation sous le niveau de la nappe phréatique (drainage temporaire), ce qui nécessite le rabattement de la nappe phréatique durant les travaux d’excavation pour le maintien en sec du fond des excavations et la stabilité des parois. Dans le cas de la construction d’immeubles, l’usage des sous-sols nécessite le drainage permanent de la nappe phréatique et des infiltrations d’eau ou le cuvelage des sous-sols.

Les diverses méthodes de drainage sont choisies en fonction:

  1. des dimensions des excavations;
  2. des caractéristiques géologiques et géotechniques du site;
  3. de la perméabilité des formations;
  4. du niveau de la nappe souterraine

2.Premières tentatives de drainage moderne

Le premier rabattement de nappe dans le génie civil moderne date de 1838 (Mansur et Kaufman, 1968), lors du percement du tunnel de Kilsby sur la ligne ferroviaire Londres-Birmingham. Le niveau d’eau fut abaissé par pompage dans des puits verticaux de grands diamètres, forés le long du tunnel. Le débit total de ces puits fut de 8 m3/mn. Après ce premier essai, peu de progrès furent réalisés après pendant ±50 ans.

L’utilisation des pointes filtrantes et des puits profonds ne débuta vraiment qu’en 1896 en Allemagne lors de la construction du métro de Berlin. Aux USA, l’utilisation des pointes filtrantes a débuté vers 1930.

3.Étude de drainage

La nécessité d’un drainage, son choix et sa conception doivent tenir compte de :

  1. Les conditions géologiques et géotechniques au voisinage de chantier et du site;
  2. L’étendue et la profondeur de l’excavation;
  3. La durée de rabattement (temporaire) ou permanent;
  4. La perméabilité (V = ki);
  5. La stratification et l’épaisseur de la couche perméable  à drainer;
  6. Le niveau de la nappe phréatique et la pression hydrostatique;
  7. Les crues et décrues éventuelles des cours d’eau;
  8. Les origines probables des infiltrations d’eau ou rayons d’influence des venues d’eau à proximité du chantier;
  9. Le niveau d’eau ou la sous-pression admissible durant la construction;
  10. La protection contre les inondations;
  11. Les caractéristiques chimiques et la température de l’eau souterraine;
  12. Les variations saisonnières des niveaux d’eau.

3.1 Conditions géotechniques (forages et sondages)

La conception et la construction d’un système de drainage nécessite la connaissance approfondie des caractéristiques des sols et du roc au voisinage et en dessous de l’excavation (2,0 fois la profondeur de l’excavation). Les sondages et forages doivent être suffisamment rapprochés pour déceler toute variation importante des sols susceptibles d’influencer le drainage et l’écoulement d’eau vers l’excavation.

Un drainage efficace, de bonne conception et construction procure les facilités de construction suivantes:

  1. Rabattement du niveau de la nappe phréatique et captage des infiltrations d’eau sur les pentes et au fond de l’excavation;
  2. Augmentation de la stabilité des pentes de l’excavation;
  3. Diminution des risques d’érosion sur les pentes et au fond de l’excavation;
  4. Réduction des poussées des terres sur les murs de soutènement;
  5. Diminution des risques de tassement ou de soulèvement du fond d’excavation;
  6. Diminution du niveau d’humidité et des risques associées à l’humidité dans les sous-sols des immeubles;
  7. Augmentation de la capacité portante des sols de fondation.

3.2 Propriétés chimiques de l’eau

Certaines eaux contenues dans les sols sont très corrosives ; certaines autres contiennent du fer ou divers carbonates formant des dépôts qui, au bout d’un certain temps, boucheront partiellement ou complètement les crépines du système de drainage. Pour cette raison, on doit tenir compte des propriétés chimiques de l’eau lors de la réalisation d’un système de drainage.

Les caractéristiques chimiques suivantes de l’eau influencent le potentiel de colmatage et la corrosion des drains:

  1. pH de l’eau;
  2. Dureté de l’eau (composés calciques ou magnésiens (bicarbonates, sulfates et chlorures);
  3. Teneur en hydrogène sulfuré;
  4. Teneur en gaz carbonique;
  5. Teneur en chlorures;
  6. Teneur en carbonates;
  7. Alcalinité (bicarbonates, carbonates et hydroxydes);
  8. Teneur en fer solubles de l’eau.
  9. Réseau de drainage souterrain doit avoir une pente minimale pour permettre l’écoulement des eaux, si non l’eau reste stagnante longtemps dans le réseau;
  10. Respect de critères de filtre;
  11. Principe de continuité;
  12. Conception selon les principes d’hydraulique et géotechnique;
  13. Drainage des eaux de surface.
  14. Élimine l’infiltration d’eau par les murs du sous-sol;
  15. Élimine l’infiltration d’eau par la dalle de plancher de sous-sol;
  16. Diminue la remontée capillaire vers le sous-sol (horizontale ou verticale);
  17. Diminue l’humidité dans le sous-sol;
  18. Réduit l’efflorescence du béton des murs de fondation et des planchers sur sol;
  19. Améliore la durabilité des matériaux de construction;
  20. Augmente la capacité portante des sols de fondation;
  21. Diminue le risque de pourriture de bois au sous-sol;
  22. Diminue le potentiel de moisissure dans les sous-sols;
  23. Améliore les caractéristiques mécaniques des sols;
  24. Diminuer le coût de chauffage au sous-sol;
  25. Tuyau de drainage (drain français) posé avec une pente: pour collecter et acheminer l’eau de drainage vers un exutoire;
  26. Coussin d’agrégats ou enveloppe de drain (pierre nette): utilisé soit comme une enveloppe de drainage ou comme assise pour le tuyau;
  27. Filtre ou membrane de géotextile pour éviter l’érosion des sols et le colmatage d’enveloppe de drain ou le tuyau de drainage;
  28. Géocomposite constitue une enveloppe de drainage bidimensionnel pour intercepter les venues d’eau;
  29. Tranchée de drainage ou tranchée intercepteur;
  30. Géomembrane utilisée comme une barrière à un écoulement d’eau;
  31. Bassin de drainage (fosse de retenue).

3.3 Éléments importants d’un système de drainage

3.4 Importance de drainage souterrain dans les bâtiments:

3.5 Composantes d’un système de drainage de fondation

La conception d’un système de drainage nécessite la collecte d’une série de données techniques représentatives du site à l’étude. Ces données ont pour but de permettre d’apprécier :

  1. La capacité des sols à permettre la circulation de l’eau (coefficient de perméabilité);
  2. Le débit, la source, la vitesse et les caractéristiques chimiques de l’eau circulant à travers les sols;
  3. Le gradient hydraulique.

3.6 Géologie de site

3.7 La géologie d’un site doit permettre de se prononcer sur:

  1. La nature des sols de surface et la stratigraphie des sols en place pour analyser le type de nappe phréatique potentiel;
  2. La profondeur du sol perméable;
  3. La profondeur d’une couche imperméable;
  4. La nature géologique des sols en place (marine, lacustre, fluviale, glaciaire, ..)
  5. Présence d’une barrière à l’écoulement d’eau;
  6. Présence d’aquifère artésienne

Dans l’étude de drainage d’un site les caractéristiques suivantes des sols permettent d’évaluer la capacité des sols à la circulation verticale et horizontale de l’eau:

  1. La stratigraphie et le profil des sols;
  2. Les types d’aquifère (nappe libre, perchée, confinée,..)
  3. Le coefficient de perméabilité des sols;
  4. La profondeur du sol perméable;
  5. La profondeur du sol imperméable;
  6. La texture des sols (granulométrie);
  7. La porosité  des sols;
  8. La teneur en fer de l’eau souterraine;
  9. Structure primaire et secondaire des sols;
  10. Propriétés chimiques de l’eau;
  11. La couleur des sols;
  12. Transmisivité T = kb;
  13. Coefficient d’emmagasinement, S;
  14. Température de l’eau;
  15. Niveau de l’eau souterraine et ses variations saisonnières;
  16. Topographie et emplacement et environnement du site;
  17. Historique de site
  18. Présence d’anciens ruisseaux.

4. Piézomètre

La détermination précise du niveau de la nappe phréatique et des pressions interstitielles est importante pour la conception, la construction des fondations et des ouvrages souterrains.  La profondeur de la nappe phréatique est un facteur pouvant influencer le choix du type de fondation.  La variation saisonnière du niveau de la nappe peut occasionner des mouvements (gonflement ou de retrait)des sols de fondation.  La présence d’une nappe artésienne peut grandement affecter la stabilité d’une excavation réalisée dans l’argile.  Le contrôle des pressions interstitielles permet de suivre la consolidation ou la dissipation des pressions interstitielles développées dans une couche d’argile suite à des travaux de construction ou de chargement.  La pression interstitielle élevée constitue souvent la cause des problèmes d’instabilité; il est donc important de pouvoir mesurer ces pressions et leur dissipation. L’instrument utilisé pour mesurer le niveau d’eau et la pression interstitielle dans le sol ou le roc est appelé Piézomètre. Il désigne le capteur de pression d’eau, et la lanterne de sable; il inclut aussi le tube dans le cas des piézomètres à tube ouvert et hydraulique. Le Piézomètre Casagrande est un piézomètre à tube ouvert avec un élément filtrant inséré dans une lanterne de sable et des bouchons de part et d’autre de la lanterne.

Le piézomètre doit être installé dans un forage selon une procédure connue et il doit être vérifié pour son fonctionnement. Il y a une différence entre un piézomètre et un tube perforé installé dans le trou d’un forage. Par suite d’une confusion regrettable, on étend souvent le nom piézomètre à tout  autre dispositif destiné à mesurer le niveau de l’eau dans le sol, par exemple un tube troué placé dans le trou d’un forage.  Cette erreur d’utilisation peut dans certains cas apporter des confusions et peut se traduire par des accidents de chantier qui aurait pu être évités si des piézomètres, au sens propre du mot, avait étaient installés et interprétés correctement.

Sous l’effet de la pression qui règne au niveau de la crépine, l’eau va s’élever dans le tube supérieur.  La mesure de cette pression se fait alors soit par repérage du niveau d’eau dans le tube à l’aide d’une sonde, soit par un dispositif manométrique.

Dans le cas des problèmes de pollution, le piézomètre est utilisé pour permettre des prélèvements pour analyses chimiques et aussi pour étude hydrogéologique de la nappe phréatique et le risque de contamination.

Piézomètre pneumatique

 

 

Installation d’un piézomètre hydraulique

 

Extrait du dictionnaire de Génie Civil

 

5. Technique de drainage de bâtiment

Avant la construction d’un bâtiment, on devra déterminer le niveau de la nappe phréatique. Si ce niveau d’eau est élevé, on devra résoudre les problèmes suivants:

  1. Drainage de l’excavation lors de la construction (drainage temporaire);
  2. Drainage des fondations et des dalles de plancher après construction (drainage permanent);
  3. Étanchéité des ouvrages et protection contre l’humidité

Le drainage des fondations est obtenu, généralement, par la mise en place, le long des semelles, et si nécessaire, sous les dalles du plancher, de tuyaux de drainage enveloppés d’un matériau drainant et d’un filtre compatible avec les sols naturels si nécessaire. Afin d’éviter l’instabilité des fondations par l’érosion des particules fines, les drains ne doivent pas être placés sous la base des semelles. Les drains de fondation doivent avoir une pente de 0,5 à 2%. Les drains de fondation sont raccordés généralement à un puisard, pour décantation des sédiments, avant d’être pompé ou diriger vers le réseau municipal.


Cas d’une résidence construite proche de la nappe phréatique, avec cuvelage après la construction

Détail des perforations au sous-sol

 

Expertise géotechnique après le cuvelage et infiltrations d’eau au sous-sol

Niveau de la nappe sous la dalle de plancher de sous-sol

 

Sondage à l’extérieur

Murs de fondation d’une résidence en construction

 Présence d’eau colorée à l’intérieur lors de la construction

 

Profil des sols en place

Drains de fondation et nature des remblais (sol organique) qui seront placés au-dessus des drains de fondation

L’état d’un site de futur développement résidentiel au moment de l’étude géotechnique

 

Terrain avec un potentiel de drainage difficile, projet résidentiel

Sol de fondation (argile silteuse marine de la mer de Champlain) avec un potentiel de drainage difficile

5.1 Drains de fondation déficient

État de drain de fondation d’un bâtiment résidentiel avec un drainage déficient

 


 Drains de fondation colmaté partiellement

Nature des sols de fondation

 

Sable fin avec coquillage

Sur-excavation sous le niveau des drains de fondation, en retrait

Drains de fondation gorgé d’eau coulant vers l’excavation

Exutoire des drains de fondation dans le fosse de retenue (drainage déficient, sans pente)

 

Infiltration d’eau vers le sous-sol d’un bâtiment en construction

5.2 Colmatage par dépôt d’ocre (Asselin, 1981)

Avec l’augmentation de la population et l’activité économique ainsi que la construction résidentielle et industrielle et la rareté de bons terrains, on est obligé à construire de plus en plus sur des terrains difficiles et de qualité médiocre pour lesquels des problèmes de colmatage par ensablement et par l’hydroxyde de fer surviennent à plus ou moins brève échéance si des mesures adéquates ne sont pas prévues lors de la conception et de la construction.

Selon Hennig (dans Kuntze, 1978), le colmatage des drains peut se produire sous trois formes suivantes :

1)    l’ensablement dans 66% de cas;

2)    par hydroxyde de fer dans 30% de cas;

3)    raisons diverses (racines, défauts de drains, etc..) dans 4 % de cas.

Le colmatage des drains par l’ocre et la déposition d’hydroxyde de fer (dépôt d’ocre) est connu depuis plus de 100 ans, selon Ford (1975). La déposition d’ocre ou d’hydroxyde de fer peut se présenter sous la forme d’une masse amorphe, collante, parfois gélatineuse ou filamenteuse dont la couleur varie de rouge à jaune. Dans ces dépôts l’hydroxyde de fer est lié à une matrice organique (Ford, 1979). La formation de ces dépôts cause la réduction du débit d’écoulement jusqu’au blocage des drains souterrains. Ces dépôts gélatineux sont plus qu’un simple dépôt de fer.

Les facteurs suivants influencent le colmatage :

a)    Teneur en ions ferreux (Fe+2)

Le colmatage est fonction de la teneur en eau ion ferreux (Fe+2) de l’eau souterraine. D’après Ford (1971), seulement de 2 à 4 ppm d’ions ferreux sont nécessaires pour initier la déposition de Fe (OH)3, des concentrations plus élevées accroissent le phénomène.  Par contre, les bactéries ferrugineuses peuvent vivre et précipiter le fer dans des eaux où la teneur en Fe+2 est aussi faible que 0,2 à 0,6 ppm.

b)    pH

Le processus biologique est de beaucoup plus important que le processus chimique dans la déposition de l’hydroxyde ferrique. Le pH joue un rôle important dans le processus biologique. Les diverses bactéries ferrugineuses travaillent  à différents pH; les bactéries filamenteuses préfèrent un pH aux environs de 7, alors que la bactérie Thiobacillus va opérer à des pH plus acides de 1,5 à 4,5.

c)    Facteurs divers

D’autres facteurs peuvent contribuer à une déposition accrue d’hydroxyde ferrique notamment par voie biologique. Des températures plus élevées et une concentration plus élevée en oxygène favorisent une plus grande activité bactérienne.

Il semble également que la présence de matières organiques peut favoriser la déposition d’hydroxyde ferrique. Les acides humiques sont reconnus comme agent complexant le fer, et par conséquent peuvent influencer la production d’ocre par les bactéries.

D’autres facteurs comme le régime de la nappe phréatique, la vitesse de circulation de l’eau, la présence de contre-pente dans les drains influencent le colmatage ferrique.

La température de l’eau a une influence importante sur la déposition et la consistance des dépôts. Selon Gameda (1981), au printemps alors que la température de l’eau est de 1 à 2°, la déposition d’ocre est faible et elle colle moins aux conduites; alors qu’en été quand la température de l’eau est de 14 à 15°C, la déposition d’ocre est plus importante et les dépôts sont de consistance collante.

5.3 Origine du fer

Le fer est présent dans de nombreux minéraux composant les sols. L’altération de ces minéraux peut libérer, précipiter le fer, et même produire de nouveaux minéraux. La teneur en fer libre ou mobile Fe+2 augmente généralement avec la teneur en argile;  elle croît avec une augmentation du pH et du potentiel Redox (Eh) de la solution du sol.

L’origine du fer peut être allochtone s’il provient de l’extérieur du site par apport latéral des terres avoisinant ou autochtone si l’origine du fer se limite au site même. Le colmatage d’origine allochtone entraîne généralement des conditions de colmatage permanent, même si la teneur en Fe+2 est faible. Par contre, le colmatage d’origine autochtone peut entraîner des conditions de colmatage temporaire et son degré dépendra de la teneur en fer libre Fe+2 et de l’intensité de l’altération. D’apèes Kuntze, le maximum de dépôts semble se produire après deux à trois ans.

5.4 Processus de déposition

Ce sont des phénomènes de réduction et d’oxydation qui entraînent la formation d’ions ferreux et ferriques. En l’absence d’oxygène, comme dans le cas des sols saturés, les microorganismes extraient l’oxygène des minéraux de sol entraînant ainsi le phénomène de réduction. Le fer est ainsi réduit en ion ferreux (Fe+2) très solubles.

Il semble qu’aussi peu que 0,33% d’oxygène est suffisant pour amorcer la précipitation. Selon Peterson (1966), l’oxygène réagit avec les ions ferreux selon l’équation suivante :

4Fe+2  + O2 + 10 H2O ®¬ Fe (OH)3 + 8H+

La solubilité de l’hydroxyde ferrique est très faible, ce qui en fait un compose très stable une fois précipité.

5.5 Processus biologique

Le processus biologique est beaucoup plus important que le processus chimique pour précipiter le fer en hydroxyde ferrique. Les bactéries jouent un rôle catalyseur très important dans la précipitation. Certaines bactéries peuvent se développer en milieu très pauvre avec le CO2 de l’eau comme source de carbone avec des pH variant de 5,4 à 7,0 et des températures relativement basses de l’ordre de 5°C.  Quelques bactéries peuvent dériver leur énergie par l’oxydation du fer ferreux en fer ferrique.

Selon Ford, les ferro-bactéries peuvent vivre et précipiter le fer avec des concentrations en Fe+2 aussi faibles que 0,2ppm. D’autres bactéries exigent une concentration d’au moins 2 ppm de Fe+2.

5.6 Évaluation du risque de colmatage

Le risque de colmatage peut être évalué par les paramètres suivants :

a) Observation sur le terrain

Tableau : Caractéristiques de site permettant de prévoir le danger de colmatage par l’ocre de fer (Drainage souterrain, 1989).


L’observation visuelle du site doit être suivie d’un dosage du fer ferreux (Fe
+2) et du pH de l’eau de la nappe souterraine pour confirmer le risque.5.8 Concentration de fer ferreux

Tableau : Estimation du risque de colmatage des drains par l’ocre de fer en fonction de la concentration en Fe+2 et du pH de l’eau, Kuntze (1978)

 6. Études de cas de colmatage d’ocre


 

Norme BNQ 3661-500/2012: Dépôt d’ocre dans les systèmes de drainage des bâtiments

7. Partie I: Évaluation du risque pour la construction de nouveaux bâtiments et diagnostic pour des bâtiments existants

8. Partie II: Méthodes d’installation proposées pour nouveaux bâtiments et bâtiments existants

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