Brevet FR2490694A1 — publié le 19820326

PROCEDE ET DISPOSITIF D'EXTRACTION DE SéDIMENTS ET APPLICATIONS L'invention concerne un procédé et un dispositif d'extraction de sédiments dans une retenue liquide. Elle s'applique en particulier pour extraire des sédiments déposés dans la retente d' eau d'un barrage ou dans un décanteur ; elle peut également s'appliquer pour transporter un matériau pulvérulent. Par retenue liquide, on entend toute étendue de liquide au repos quels que soient les moyens de rétention, barrage, bassin, cuve, conteneur etc... Dans de nombreux domaines techniques, des matériaux solides pulvérulents sont transportés en suspension par un écoulement liquide et décantés dans une retenue d'eau soit involontairement (barrage ) soit volontairement (décanteur). Il est généralement nécessaire d'extraire ces matériaux décantés, qui seront désignés ci-après par sédiments, soit pour les éliminer, soit pour les récupérer à des fins diverses. On connaît actuellement plusieurs procédés pour réaliser cette extraction. Un premier procédé consiste à effectuer des dragages mécaniques ou une succion hydraulique et à déplacer le ou les points de dragage pour balayer toute la couche de sédiments. Ce procédé présente l'inconvénient d'être de mise en oeuvre longue et d'exiger des moyens techniques'onéreux et une main d'oeuvre importante. Un autre procédé consiste à vidanger la retenue d'eau ; un tel procédé présente le double inconvénient, d'une part, de rendre la retenue d'eau indisponible jusqu'à réalimentation ce qui est extrêmement grave dans le cas des barrages, d'autre part, de conduire à des mélanges solide-liquide à concentration peu élevée en solide, ce qui entraîne des problèmes d'élimination d'importantes quantités solide-liquide ou bien des problèmes de séparation de la phase solide. Un autre procédé utilisé dans le cas des barrages consiste à disposer des pièges à sédiments en travers de l'écoulement qui alimente le barrage, pour prélever en continu les sédiments en amont de la retenue d'eau. L'inconvénient essentiel de ce procédé réside dans sa faible efficacité, une proportion notable de sédiments(supéneureâ500/o) n'étant pas arrêtée ; de plus les sédiments piègés sont évacués au fur et à mesure de leur arrivée, dans un écoulement de dérivation à faible concentration en matériau solide, qui pose les problèmes évoqués ci-dessus. La présente invention se propose de remédier aux inconvénients sus-évoqués et d'indiquer un procédé d'extraction de sédiments qui, d'une part, n'exige que des moyens techniques et une main d'oeuvre réduits, d'autre part, n'entraîne pas un assèchement de la retenue ou une perte importante de liquide, enfin, conduise à des mélanges solide-liquide à concentration en solide beaucoup plus élevéeque dans les procédés antérieurs. Un objectif de l'invention est en particulier de permettre un rejet facile des sédiments et--le cas échéant, une séparation peu onéreuse de la phase solide. Un autre objectif de l'invention est de permet tre, dans certaines applications, d'assurer le transport de matériaux pulvérulents dans des conditions particulièrement écono moques A cet effet, le procédé conforme à l'invention pour extraire des sédiments déposés dans une retenue liquide consiste à disposer dans la retenue au moins un conduit comportant une entrée de liquide, une sortie de suspension et un tron çon actif d'aspiration des sédiments doté d'au moins une ouverture différente des entrée et sortie, à positionner ledit con duit de fa on ue son tronçon actif se trouve noyé dans les sé /son /orientées/ diments avec/ses ouvertures/s-ers le bas, et à engendrer un écoulement de liquide entre l'entrée du conduit et la sortie de celui-ci de façon à créer une aspiration de sédiments à travers les ouvertures du tronçon actif. Il est à noter que par "ouverture orientée vers le bas" on entend une ouverture dont la normale est située dans un secteur angulaire de + 900 de part et d'autre de la verticale descendante ; cette ouverture peut donc à la limite être située dans un plan vertical. De préférence, on utilise un conduit de section sensiblement circulaire et les ouvertures de celui-ci sont disposées dans un secteur angulaire s'étendant sur + 250 de part et d'autre de la verticale descendante. La géométrie du conduit utilisé évite que les sédiments tombent par gravité dans le conduit et l'obstruent en l'absence d'écoulement, le conduit se trouve donc vide de matériaux solides. L'écoulement est en particulier engendré en positionnant la sortie du conduit au-dessous de la surface libre du liquide de la retenue à un niveau adapté pour créer une cnar- ge hydraulique appropriée dans le conduit. Lorsque l'écoulement est amorcé dans le conduit, la pression statique s'abaisse à l'intérieur du tronçon actif de celui-ci, créant à travers les ouvertures et le milieu sédimentaire un courant d'infiltration qui, à partir d'un certain débit d'écoulement, entraîne les particules à l'intérieur du tronçon actif. Ce courant d'infiltration contenant les particules solides des sédiments en suspension provoque une augmentation de la perte de charge a' l'intérieur du tronçon actif et, en conséquence tend à abaisser encore la pression statique dans celui-ci et à augmenter le phénomène d'aspiration à travers les ouvertures. On obtient ainsi une forte aspiration des particules solides qui viennent se mélanger à l'écoulement dans le conduit et sont entraînées en suspension à concentration relativement élevée. Le tronçon actif du conduit est avantageusement prévu de forme allongée et positionné selon une direction horizontale ou proche de l'horizontale. Dans un tel conduit, le débit du courant d'infiltration de même que le phénomène d'aspiration à travers les ouvertures tendent à s accroître de l'amont vers l'aval du tronçon actif en raison de l'augmentation de la perte de charge le long de ce tronçon actif et de l'abaissement conséquent de la pression statique. Selon une caractéristique importante du procédé de l'invention, pour obtenir une aspiration à peu près uniforme des sédiments le long du tronçon actif, on prévoit comme ouverture, des fentes longitudinales de largeur croissante depuis l'amont vers l'aval. Ainsi, la largeur plus importante des fentes situées vers l'aval compense l'effet d'augmentation du débit d'infiltration le long du conduit, en réduisant la vitesse de passage des particules et du courant d'infiltration à travers les ouvertures. Notons que cette compensation peut être réalisée par d'autres moyens et en particulier par une section du tronçon actif de dimensions croissantes de l'amont vers l'aval ; le moyen décrit plus haut présente toutefois l'avantage de conduire à une réalisation technique plus simple. Les expéri m entations ont montré que le processus d'aspiration n'était effectif qu'à partir d'une valeur minimum du débit d'écoulement dans le conduit et que, au-delà d'une limite supérieurede ce débit, le flux de sédiment s'approchait d'un maximum et tendait à devenir constant quelle que soit l'augmentation du débit d'écoulement. Un mode de mise en oeuvre du procédé consiste, dans ces conditions, à assurer une régulation du débit d'écoulement de façon à l'ajuster à une valeur intermédiaire entre la valeur minimum et la limite supérieure sus-évoquées. Cette valeur intermédiaire peut être optimalisée, dans chaque-application, en vue d'atteindre une concentration maximale de solide dans le liquide, soit par tâtonnements expérimentaux, soit par simulation mathématique permettant de calculer la valeur optimale en fonction des paramètres de l'application. Cette régulation peut en particulier être assurée en engendrant une perte de charge réglable au niveau de l'entrée ou de la sortie du conduit. L'invention peut être appliquée pour extraire les sédiments qui se déposent dans la retenue d'eau d'un barrage le ou les conduits étant mis en place une fois pour toute, le procédé est mis en oeuvre de temps à autres au terme de périodes de sedimentation où ce ou ces conduits ont été noyés dans les sédiments. Dans le cas d'une retenue de dimension transversale importante, en particulier supérieure à plusieurs dizaines de fois le diamètre d'un conduit, l'on utilise une pluralité de conduits dont les tronçons actifs forment un réseau en parallèle, ce réseau étant relié à un collecteur général de sortie de la suspension. Le procédé de l'invention peut également être appliqué pour transporter un matériau pulvérulent vers un lieu de destination éloigné de son lieu de stockage. Le procédé consiste alors à disposer ledit matériau dans une retenue d'eau fau sens large), à laisser décanter celui-ci pour former un sé diment au fond de la retenue, à mettre en oeuvre le procédé précédemment décrit pour extraire ledit sédiment et le mettre en suspension dans un flux liquide et à amener ce flux à circuler vers le lieu de destination. L'invention s'étend à un dispositif d'extraction adapté pour la mise en oeuvre du procédé défini plus haut. Ce dispositif comprend essentiellement au moins un conduit composé d'un tronçon actif longiforme percé d'ouvertures s'étendant le long dudit tronçon sur un même secteur de sa périphérie, d'une entrée située d'un côté du tronçon actif et s'ouvrant à une distance déterminée à l'opposé du secteur contenant les ouvertures dudit tronçon, et d'une sortie située de l'autre côté du tronçon actif. Selon un mode de réalisation préféré, les ouvertures du conduit se présentent sous la forme de fentes longitudinales, de largeur croissante depuis l'entrée jusque vers la sortie dudit conduit et celui-ci comprend des moyens de génération d'une perte de charge réglable, montés sur son entrée ou sur sa sortie. Selon une autre caractéristique du dispositif conforme à l'invention, celui-ci peut comprendre plusieurs conduits dont les tronçons actifs sont disposés en parallèle pour former un réseau relié à un collecteur général de sortie. La description qui suit, en référence aux dessins annexés, présente à titre non limitatif, des modes de réalisation de l'invention et des exemples de mise en oeuvre conduits sur une installation pilote de simulation ; sur ces dessins - la figure 1 est une coupe schématique longitudinale d'une retenue d'eau équipée d'un dispositif conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue partielle de dessous d'un tronçon actif de conduit, - la figure 3 est une coupe transversale de ce tronçon actif, - les figures 4 et 5 illustrent en coupes transversales d'autres modes de réalisation du dispositif, - les figures 6 et 7 sont des diagrammes illustrant les résultats des expérimentations visées aux exemples 1, 2 et 3. La figure 1 schématise la retenue d'eau R d'un barrage, la surface libre de l'eau étant à un niveau désigné par Ns Conformément à l'invention, préalablement au dépôt de sédiments (que l'on aperçoit en S à cette figure), l'on met en place dans la retenue un dispositif formé dans le cas simple visé en l'exemple, par un conduit de section circulaire composé d'une entrée 1 de forme évasée, d'un tronçon actif longiforme 2 et d'une sortie 3 dotée d'une vanne 4 de réglage de la perte de charge. Le tronçon actif 2 s'étend selon une direction à peu près horizontale dans la retenue à un niveau inférieur au niveau maximum admissible N M de sédiments dans la retenue. Ce tronçon actif 2 comporte le long de sa génératrice inférieure X une pluralité de fentes longitudinales 5. Ces fentes 5 sont agencées comme le présente en vue de dessous la figure 2 et ont une largeur croissante depuis l'amont du tronçon (côté entrée 1) jusque vers l'aval (côté sortie 3). L'entrée 1 forme après un coude ascendant un divergent qui s'ouvre dans la retenue à un niveau Ni intermédiaire entre le niveau maximum admissible NM de sédiments et le niveau le liquide dans la retenue ( ~ représenté en Ns sur les figures). On est ainsi assuré, quel que soit l'état de sédimentation que cette entrée 1 s'ouvre à l'intérieur de la masse liquide. La sortie 3 du conduit est disposée à l'extérieur de la retenue au-dessous du niveau N5 de la surface libre de l'eau, à un niveau N B approprié pour créer une charge au moins égale à celle exigée pour obtenir le débit le plus élevé nécessaire dans le conduit ; cette charge peut être modulée au moyen de la vanne 4 pour ajuster lors des extractions la charge effective qui s'applique. Pendant les périodes de sédimentation, la vanne 4 est fermée et le conduit n'est le siège d'aucun écoulement. Le niveau des sédiments monte peu à peu et recouvre le tron çon actif 2 ; toutefois, compte-tenu de la position des ouvertures, il n'y a pas ou pratiquement pas de pénétration de sédiments dans celui-ci. Lorsque le niveau de sédiments a atteint le ni veau maximum admissible NM, la vanne 4 est ouverte et réglée de façon à introduire une perte de charge telle que la concentration en matériau solide de l'écoulement apparaissant à la sortie 3 soit maximale. Cette valeur optimale qui correspond donc à l'extraction de la quantité maximum de solide au moyen de ;La quantité minimum d'eau, peut être fournie par des essais et mesures préalables ou être calculée par simulation sur un modèle mathématique. Notons que la largeur croissante des fentes 5 est une caractéristique importante pour obtenir une extraction à peu près uniforme sur toute la longueur du tronçon actif 2. Lorsque~-le niveau de sédiment s'abaisse au-dessous du niveau des fentes 5 du tronçon actif, la valeur de la pression statique remonte dans celui-ci et l'aspiration de matériau solide deviertnégligeable. Pour éviter une baisse finale de la concentratign en solide de l'écoulement, on ferme la vanne 4 au momentles sédiments atteignent le niveau des fentes. Le processus d'extraction est à nouveau mis en route après une nouvelle période de sédimentation en ouvrant la vanne 4. Le cas échéant, les fentes 5 du tronçon actif du conduit peuvent avoir un agencement différent de celui décrit ci-dessus. Comme l'illustre la figure 4, en pratique pour un tronçon actif de section circulaire, ces fentes seront de préférence agencées dans un secteur angulaire T s'étendant sur un angle égal à environ 25 , de part et d'autre de la verticale descendante . De plus, il est possible comme le montre la figure 4, de prévoir deux séries de fente longitudinales symétriques par rapport à la verticale V et situées de part et d'autre ,/d'un/ de cette verticale autour d'axes incliné7 angle 4 par rapport à la verticale ; des valeurs de l'ordre de 150 pour cet angle ont donné de bons résultats dans de nombreux essais. Dans le cas de retenue d'eau comportant de larges plages de sédimentation, on dispose sur celles-ci plusieurs conduits tels que ci-dessus décrit (Fig. 5) ; les tronçons actifs 2a, 2b, 2c#. de ces conduits sont agencés pour former un réseau parallèle couvrant toute l'étendue des sédiments. Ils présentent des entrées individuelles et sont réunis à un collec teur de sortie commun tel que schématisé en 6. Les tronçons actifs de ces conduits sont écartés de sorte que leur zone d'influence se recouvre en bordure de façon à obtenir une extraction à peu près uniforme. Notons que la largeur de cette zone dépend de la nature des sédiments et notamment de la pente naturelle de talus sous l'eau e ceux cit Les exemples ci-après illustrent les conditions de fonctionnement d'un dispositif du type décrit ci-dessus. EXEMPLE 1 Les manipulations relatives à cet exemple ont été menées au moyen d'une retenue d'eau, constituée par une cuve parallélipipédique de 8 m de longueur, 0,30 m de large et 0,60 m de hauteur. Un conduit unique a été disposé dans cette cuve dans les conditions suivantes - tronçon actif de section circulaire et de dia mètre égal à : 4 cm, - longueur du tronçon actif : 135 cm - nombre de fentes : 9 - longueur des fentes : 12,5 cm - largeur des fentes, identiques et égalesà0,6cm, - hauteur de l'axe du tronçon actif : 11 cm du fond de la cuve, - hauteur de l'orifice d'entrée : 55 cm au-dessus du fond, - hauteur de l'orifice de sortie : 15 cm au-des sous du fond, - hauteur initiale de sédiment : 29 cm au-dessus du fond, - nature du sédiment : sable de granulométrie moyenne égale à 0,5 mm, - hauteur d'eau dans la cuve : 60 cm (cuve plei ne à rabord, alimentée de façon continue. La régulation est effectuée à l'aide d'une cloison percée d'un orifice calibré, disposée à la sortie du conduit ; la section de passage de cet orifice présentait un diamètre de 20 mm dans le cas du présent exemple. La courbe A de la figure 6 donne en kilogramme la quantité cumulée de sédiment#extraite fonction du temps. Il est à noter que la quantité de sédiments récupérée au bout de 5 minutes est de l'ordre de 50 CsÓ de la quantité totale disposée au début. Au terme de ce laps de temps, la surface des sédiments est de forme inclinée et leur niveau (plus bas dans la partie aval du conduit) passe au-dessous du niveau des fentes du conduit de sorte que l'efficacité du procédé décroit, la concentration en solide de l'écoulement dans le conduit devenant faible, EXEMPLE 2 Cet exemple a été conduit dans les mêmes conditions que l'exemple 1, mais le débit d'écoulement a été amené à varier en changeant la section des orifices calibrés de sortie au cours d'expérimentations successives. On a tracé la courbe B de la figure 7 donnant la concentration en solide de l'écoulement en gramme par litre en fonction du débit de cet écoulement en litre par seconde. On constate que la valeur minimum du débit à partir de laquelle le phénomène s'amorce, est dans ce cas de l'ordre de 0,6 litre/s ; la concentration passe par un maximum pour une valeur du débit de l'ordre de 1,35 litre/s. En pratique, il convient de se placer autour de cette valeur ; notons que la concentration maximum (-#l0(g/l > est très supérieure à celle obtenue avec les pièges à sédiments classiques. EXEMPLE 3 Cet exemple a été conduit dans les mêmes conditions que l'exemple 2 en utilisant des sédiments constitués par de la calcite de granulométrie moyenne égale à 0,37 mm. La courbe C de la figure 7 donne la concentration de l'écoulement en fonction du débit. EXEMPLE 4 Cet exemple a été menéavec-delacalcite identique à celle de l'exemple 3 mais en employant un conduit dont les 9 fentes présentaient une largeur régulièrement croissante de l'amont vers l'aval, depuis 0,6 cm de largeur jusqu'à 1,4 cm. Dans ces conditions, les sédiments ont pu être aspirés de façon sensiblement uniforme sur la longueur totale du tronçon actif du conduit, la surface supérieure des sédivents demeurant à peu près horizontale. Tous les sédiments situés au-dessus du plan contenant les fentes ont ainsi été évacués en 15 minutes environ. REVENDICATIONS 1/ - Procédé d'extraction de sédiments déposés dans une retenue liquide, caractérisé en ce qu'il consiste à disposer dans la retenue au moins un conduit comportant une entrée de liquide (1), une sortie de suspension (3) et un tron çon actif d'aspiration des sédiments (2) doté d'au moins une ouverture (5) différente des entrée et sortie, à positionner ledit conduit de façon que son tronçon actif (2) se trouve noyé dans les sédiments avec ses ouvertures (5) orientées vers le bas et à engendrer un écoulement de liquide entre l'entrée (1) du conduit et la sortie (3) de celui-ci, de façon à créer une aspiration de sédiments à travers les ouvertures (5) du tronçon actif. 2/ - Procédé d'extraction selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on engendre l'écoulement en positionnant la sortie (3) du conduit à l'extérieur de la retenue à un niveau approprié au-dessous du niveau de la surface libre du liquide de la retenue. 3/ - Procédé d'extraction selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on utilise un conduit dont le tronçon actif (2) est longiforme, ce tronçon actif étant positionné dans la retenue selon une direction horizontale ou proche de l'horizontale. 4/ - Procédé d'extraction selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on utilise un conduit dont le tronçon actif (2) est doté d'ouvertures (5) constituées par une ou des fentes s'étendant longitudinalement le long dudit tron çon. 5/ - Procédé d'extraction selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on utilise un conduit dont le tronçon actif (2) est doté de fentes longitudinales (5) de largeur croissante depuis l'amont du tronçon (situé du côté de l'entrée) jusque vers l'aval de celui-ci (situé du côté de la sortie). 6/ - Procédé d'extraction selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que l'on utilise un conduit de section sensiblement circulaire, les ouvertures (5) du tronçon actif (2) étant disposées dans un secteur angulaire s'étendant sur + 250 de part et d'autre de la verti cale descendante (V). 7/ - Procédé d'extraction selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que l'on assure une régulation du débit de l'écoulement dans le conduit de façon à régler ce débit entre une valeur minimum où l~aspira- tion de sédiment s'amorce et une limite supérieure à partir de laquelle le flux de sédiment s'approche d'un maximum et tend à devenir constant. 8/ - Procédé d'extraction selon la revendication 7, caractérisé en ce que la régulation du débit de l'écoulement est assuré en engendrant une perte de charge réglable au niveau de l'entrée (1) ou de la sortie (3) du conduit. 9/ - Procédé d'extraction selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, caractérisé en ce que le ou les conduits sont disposés dans la retenue préalablement au dépôt de sédiment de sorte que leur tronçon actif (2) soit situé à un niveau inférieur au niveau maximum admissible de sédiments dans la retenue (nom), l'entrée (1) et/ou la sortie (3) du conduit étant obturés pendant la période de dépôt de sédiments, l'écoulement étant produit dans le conduit au terme d'une période de sédimentation par ouverture de l'entrée (1) et/ou de la sortie (3) du ou des conduits. 10/ - Procédé d'extraction selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'entrée (1) de chaque conduit est disposée à un niveau (Ni) intermédiaire entre le niveau maximum admissible de sédiments (NM) et le niveau de liquide dans la retenue (nu). 11/ - Procédé selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10 pour extraire les sédiments dans une retenue de dimension transversale supérieure à plusieurs dizaines de fois le diamètre du conduit, caractérisé en ce que l'on utilise une pluralité de conduits dont les tron çons actifs (2a, 2b, 2c) forment un réseau en parallèle, ce réseau étant relié à un collecteur général de sortie de la suspension (6). 12/ - Application du procédé conforme à l'une des revendications précédentes pour transporter un matériau pulvérulent vers un lieu de destination, caractérisée en ce que l'on dispose ledit matériau dans une retenue d'eau où on le laisse décanter pour former un sédiment au fond de celle-ci, on met en oeuvre le procédé conforme à l'invention pour extraire ledit sédiment et le mettre en suspension dans un flux liquide et on amène ce flux liquide à circuler vers le lieu de destination. 13/ - Dispositif d'extraction de sédiment pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend, au moins un conduit composé d'un tronçon actif longiforme (2) percé d'ouvertures (5) s'étendant le long dudit tronçon sur un même secteur de sa périphérie, d'une entrée (1) située d'un côté du tronçon actif (2) et s'ouvrant à une distance déterminée à l'opposé du secteur contenant les ouvertures (5) dudit tronçon, et d'une sortie (3) située de l'autre côté du tronçon actif (2). 14/ - Dispositif d'extraction selon la revendication 13, caractérisé en ce que les ouvertures du conduit se présentent sous la forme de fentes longitudinales (5), de largeur croissante depuis l'entrée (l) jusque vers la sortie (3) dudit conduit 15/ - Dispositif d'extraction selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce qu il comprend des moyens de génération d'une perte de charge réglable (4), montés sur son entrée (1) ou sur sa sortie (3). 16/ - Dispositif d'extraction selon l'une des revendications 13, 14 ou 15, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs conduits, dont les tronçons actifs (2a, 2b, 2c) sont disposés en parallèles pour former un réseau relié à un collecteur général de sortie (6).