CH-12 Colmatage des drains et matériaux filtrants

CHAPITRE
12
Colmatage des drains et matériaux filtrants
12.1 INTRODUCTION
Il est désastreux de constater après l’installation de drains qu’ils sont colmatés et que l’investissement
est perdu. Le colmatage des drains est influencé par les caractéristiques du sol, du drain et les
conditions d’installation. Pour contrôler le colmatage des drains, il est important de comprendre les
phénomènes qui y sont associés. Les matériaux filtrants sont utilisés pour contrôler l’ensablement
des drains et il est nécessaire de les connaître et les conditions d’utilisation pour pouvoir faire des
recommandations adéquates.
12.2 TYPES DE COLMATAGES
Avant de décrire les phénomènes de colmatage des drains, il est important de connaître les formes et
les origines en terme terminologique.
Le colmatage des tuyaux de drainage peut revêtir deux formes :
Le colmatage externe est l’obstruction totale ou partielle des perforations et/ou la réduction de
la conductivité hydraulique du sol au voisinage du drain qui limitent la pénétration de l’eau dans
le drain. Le drain perd alors beaucoup de son efficacité hydraulique.
Le colmatage interne est l’obstruction totale ou partielle du drain par des particules de sol, des
racines ou des dépôts de nature chimiques ou biologiques. Ce colmatage amène une réduction
de la section hydraulique du tuyau et de sa capacité de transport.
L’origine du colmatage peut être unique ou mixte (combinant plusieurs causes). Les principales sont
:
Les colmatages minéraux : ils sont provoqués par la migration de particules minérales qui se
déposent dans le tuyau (colmatage interne) et/ou qui sont immobilisées dans la zone autour du

192 COLMATAGE DES DRAINS ET MATÉRIAUX FILTRANTS
drain. Ce dernier cas amène alors la formation d’une zone peu perméable (colmatage externe).
Ce colmatage peut survenir rapidement après la pose lors de la période de consolidation du sol
dans la tranchée près du drain. Il est alors appelé colmatage primaire. Il est principalement
le fait des mauvaises conditions d’installation où le sol est très humide ou saturé. Le colmatage
peut se produire dans les périodes subséquentes d’écoulement et il est alors appelé colmatage
secondaire. Ce dernier colmatage est principalement dû à la nature du sol. Le colmatage secondaire
des drains par des particules de sol est aussi appelé ensablement des drains. Il est la principale
forme de colmatage à laquelle les praticiens doivent faire face. Dans certains cas, l’ensablement
des drains peut se produire très rapidement voire dans l’année qui suit l’installation.
Les colmatages “physico -chimiques” et “biologiques” : ils sont dus aux modifications du
milieu induites par la pose des drains qui provoque la prolifération d’une microflore adaptée aux
nouvelles conditions et/ou à des dépôts résultant de transformations chimiques. Les colmatages
“ferriques” sont le type le plus répandu : ils combinent des dépôts d’oxyde de fer obstruant les
perforations et le développement d’un gel bactérien à l’intérieur du drain.
Les colmatages racinaires : ils sont dus à l’accumulation d’un chevelu racinaire dans le drain.
Ils se produisent principalement dans les situations de drains transportant l’eau provenant d’une
source. Le drain est alors un milieu privilégié pour l’attraction racinaire car il constitue une
réserve d’eau et d’air facilement utilisable. Les radicelles pénètrent dans le drain par les perforations
et lorsqu’elles meurent, elles créent des bouchons dans les tuyaux qui gênent alors l’écoulement
de l’eau.
12.3 PROCESSUS D’ENSABLEMENT
Le processus d’ensablement des drains commence lorsque les particules de sol sont arrachés et
emportés dans le drain par le mouvement de l’eau au travers des perforations. Pour comprendre le
phénomène, il est important d’analyser les forces que subit un volume élémentaire de sol à la surface
de suintement. Dans un premier temps, nous allons analyser le cas d’un volume élémentaire de sol
pulvérulent (figure 12.1). L’élément est soumis à la force de la gravité et à une force ascendante due
à l’écoulement. La force de gravité correspond au poids déjaugé (poids - poussée d’Archimède) :
F g = (γ s − γ e
) (1 − n) ∆x ∆y ∆z
[12.1]
F g
= Force gravitationnelle
γ s = Poids spécifique des particules de sol (g/cm 3 )
γ e = Poids spécifique des particules de l’eau (g/cm 3 )
n = porosité
La force due à l’écoulement est provoquée par la différence de potentiel ou gradient hydraulique :
F e = γ e
1 − 2
∆x ∆y = γ e 1 − 2
∆z
∆x ∆y ∆z = γ e i ∆x ∆y ∆z
[12.2]
F e = Force d’écoulement

PROCESSUS D’ENSABLEMENT
193
F écoulement
2
∆z
1
∆y
∆x
F gravité
Figure
12.1 Bilan des forces sur un élément soumis à un écoulement ascendant.
φ = Potentiel
i = 1 − 2
= gradient hydraulique
∆z
L’élément se soulèvera lorsque la force due à l’écoulement sera plus grande que la force de gravité et
ce phénomène est appelé “boulance” :
F e ≥ F g [12.3]
[12.4]
γ e i ≥ (γ s − γ e
) (1 − n))
Le gradient qui permet l’amorce du phénomène est appelé gradient critique (i c ):
i c ≥ γ s − γ e
γ e
(1 − n)
[12.5]
En supposant que les particules de sol ont un poids spécifique de 2,65 g/cm 3 et que les particules sont
des billes arrangées de la façon la plus compacte avec une porosité de 0,35, le gradient critique est
alors de 1,07. Dans le cas d’un sol idéal possédant une porosité de 0,50, le gradient critique est alors
de 0,83. Dans les sols pulvérulents, nous constatons que le gradient critique est de l’ordre de l’unité,
ce qui est très élevé.
Dans le cas d’un sol réel, les forces de cohésion et de friction doivent être considérées et elles sont
représentées par la résistance au cisaillement (τ) (figure 12.2) :
τ = F c + W sin θ f = F c + F f
[12.6]
τ = Résistance au cisaillement
F c = Force de cohésion
W
= Charge appliquée sur le sol
sin θ f = angle de friction ou coefficient de friction

194 COLMATAGE DES DRAINS ET MATÉRIAUX FILTRANTS
F f = Force de friction
(τ)
Force de cisaillement
Friction
Cohésion
sin θ f
CHARGE (W)
Figure
12.2 Résistance au cisaillement.
Nous allons analyser le cas d’une perforation située dans la partie inférieure du drain et une autre
située dans la partie supérieure (figure 12.3).
F écoulement
F cohésion
F friction
DRAIN
F cohésion
F gravité
F écoulement
F gravité
PERFORATION AU
BAS DU DRAIN
PERFORATION AU
HAUT DU DRAIN
Figure
12.3 Bilan des forces sur un élément de sol à l’entrée d’un perforation.
Pour une perforation au bas du drain, la force de friction est nulle (W = 0) et le bilan des forces donne :
F e ≥ F g + F c [12.7]
[12.8]
γ e i ≥ (γ s − γ e
) (1 − n)) + F c
[12.9]
i c ≥ γ s − γ e
γ e
(1 − n)) + F c
γ e

FORMATION DE PONTS
195
Pour une perforation au haut du drain, le bilan des forces donne :
F e ≥ F c + F f
− F g
[12.10]
La force de friction est causée par le poids de la colonne de sol au -dessus de l’élément. Le gradient
critique est :
i c ≥ F c
γ + W e γ sin θ e f − γ s − γ e
(1 − n))
γ e
[12.11]
Comme nous le voyon,s les forces de cohésion et de gravité essaient de contrer les forces d’écoulement
pour une perforation au bas du drain alors que les forces de cohésion et de friction moins la force
de gravité essaient de contrer les forces d’écoulement pour une perforation au haut du drain. Au haut
du drain, les forces de friction sont importantes compte tenu du poids de la colonne (W) de sol au -dessus
du drain.
12.4 FORMATION DE PONTS
La section précédente analysé les forces provoquant le mouvement d’un élément de sol dans une
situation de stabilité beaucoup après l’installation du drain. Dans la réalité, les particules de sol arraché
par le mouvement de l’eau seront emportées vers la perforation. Si la particule ou la motte est
beaucoup plus petite que la perforation, elle entrera facilement dans le drain. Par contre, si elle est de
la taille de la perforation ou plus grande, elle sera retenue par la perforation et il se créera un pont à
l’entrée de la perforation. Le pont empêchera les particules suivantes de pénétrer dans le drain. Ce
pont joue alors le rôle d’un filtre. La figure 12.4 de l’analyse micromorphologique de lames minces
de sol à l’interface avec le drain montre clairement la formation d’arches par des agrégats (petites
mottes de terre).
12.5 ASPECTS THÉORIQUES
L’analyse des résultats de recherche permet de décrire théoriquement les processus se produisant
suite à l’installation d’un drain. Après l’installation du drain, le drain est recouvert plus ou moins
rapidement par des mottes de sol qui laissent beaucoup de vides. Le processus de tassement du sol
débute lentement avec la déformation des mottes causée par la pression de la masse de sol au -dessus
de celles -ci. Le tassement est influencé par la consistance du sol et son niveau s’accroit avec le
temps. Lorsque l’eau commence à couler le long des mottes, elle brise tous liens de cohésion non
permanents et les mottes s’effritent. La gravité et les forces de l’écoulement emportent les mottes
brisées, les agrégats et les particules de sol vers les perforations du drain. Si les agrégats ou les mottes
sont de l’ordre de grandeur ou plus large que les perforations, elles vont former rapidement un pont
face à la perforation. Si les agrégats ou les particules sont plus petites que l’ouverture, elles entrerons
facilement dans le drain et le processus se poursuivra jusqu’à ce qu’un agrégats ou groupe de particule
ou d’agrégats de plus grande dimension vienne former un pont au -dessus de l’ouverture ou que

196 COLMATAGE DES DRAINS ET MATÉRIAUX FILTRANTS
Figure
12.4 Formation d’une arche par des petits agrégats et chemin préférentiel vers une
perforation (Gallaicahnd et al. , 1987).
le drain soit rempli. Si un pont se forme, tous les autres agrégats ou particules s’accumuleront derrière
le pont et le solidifieront. Lorsque ce processus, le haut du drain doit être considéré différemment
du bas du drain. Au haut du drain, le gradient hydraulique et la gravité s’additionne pour pousser
le sol dans les ondulations du drain face aux ouvertures. Au bas du drain, l’écoulement est vers le
haut et agit contre la gravité. Dans cette situation, la pression est nécessairement plus petite qu’au -
dessus du drain. Alors, le sol sera moins bien consolidé dans les ondulations sous le drain qu’au -dessus
du drain et les ponts seront plus difficile à bâtir et seront moins stables. Le sol plus lâche dans les
ondulations au bas du drain offre moins de résistance à l’écoulement et plus d’eau va entrer par les
perforations situées au bas du drain. Si la force de traction de l’eau sur les particules est suffisante
pour les soulever (phénomène de boulance), les particules entrerons en grande quantité dans le drain.
Le sol lâche dans les ondulations au bas du drain peut expliquer pourquoi il semble entrer plus de sol
par le bas du drain que par le haut. La formation de ponts amène à considérer un cas particulier : si un
agrégat ou une motte épouse exactement la forme de la perforation, celle -ci obstruera complètement
la perforation et l’eau ne pourra pénétrer dans le drain. Si cette situation est intéressante pour prévenir
l’ensablement des drains, elle l’est moins en terme de drainage.

ASPECTS THÉORIQUES
197
Lors de l’irrigation souterraine, l’écoulement de l’eau est inversée par rapport au drainage et il peut
alors fragiliser les ponts. Les particules de sol seront plus susceptibles d’entrer dans le drain lors des
périodes drainage subséquentes.
Figure
12.5 Évolution de la tranchée suite à l’installation d’un drain.

198 COLMATAGE DES DRAINS ET MATÉRIAUX FILTRANTS
12.6 PRÉDICTION DE LA SÉDIMENTATION
Très peu d’études ont essayé de prédire le niveau de sédimentation dans le drain.
La première est basée sur l’analyse granulométrique et l’analyse des agrégats sous tamisage dans
l’eau (Lagacé et Skaggs, 1984) :
ln(SED) = 12, 25 + 0, 038 AGR_1 − 0, 122 SM + 0, 144 lnAGR_25_50
− 0, 046 AGR_10_25 + 0, 502 lnAGR_100_200
− 0, 160 Argile − 0, 049 Sable − 2, 964 ln(Limon)
+ 0, 012 CU + 0, 046 Argile Larg
+ 0, 848 lnLimon Larg
[12.12]
SED = Épaisseur de sédiments (mm)
AGR_1 = Agrégats < 0,1 mm (%)
SM =Sable moyen (%)
AGR_25_50 = Agrégats [ 0,25 - 0,50 mm] (%)
AGR_10_25 = Agrégats [ 0,10 - 0,25 mm] (%)
AGR_100_200 = Agrégats [ 1,00 - 2,00 mm] (%)
Argile = Argile (%)
Sable =Sable (%)
Limon = Limon (%)
CU = Coefficient d’uniformité
Larg = Largeur des pertuis (mm)
Le coefficient de corrélation obtenu a été de 0,886 et la figure 11.6 présente la relation entre les épaisseurs
de sédiments prédites et observées pour les cas analysés.
En utilisant les résultats de plusieurs expériences Gallichand et Lagacé (1987) ont présenté une synthès
présentée à la figure x. Les résultats peuvent être représntés par l’équation suivante qui peut aider
à prédire le niveau de sédiments dans les sols pulvérulents :
CF HR + Fsol < 0, 5
[12.13]
CF = Coefficient = 1,0 (pertuis ronds), = 1,1 (pertuis rectangulaires)
HR = Rayon hydraulique des pertuis (mm)
Fsol = Facteur sol = 0,68 - (1,187 D60)

199
Figure
12.6 Relation entre les épaisseurs de sédiments prédites et observées (Lagacé et
Skaggs, 1985).
FRACTION
Broadhead, 1981
Broughton et al. 1982,
et Lagacé, 1983
Gallichand et Lagacé, 1987
Lagacé, 1983
Trafford et Mice, 1972
Wiiardson, 1979
Figure
CF HR + FSOIL (mm)
12.7 Prédiction de la fraction de sédiment occupant l’espace libre en utilisant différents
résultats de la littérature (adapté de Gallichand et Lagacé, 1988).

200
12.7 MEMBRANES GÉOTEXTILES
Il existe différentes catégories de membranes géotextiles.
12.7.1 Les membranes tissées
Les membranes tissées sont constituées de fibres orientées en deux directions perpendiculaires et qui
s’entrecroisent mutuellement. Comparativement aux autres méthodes de fabrication, le tissage
représente une méthode plus coûteuse, mais il a l’avantage de conduire à un produit ayant une structure
simple : la distribution de la taille des pores est jusqu à un certain point uniforme, simple et facile
à déterminer. D’autre part, la géométrie relativement simple des membranes tissées permet de relier
directement leurs propriétés mécaniques à celles des fibres.
Il faut noter cependant que les caractéristiques de contrainte des membranes tissées sont presque toujours
présentées en termes de direction de chaîne ou de trame, mais si les membranes sont soumises à
un effort dans une autre direction (diagonale), leurs propriétés sont considérablement modifiées.
Dans l’ensemble les membranes tissées offrent quand même des résistances moyennement fortes à
très fortes et possèdent aussi une structure de pores simples.
12.7.2 Les membranes tricotées
Alors que pour les membranes tissées les brins sont essentiellement rectilignes, les membranes tricotées
sont constituées par des boucles de fibres reliées par des segments linéaires. Ainsi, de par cette
structure, les membranes tricotées peuvent être soumises à des tensions dans une ou plusieurs directions
sans augmenter de façon significative l’effort sur les fibres.
Le procédé de tricotage a deux avantages sur le tissage. Il est moins cher et il offre la possibilité de
fabriquer des tubes.
Une des applications de ces tubes est leur utilisation comme filtres autour des drains agricoles.
12.7.3 Les membranes non tissées
On inclut dans ce groupe toutes les membranes qui ne sont ni tissées ni tricotées. Elles sont constituées
par des fibres reliées entre elles par différents procédés qui leur confèrent des propriétés particulières.
Dans l’ensemble, les membranes non tissées sont relativement bon marché et elles présentent des
résistances à l’effort allant de faible à moyennement forte. Elles ont également une très grande déformabilité.
Elles sont largement utilisées comme filtres, comme drains, comme agent séparateur ou
dans des travaux de renforcement léger.
12.7.4 Les membranes aiguillettées
L’aiguilletage est un procédé mécanique qui consiste à entremêler les filaments au moyen d’aiguilles,
ce qui confère une certaine résistance à la nappe obtenue. Pour obtenir une plus grande résistance,
on peut aussi superposer plusieurs nappes qui seront aiguillettées ensemble.

MEMBRANES GÉOTEXTILES
201
Les membranes aiguillettées sont épaisses comparativement à leur poids (85 à 90% de vide) et la
structure des pores est assez complexe. Ceci peut représenter un avantage en filtration.
12.7.5 Les membranes liées thermiquement
Les fibres sont liées entre elles par passage entre deux cylindres chauffés et sous une importante pression.
On obtient ainsi une soudure des filaments les uns aux autres aux points de contact. La membrane
formée est relativement mince ; la configuration et la dimension des pores sont indépendantes
de la contrainte appliquée à la membrane. Cependant, il arrive souvent que si la nappe de fibres est
chauffée suffisamment pour créer une liaison solide entre les fibres, il s’en suit une dégradation de
leurs propriétés mécaniques ainsi qu’une réduction de leur orientation.
12.7.6 Les membranes liées chimiquement
Ces membranes sont produites par imprégnation de la nappe de fibres avec une résine qui sert à les
lier ensemble. L’épaisseur et la structure de ces membranes sont intermédiaires entre les membranes
aiguillettées et celles liées thermiquement.
Cette méthode est cependant la plus coûteuse et, toutes choses égales d’ailleurs, les membranes liées
chimiquement ont moins de vide et une perméabilité plus faible.
12.7.7 Autres types
On peut également trouver des membranes fabriquées à l’aide d’une combinaison de ces techniques
de liaison. Ainsi, des membranes liées chimiquement sont souvent aiguillettées.
D’autre part, de nombreuses membranes sont produites en utilisant plus d’une technique de construction
et de liaison : par exemple. il est courant d’aiguilletter des fibres sur un support tissé.
Il apparaît donc qu’il existe une grande variété de membranes et il est également évident qu’on peut
en obtenir un éventail encore plus grand avec le développement de nouvelles techniques et de nouveaux
matériaux. Le domaine des caractéristiques de ces membranes est très étendu aussi bien du
point de vue des caractéristiques des pores que des propriétés mécaniques. Leur durée de vie peut
également être très différente. L’ingénieur devra donc reconnaître ces différences et choisir les membranes
qui conviennent le mieux pour chaque application particulière.

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