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Timestamp: 2018-02-24 05:22:58+00:00
Document Index: 62408905

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Guide méthodologique pour le suivi des tassements des Centres de Stockage de Classe II (Déchets ménagers et assimilés) Direction Déchets et Sols - PDF
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1 Gude méthodologque pour le suv des tassements des Centres de Stockage de Classe II (Déchets ménagers et assmlés) Drecton Déchets et Sols Agence de l Envronnement et de la Maîtrse de l Energe
2 Illustraton de couverture : photographe ANTEA Comment se procurer ce Gude? Par téléchargement (verson Acrobat pdf couleur) : Sur le ste web de l Ademe : Sur le ste web du Lrgm : www-lrgm.ujf-grenoble.fr/events/events.html ADEME Edtons, Angers 25. Toute représentaton ou reproducton ntégrale ou partelle fate sans le consentement de l auteur ou de ses ayants drots ou ayants cause est llcte selon le Code de la proprété ntellectuelle (Art. L 122-4) et consttue une contrefaçon réprmée par le Code pénal. Seules sont autorsées (Art. L 122-5) les copes ou reproductons strctement réservées à l usage prvé du copste et non destnées à une utlsaton collectve, ans que les analyses et courtes ctatons justfées par le caractère crtque, pédagogque ou d nformaton de l œuvre à laquelle elles sont ncorporées, sous réserve toutefos, du respect des dspostons des artcles L à L du même Code, relatves à la reproducton par reprographe.
3 Sommare Auteur, comtés de plotage et de relecture, Abrévatons 2 Contexte et objectfs de ce gude 3 Evaluer les tassements : quels enjeux? 3 1. Déchets et tassements : que faut-l savor? Quelle est la nature des déchets concernés par ce gude? Influence de la mse en œuvre du déchet sur son état ntal Ve d un caser de stockage de déchet Tassements des déchets : quels mécansmes, quels effets? Tassements dfférentels Evoluton de la densté des déchets sous l effet des tassements Mesure des tassements d un massf de déchet Introducton Suv topographque de surface Instrumentaton de surface avec repères fxes Instrumentaton de surface sans repère fxe Blan comparatf des technques de suv topographque de surface Instrumentaton nterne des tassements Organsaton pratque des campagnes topographques Estmaton de la densté des déchets Synthèse des essas de reconnassance dans les déchets Prédcton des tassements des déchets Prédcton des tassements des déchets : adapter la démarche à l objectf Hstorque de la modélsaton des tassements Modèle Incrémental de Prédcton des Tassements (modèle ISPM) Présentaton du modèle ISPM Applcaton du modèle ISPM par analyse drecte (au stade de l avant-projet) Applcaton du modèle ISPM par analyse nverse (calbraton à partr de mesures de terran) Concluson et perspectves d applcaton du modèle ISPM Concluson sur la prédcton des tassements Accélératon des tassements et de la stablsaton mécanque des déchets Prétratement bo-mécanque Recrculaton des lxvats ( boréacteurs ) Consoldaton par chargement statque ou dynamque Contrôle des tassements dfférentels Evaluaton des tassements dfférentels Dspostons constructves en len avec les couvertures de stockage Tassements des déchets au vosnage des talus Quel rsque de rupture à long terme pour un tumulus de déchet? Analyse des déformatons 3D au vosnage des talus Dspostons sécurtares en len avec les nstabltés de talus Concluson générale 45 Bblographe 47 Index 49 Annexe 1 : Questonnare relatf à l applcaton du modèle ISPM 5 Annexe 2 : Prédcton des tassements des déchets par méthode graphque : applcaton aux stes orphelns Annexe 3 : Algorthme du modèle ISPM à l attenton des bureaux d étude 55 Page 53 1
4 Auteur, comtés de plotage et de relecture Ce gude a été réalsé par Franck OLIVIER, chargé de recherche dans le cadre d un Post-Doctorat ADEME - CREED au laboratore LIRIGM (Unversté Joseph Fourer - Grenoble I). Comté de plotage de l étude : - Jean-Perre GOURC, LIRIGM - Isabelle HEBE et Olga KERGARAVAT, ADEME - Thomas LAGIER et Nathale SKHIRI, CREED - Franck OLIVIER, ADEME - CREED Comté de relecture : - Therry GISBERT, ARCADIS - Jean-Claude GOUMAND, GEOLIA - Domnque GUYONNET, BRGM - Vncent MILANOV, FAIRTEC L ADEME et le Comté de plotage remercent tout partculèrement les personnes contactées dans le cadre de cette étude. Abrévatons BMP : Prétratement bo-mécanque (acronyme de Bo-mechancal pretreatment ) BRGM : Bureau de Recherches Géologques et Mnères CSD : Centre de Stockage de Déchets DIB : Déchets Industrels Banals DRIRE : Drecton Régonale de l Industre, la Recherche et l Envronnement GPS : Système de postonnement terrestre (acronyme de Global Postonng System ) ISPM : Modèle Incrémental de Prédcton des Tassements (acronyme de Incremental Settlement Predcton Model ) LIRIGM : Laboratore Interdscplnare de Recherche Implquant la Géologe et la Mécanque OM : Ordures Ménagères PEHD : PolyEthylène Haute Densté STEP : STaton d EPuraton 2
5 Contexte et objectfs de ce gude L étude méthodologque que nous présentons c s ntègre dans le cadre plus large des programmes de recherche plurdscplnares ntés par l ADEME sur la thématque du stockage des déchets ménagers et assmlés (Classe II). Elle s appue sur les travaux réalsés au laboratore Lrgm (Unversté Joseph Fourer Grenoble I) dans le cadre de deux thèses de doctorat ADEME ( ) effectuées en partenarat avec deux explotants de Centres de Stockage de Déchets (CSD) (Onyx Creed et Sta) et un bureau d études et d ngénere (Arcads) : Thomas, S. (2) Centres de Stockage de Déchets - Géomécanque des déchets et de leur couverture. Thèse de doctorat, Laboratore Lrgm, Unversté de Grenoble, 327 p. Olver, F. (23) Tassement des déchets en CSD de classe II : du ste au modèle. Thèse de doctorat, Laboratore Lrgm, Unversté de Grenoble, 334 p. (téléchargeable sur www-lrgm.ujfgrenoble.fr/laboratore/personnel/folver.html). Ce manuel fat sute et complète le «Gude pour le dmensonnement et la mse en œuvre des couvertures de stes de stockage de déchets ménagers et assmlés» (ADEME- BRGM, 21). S adressant en prorté aux explotants de CSD et aux bureaux d étude, l se fxe pour objectf : - d llustrer les enjeux du contrôle et de la prédcton des tassements des déchets sur stes ; - de mettre à dsposton des explotants des outls méthodologques relatfs à la mesure des tassements et la mse en valeur des données de terran ; - d apporter enfn des éléments permettant d orenter le suv des CSD dans le sens d une melleure antcpaton des tassements à long terme. Evaluer les tassements : quels enjeux? Les CSD devennent des ouvrages de plus en plus technques au sen desquels nteragssent des matéraux naturels (argle, sable), artfcels (géosynthétques) et des déchets dont le comportement est varable à la fos dans le temps et dans l espace. Ces nteractons restent dffcles à évaluer car, s l on appréhende relatvement ben le comportement des argles ou des géosynthétques en condtons normales, le comportement des déchets, par leur hétérogénété et leur caractère évolutf, est encore marqué par un grand nombre d nconnues. Les enjeux lés au contrôle et à la prédcton des tassements sont mportants. S agssant des nouveaux stes ouverts, ceux-c sont à la fos : d ordre sécurtare et envronnemental : optmsaton de la pose de la couverture, pérennté des couvertures sous l effet des tassements (notamment dfférentels), effcacté du captage des bogaz, stablté des talus, etc.; d ordre économque : détermnaton de la hauteur de déchet fnale, prévson de la capacté de stockage correspondante et optmsaton de la durée d explotaton. S agssant des nombreux stes ancens (quelque 3 décharges brutes en voe de réhabltaton), la maîtrse des tassements, ben que plus complexe que pour des stes récents, est tout auss prmordale dans la perspectve d une réhabltaton ou d une requalfcaton de ces stes. Se pose notamment le problème de la stablsaton mécanque des déchets, foncton de leur état de dégradaton bologque et chmque. 3
6 1. Déchets et tassements : que faut-l savor? 1.1. Quelle est la nature des déchets concernés par ce gude? Le mot déchet est un terme générque désgnant des types de matéraux d orgne et de composton très varables. La composton des déchets vare en effet dans le temps et d une régon à l autre en foncton du degré de développement et d urbansaton et du système de collecte. Les matéraux désgnés dans ce gude par le terme déchet ncluent les déchets ménagers bruts, résduels ou tratés (OM, refus de tr, encombrants, boues, mâchefers non recyclables, etc.) et les déchets assmlables aux déchets ménagers tels que les Déchets Industrels Banals (DIB) ou encore les Déchets Verts (DV). Composton physque du déchet Le déchet est un mleu consttué de tros phases solde, lqude et gazeuse en proportons varables. La phase solde, consdérée comme nerte et non déformable pour les sols, comprend dans le cas des déchets un mélange de matère nerte, de matère déformable et de matère dégradable. La phase lqude, quant à elle, est composée de résdus provenant de la décomposton des déchets organques et d eau de percolaton ssue des précptatons. La phase gazeuse enfn est composée d ar et de gaz ssus de la décomposton de la matère organque. Le mélange des phases lqudes et gazeuses contrbue à rendre le comportement du déchet complexe (condtons non saturées). Granulométre du déchet La dstrbuton granulométrque du déchet joue un rôle mportant dans l évoluton des tassements dans la mesure où, comme pour les sols, elle nflue sur la densté à la mse en place. Elle est étrotement dépendante de la composton du déchet et de son éventuel prétratement (tr, broyage, maturaton) avant stockage. Aux deux extrémtés de l échelle, on trouve les fnes de crblages dont la talle n excède pas quelques mllmètres et les monstres ou encombrants très volumneux (électro-ménager, mobler, etc.) qu peuvent dépasser 1 m. Le rapport entre la talle des éléments fns et celle des éléments grossers se tradut par conséquent par une gamme très étendue : de 1 à 1 en moyenne. Classfcaton du déchet D un pont de vue purement mécanque, on peut classer les déchets d après deux catégores de comportement sol et non-sol. La premère catégore rassemble les déchets ayant un comportement mécanque assmlable dans ses grandes lgnes à celu d un sol (débrs de matéraux de constructon, verre, cendres, mâchefers) tands que la seconde regroupe des matéraux dont la nature et la structure ne peuvent être assmlées à celle d un sol (déchets putrescbles, nappes plastques, boues, encombrants, etc.). S l on observe au contrare les déchets suvant un crtère bologque, l a été proposé de caractérser les déchets organques en foncton de leur seule vtesse de dégradaton à partr des tros classes suvantes : déchets rapdement dégradables : déchets verts, fruts et légumes, matères anmales, etc. déchets assez rapdement dégradables : boues, grasses, etc. déchets lentement dégradables : paper, carton, bos, etc. 4
7 Une trosème classfcaton présente l avantage de consdérer le déchet à la fos suvant les angles mécanque et bologque (Grsola et al., 1995). Les consttuants du déchet sont séparés là encore en tros catégores : éléments nertes : matéraux ne voyant pas leur composton varer au cours du temps et dont la résstance à la déformaton est élevée. Cette catégore nclut les partcules de sol mas auss les gravats, le verre, les céramques, les métaux, les plastques durs et auss le bos. éléments déformables : papers, plastques en feulles, textles, caoutchouc, canettes et boîtes de conserve almentare, etc. Lorsqu ls sont soums à un chargement, ces matéraux tendent à tasser nstantanément du fat des vdes mportants caractérsant leur arrangement ntal. De plus, certans d entre eux contnuent à se déformer dans le temps sous charge constante. éléments dégradables : cette classe d éléments encore appelés putrescbles regroupe les matéraux évoluant rapdement en terme de composton et de consstance. C est le cas notamment des déchets almentares et des végétaux. La dégradaton de ces substances ndut des changements profonds dans la structure du matérau et s accompagne d une réducton du volume total occupé. La classfcaton de Grsola et al. (1995) s accompagne d une représentaton sous la forme d un dagramme trangulare permettant de comparer asément la composton de déchets ssus de stes et de régons du monde dfférentes (Fgure 1). gravats verre métaux céramque Tassement fable plastque textle caoutchouc Tassement à court terme prédomnant Brésl Hong-Kong France Dégradables alments déchets verts boues Tassement à long terme prédomnant Fgure 1. Représentaton de tros déchets dans le dagramme trangulare dérvé de Grsola. Evoluton du déchet en foncton de la surcharge et du temps Ben que sédusante, la classfcaton précédente ne rend cependant pas compte des changements d état (et donc de caractérstques) s opérant en foncton de l évoluton de la surcharge et du temps (Fgure 2). Ben qu ntalement ncompressbles, certans encombrants ménagers peuvent devenr compressbles sous l effet de surcharges mportantes. Auss, le bos passe progressvement d un état nerte à un état compressble au cours de sa dégradaton. De manère générale, les éléments subssant une dégradaton (physque ou bochmque) voent leur comportement mécanque évoluer jusqu au stade ultme de consttuants nertes dont le comportement équvaut n fne à celu d un sol. Cec s accompagne d une réducton de la talle des éléments consttutfs. 5
8 Déchet plus ancen sous surcharge moyenne à élevée Déchet jeune sous fable surcharge Déchets Fgure 2. Compresson d une couche de déchet au cours du remplssage d un caser de stockage. A tout nstant, le déchet pourra être caractérsé par un certan nombre de paramètres physques, notamment sa masse volumque (masse de matère par unté de volume), sa teneur en eau (masse d eau présente dans le déchet avant ou après stockage rapportée à la masse ntale du déchet juste avant stockage), sa porosté (volume des vdes rapporté au volume total du déchet) et sa perméablté (auss appelée conductvté hydraulque). Pour plus de détals, on se reportera à la thèse de Olver (23) www-lrgm.ujf-grenoble.fr/laboratore/personnel/folver.html (Chap 2) Influence de la mse en œuvre du déchet sur son état ntal La mse en œuvre du déchet sur ste consste d abord à étaler celu-c (après déversement). Vngt ans en arrère, le déchet état régulèrement dsposé par couches de 1 à 3 m fablement compactées, emplées sur la hauteur (ou la m-hauteur) du caser de stockage en avançant progressvement le front du dépôt (Fgure 3). Cette technque dte à peau d ognon avat pour avantage de lmter les envols et les nfltratons d eau dans le déchet. Technque à peau d ognon Technque moderne Fgure 3. Technques d étalement des déchets sur stes (a) technque dte à peau d ognon (b) technque moderne (couches fnes). Au cours des années 199, les préconsatons des pouvors publcs couplées à la volonté des explotants d accroître la durée de ve de leurs stes tout en lmtant envols et odeurs ont fat évoluer la technque du dépôt dans le sens d une restrcton de la talle des zones en explotaton. Les casers de stockage sont désormas subdvsés en alvéoles de 2 5 à 5 m 2 en moyenne. S l on exclut le cas des déchets en balle et des ordures broyées, le déchet est étalé en fnes couches de 3 à 8 cm d épasseur compactées à l ade d engns spécaux avec pour objectfs généraux de densfer le déchet afn de le rendre mons compressble (lmtaton des tassements post-explotaton) et d augmenter la capacté de stockage du ste (à volume donné). L effet des roues du compacteur assure : - la trturaton du déchet permettant de le déstructurer et de rédure la talle de ses éléments ; - la réducton des vdes sous l effet de la charge surfacque (mportance du pods de l engn) ; - l nterpénétraton des couches successves (permettant d évter l apparton de dscontnutés nternes). 6
9 Pour remplr les objectfs précédents, les stes ont été équpés de compacteurs très lourds (2 à 8 tonnes) dotés de roues à bandages spécaux (dents polygonales appelées abusvement peds de mouton ) (Fgure 4). Dans le cas de déchets à forte teneur en DIB, ces derners sont parfos par alleurs doublés de compacteurs à couteaux, dont la foncton est essentellement de déchqueter le déchet. Le résultat fnal du compactage dépend de : - la composton du déchet : la présence d une quantté mportante de matères plastques accroît l élastcté du déchet, ce qu se tradut par une réducton de l effcacté du compactage (effet matelas ) ; - la teneur en eau du déchet : certans consttuants tels que papers et cartons perdent leur rgdté à l état humde ; - la porosté (ou l ndce des vdes) ntale du déchet à l état fosonné lors du déversement ; - la nature de l engn utlsé : pods surfacque, dentton ; - l épasseur des couches compactées et le nombre de passes : optmum généralement autour de 3 à 5 passages (Fgure 5 (a)), certans consttuants fbreux tendant à fosonner au-delà. Fgure 4. Illustraton des roues de compacteur couramment observées (a) couteaux (b) dents polygonales à double algnement (c) dents en forme de crox. Epasseur de déchet Epasseur de la couche de déchet Densté de la couche de déchet Densté du déchet Compacteur de masse et de surface de contact données Nombre de passes Fgure 5. (a) Exemple de l effet du nombre de passes sur l épasseur et la densté du déchet (b) Dagramme trangulare relatf au compactage (Onyx, 2) Au-delà des contrantes d explotaton (fréquence de lvrason des déchets varable), l art du compactage nclut par alleurs un certan nombre de règles d homogénésaton emprques dffcles à décrre (mélange des éléments grossers avec des éléments fns, mélange des déchets 7
10 secs avec des déchets humdes, mélange des déchets durs avec des consttuants plus mous) qu rendent cette technque largement trbutare de l apprécaton du conducteur d engn (Fgure 5(b)) Ve d un caser de stockage de déchet Le comportement mécanque d un massf de déchet peut être envsagé en deux étapes (Fgure 6) : une phase d explotaton (t < t c ) : cette pérode correspond à la pérode de constructon du massf consdéré de durée t c (.e. mse en place des déchets et pose de la couverture fnale). Les couches de déchet sont soumses à une surcharge crossante. S la hauteur fnale de la colonne de déchet (défne généralement avant ou mmédatement après la pose de la couverture) est fxée par arrêté préfectoral, la masse de déchet stockée dépendra du tassement observé au cours du remplssage. Celu-c représente une durée varable de quelques semanes à quelques années suvant la talle du caser consdéré et les flux de déchet stockés. une phase de post-explotaton (t > t c ) : le massf de déchet étant confné par la barrère d étanchété de la couverture fnale, les surcharges applquées sur chacune des couches de déchet sont consdérées constantes. Les tassements de fluage et la dégradaton du déchet se poursuvent : c est à l explotant qu ncombe la responsablté d assurer le dranage et le tratement des effluents lqudes et gazeux mas auss de veller au contrôle et à la mantenance de la foncton des barrères de couverture subssant drectement l effet des tassements. Cette pérode de postexplotaton correspond actuellement en France à une durée de survellance mnmale de 3 ans à compter de la fn d explotaton du derner caser. Phase d explotaton Phase de post-explotaton Déchets Déchets Fgure 6. Schéma d un caser de stockage (a) en phase d explotaton (b) en phase de postexplotaton. Hauteur de déchet Tassements des déchets H(t) H(t c ) Explotaton Post-explotaton w(t) Explo taton t c Post-explotaton t t - t c t c t Tassement des couches en place Tassement post-explotaton Fgure 7. Evoluton (a) de la hauteur de déchet (b) du tassement de surface assocé au cours des phases d explotaton et de post-explotaton d un CSD. A ttre d llustraton, l évoluton de la hauteur de déchet et les tassements assocés observés au cours des phases d explotaton et de post-explotaton ont été représentés sur la Fgure 7. Les 8
11 tassements sont ntés dès la fn de la mse en place de la premère couche de déchet ; en revanche, leur mesure ne débute en général qu en fn d explotaton (au temps t c ) de sorte que la parte ntale de la courbe reste nconnue (Fgure 7 (b)). Une dernère phase est parfos consdérée, dte phase de post-geston, à l ssue de la pérode de survellance du derner caser en date. A ce stade, le déchet est consdéré comme nerte et les tassements sont supposés sans effet sur les éventuels projets de requalfcaton du ste. Dans la pratque, très peu d observatons ont été réalsées sur des pérodes supéreures à 1 ans. Un des rares exemples de suv sur un déchet âgé.e. le CSD de Sant-Mchel (Montréal) caractérsé par une grande hauteur de stockage (H(t c ) > 6 m) a pourtant ndqué que les tassements pouvaent se prolonger de manère non néglgeable au-delà des 3 ans de post-explotaton. Enfn, évoquons brèvement la technque d extenson vertcale d ancennes décharges non protégées ( pggy-backng ) qu consste en une reprse d explotaton d un ste fermé. Devenue une pratque courante aux Etats-Uns pas mons de 75 extensons de ce type rapportées depus 1987 par Bouthot et al. (23), le pggy-backng présente un certan nombre d avantages : augmentaton des durées d explotaton sans extenson de l emprse au sol, optmsaton des nstallatons en place et smplfcaton des procédures d autorsaton admnstratve. Compte tenu toutefos de la réactvaton des tassements de la colonne de déchet nféreure (déchet ancen) sous l effet de la surcharge (déchet jeune), cette technque n est pas sans présenter de rsque pour la barrère d étanchété ntermédare (fond du nouveau caser = couverture de l ancen caser) (Fgure 8). Elle requert par conséquent une réflexon partculère et une concepton sognée. Fgure 8. Illustraton d une rehausse de caser (a) en carrère (b) à flanc de coteaux. Rôle de la couverture dans la ve d un caser de déchet La couverture de surface d un CSD joue un rôle très mportant sur le devenr à long terme du ste et sur son mpact sur l envronnement. Les fonctons que dovent remplr les éléments consttutfs d une couverture sont multples : dranage des effluents gazeux, étanchété, fltraton, protecton contre l ntruson, support du couvert végétal, réntégraton paysagère, etc. Or, sous l effet des tassements, des modfcatons du modelé de la couverture de stockage apparassent qu ndusent des contrantes mécanques pouvant entraîner sa détéroraton accélérée. Face à cette dynamque complexe, la couverture d un CSD a la redoutable tâche de garantr la pérennté de ses performances. La dffculté de cette tâche explque pourquo, en matère de couvertures, l n exste pas de soluton unque. Outre les caractérstques d étanchété des couvertures de surface (couvertures sem-perméable / mperméable), la prncpale dffculté lée à leur concepton a trat à la défnton d un objectf de durée de fonctonnement Tassements des déchets : quels mécansmes, quels effets? Les tassements, dont la vtesse (déplacement vertcal par unté de temps) tend à décroître au cours du temps, résultent grossèrement de quatre actons dstnctes : 9
12 Actons mécanques Les actons mécanques sont en premer leu lées à l applcaton de surcharges. Celles-c entraînent, comme pour tout mleu granulare, un réarrangement, une dstorson et une réorentaton des dvers composants du déchet. A l mage de certans sols fns (argles molles, tourbes, vases), ces phénomènes de fluage peuvent se prolonger à charge constante au cours de très longues pérodes. Actons bochmques La décomposton (aérobe pus anaérobe) de la matère organque du déchet entraîne un transfert de masse de la phase solde vers les phases gazeuse et lqude. Compte tenu de la répartton négale de l eau dans le déchet (ne garantssant pas une assmlaton totale du substrat organque par les mcro-organsmes), cette perte de masse solde dépasse rarement 2 % après 3 ans. Une désagrégaton partelle de la structure du déchet est occasonnée, phénomène qu s accompagne d un tassement à moyen et à long terme. Le comblement de l espace lbéré n est cependant que partel du fat de la structure très hétérogène des matéraux. Actons physco-chmques Il s agt de la corroson des matéraux ferreux et exceptonnellement de phénomènes d oxydaton et de combuston. En règle générale, l acton des transformatons physco-chmques ntervent de manère margnale vs à vs de la dégradaton bochmque. C est un processus très long et par conséquent encore méconnu. Il a pour effet de rédure la talle des consttuants du déchet et de lbérer des espaces précédemment fermés. Tamsage et percolaton La dégradaton du déchet s accompagne, en plus de la perte de masse, d une dmnuton de la talle caractérstque des consttuants du déchet. Cec entraîne un tamsage des partcules dégradées au travers des macro-pores (mécansme accentué par les vbratons). Ce phénomène contnu à l échelle d un caser est ponctué de phases soudanement accélérées qu s apparentent à des effondrements de la structure. Il dépend en grande parte de la composton et de la dstrbuton en talle des consttuants du déchet. L eau qu percole à travers les résdus accentue cette mgraton des éléments fns vers les vdes ouverts. Les mécansmes présentés précédemment ont pour caractérstque d nteragr entre eux. A ttre d exemple, la compresson mécanque nflue sur le régme des percolatons (captage de l eau dans les mcro-pores) tands que la dégradaton bochmque engendre un tamsage accru. Les actons se superposent de manère complexe au cours du temps. Leur assocaton peut néanmons être représentée à partr de deux composantes dstnctes : - un tassement prmare (court terme) résultant du chargement par les déchets sus-jacents et la couverture. Cette composante de durée très fable (quelques jours) est généralement supposée ndépendante du temps. Le tassement dt nstantané est consdéré nclus dans le tassement prmare, à l excepton du tassement résultant drectement du compactage des déchets qu n est pas comptablsé (l épasseur et la masse volumque ntale d une couche élémentare de déchet étant défnes après compactage) ; - un tassement secondare (long terme) supposé ndépendant de la charge et pouvant se poursuvre au cours de pluseurs décennes. Il résulte essentellement de la décomposton de la matère organque, du tamsage des fnes et des nteractons assocées. C est cette composante secondare qu a le plus d ncdence sur les performances de la couverture au cours du temps pusque la totalté du tassement prmare a leu avant mse en place de la couverture. 1
13 Ces tassements ont une nfluence sur les caractérstques hydro-physques du déchet. La dmnuton de sa porosté se tradut en effet par une basse marquée de la conductvté hydraulque, avec des conséquences souvent détermnantes pour le régme hydrque, la bodégradaton du substrat organque et les proprétés mécanques du matérau. S cette basse de la perméablté semble favorable à la bodégradaton (contact plus ntme entre eau et partcules) jusqu à un certan seul, elle est susceptble au-delà d engendrer la formaton de zones sèches et l apparton de nappes perchées pouvant entraîner des nstabltés dans le massf de déchet. Notons que des tassements peuvent également apparaître en surface sute à la déformaton excessve du sol de fondaton, notamment dans le cas de sols sous-consoldés (argles molles, tourbes, vases) certes rares en France. Une étude géotechnque permet d évaluer la compressblté du sous-sol sous l effet des contrantes (consoldaton prmare) et du temps (consoldaton secondare). Ben que détermnants en vue de l évaluaton des capactés de stockage de casers de déchet, les tassements survenant en phase d explotaton sont très rarement mesurés. Seuls quelques stes plote ont été nstrumentés en ce sens mettant en évdence des tassements (prmares) comprs entre 5 et 2 % de la hauteur ntale de déchet pour des surcharges équvalentes au pods de colonnes de déchet de 5 à 4 m. Dans le cas de déchets fablement compactés, des valeurs supéreures à 2 % sont parfos observées. De nombreuses valeurs de tassements (secondares) post-explotaton ont en revanche été publées dans la lttérature. Il reste cependant dffcle d évaluer avec précson leur tendance sur de longues pérodes car d une part les suvs topographques rapportés dépassent rarement 4 à 6 ans, d autre part ceux-c sont fréquemment ntés avec retard (après la fn d explotaton). L extrapolaton des mesures précédentes sur une pérode de 3 ans donne toutefos une estmaton de la déformaton généralement comprse entre 8 et 3 % (pour une moyenne proche de 15 à 2 %) Tassements dfférentels Les tassements de surface ne sont jamas totalement unformes. Cec résulte en partculer de : - l hétérogénété du matérau déchet ; - son épasseur varable (notamment au vosnage des flancs de caser) ; - son mode de mse en place (ségrégaton ou non des flux, compactage) ; - son mode de geston post-explotaton (nfltratons d eau, recrculaton des lxvats, etc.). Fgure 9. Illustraton des tassements dfférentels sur ste (a) formaton de dépressons sur la couverture de caser (b) apparton de ponts bas le long du réseau de dranage des bogaz (Source : ANTEA). 11
14 A la surface des casers de stockage apparassent ans des tassements dfférentels qu l convent de maîtrser car ls sont susceptbles d entraîner des déformatons (effondrements localsés ou flexon) préjudcables pour le système d étanchété - dranage de la couverture (fssuraton de la couverture mnérale, ponçonnement de la géomembrane, rupture du système de dranage). Ces tassements dfférentels peuvent en outre engendrer des nversons de pente (pente ntale réglementare 3 % en parte sommtale) qu l convent de prévenr pour évter l accumulaton d eau en surface (Fgure 9 (a)) et garantr le bon fonctonnement des réseaux d évacuaton des bogaz (Fgure 9 (b)). Par alleurs, les tassements sont souvent perturbés par les puts : un melleur dranage des lxvats et des bogaz à leur vosnage, un état lâche du déchet à proxmté des puts (fable compactage dans le cas de puts mplantés en phase d explotaton) peuvent mplquer un tassement accentué. Dans certans cas, le frottement négatf du déchet par frettage le long des paros de ces mêmes puts peut entraîner l effet contrare (dmnuton très localsée des tassements). La séparaton des alvéoles par des merlons de terre en forme de sapn de Noël est également susceptble d ndure des tassements dfférentels au vosnage de ces hétérogénétés. Il en va de même des barrères externes. Il a été montré expérmentalement que les tassements sont perturbés au vosnage des talus de fond et que les déplacements des déchets ne sont plus vertcaux mas tangents aux flancs par sute du glssement de ces derners le long des barrères d étanchété dranage (Fgure 1). Cette forte compressblté du déchet en bordure de caser est accentuée par la mondre qualté du compactage. θ=β Déchet θ= Déplacement purement vertcal θ=β θ Orentaton du déplacement Talus θ=β θ=β β Déplacement tangentel parallèle à la pente Fgure 1. Déplacement des déchets aux abords de la barrère de fond de caser (Thomas, 2). Enfn, d mportants tassements dfférentels peuvent apparaître dans le cas de rehausse d ancens casers suvant la technque du pggy-backng ( 1.3). L nstallaton de raders renforcés par géosynthétques en fond de nouveau caser peut s avérer nécessare pour meux répartr les charges vertcales et ans mnmser les tassements dfférentels Evoluton de la densté des déchets sous l effet des tassements Sous l effet du compactage pus des tassements prmares et secondares, les vdes présents entre les consttuants du déchet (ntalement de talle mportante) tendent à se rétrécr, ce qu entraîne une augmentaton de la quantté de matère solde par unté de volume. Cette augmentaton peut être exprmée ndfféremment au travers de la masse volumque ρ = m V [tonne/m 3 ] (exprmée plus communément sous le terme de densté ρ ρ w [sans unté] où ρ w représente la masse volumque de l eau) ou du pods volumque γ = ρ. g [kn/m 3 ] du matérau stocké. La densté du déchet peut être évaluée à partr de : 12
15 - mesures locales généralement réalsées en surface (excavatons à la pelle : 2.5) et qu, pour un déchet donné, apportent une bonne ndcaton sur l effcacté du compactage ; - mesures globales (sur l ensemble de la hauteur d une alvéole par exemple) qu prennent en compte les tassements survenus au cours de l explotaton. La lttérature est rche en valeurs de densté mas celles-c varent très fortement suvant la nature et l état du déchet et leur analyse requert un mnmum de données hélas pas toujours dsponbles. Suvant que l on consdère un déchet fosonné (mmédatement après déversement), un déchet fraîchement compacté ou encore un déchet soums à un chargement, des valeurs de densté très dfférentes sont observées, comprses entre,2 et 1,3 (Fgure 11). A l échelle d un caser en fn d explotaton, on notera que la densté est généralement comprse entre,7 et 1,1 (pour une moyenne vosne de,9 à 1). 1,4 1,2 1,8 Densté mn,6 Densté max,4,2 Déchet non compacté Déchet compacté non surchargé Déchet moyennement surchargé Déchet fortement surchargé Fgure 11. Valeurs de densté (mn/max) d un déchet ménager brut. 2. Mesure des tassements d un massf de déchet 2.1. Introducton Les explotants de CSD sont soums réglementarement à l oblgaton de fournr chaque année un relevé topographque de surface de leur ste représentant l ensemble des aménagements des casers (en phase d explotaton comme en phase de post-explotaton). Dans la pratque, ces relevés restent cependant trop souvent sous-explotés. Certes, l nstrumentaton de décharges est mons asée que celle de stes géotechnques standard, les prncpales dffcultés résultant notamment du passage répété d engns de travaux et de mantenance et de l ampltude mportante des déformatons. Il n en demeure pas mons que l nterprétaton de mesures sognées permet : - suvant une démarche sécurtare : la survellance des tassements sur l ensemble du ste, y comprs au vosnage de dgues, talus et puts de collecte des bogaz ; - suvant une démarche économque : la calbraton de paramètres de modélsaton en vue de la prédcton des tassements sur l ensemble d un ste (caser nstrumenté + casers en projet). 13
16 2.2. Suv topographque de surface Le suv des tassements se résume typquement à des mesures effectuées en surface de caser à partr de repères matéralsés. Dans le cas le plus favorable, ces mesures peuvent être effectuées lors d un arrêt d explotaton (sur tout ou parte du caser) pendant une durée mnmale de 8 à 12 mos. S une phase d arrêt n est pas envsagée, l nstrumentaton peut ntervenr, comme cela se fat fréquemment, à l ssue de la fn d explotaton du caser. Suv avec repères fxes Suv sans repère fxe Topométre classque Proflomètre de surface Vélocmétre par magere dgtale Photogrammétre Scanner laser 3D Staton GPS Ben que méconnus, des dspostfs de mesure ne nécesstant pas la pose de repères fxes se développent depus quelques années. Ces technques représentent une alternatve ntéressante, notamment dans le cas de stes de grande talle, et sont appelées à moyen terme à se développer aux dépens de la topométre classque Instrumentaton de surface avec repères fxes Topométre classque La topométre classque est réalsée à l ade d un tachéomètre électronque (encore appelé staton totale dans sa verson automatsée) fasant à la fos offce de dstance-mètre et de théodolte. Par trangulaton à partr de 2 ponts de référence mplantés en zone fxe (pylône EDF, borne en pérphére de ste, etc.), l nstrument est capable de détermner les coordonnées 3D (x, y, z) de tout pont matéralsé au moyen d une pge équpée d un réflecteur. La lmte de vsée du tachéomètre étant de l ordre de 5 m (sans dégradaton excessve de la précson : ± 3 à 5 mm), des ponts de référence supplémentares seront mplantés sur le pourtour du ste s nécessare. Le canevas de ponts prédéfns est matéralsé par des repères scellés pouvant prendre dverses formes (Fgure 12) : - pquets de bos (pérennté sensble toutefos au gonflement - retrat des couvertures argleuses) ; - bornes plastques ancrées dans la couverture mnérale à l ade de pattes ou ergots ; - repères cmentés coulés à même la nappe synthétque (couverture temporare) ; - plaques de surface et tges soudées mplantées à l nterface déchet - couverture. Pquet de bos Borne ancrée Repère cmenté Fgure 12. Illustraton des repères topographques de surface courants. 14
17 Proflomètre (ou nclnomètre horzontal) de surface Les proflomètres sont consttués de tubes souples en PEHD nstallés à l nterface déchet couverture en fn d explotaton ou alternatvement à l ntéreur du massf de déchet en cours d explotaton ( 2.3). Les déplacements vertcaux du tube (horzontal) sont mesurés à l ade d une torplle (sonde à fonctonnement hydrostatque ou accéléromètrque) trée d une extrémté à l autre du tube à l ade d une cordelette de nylon pré-nstallée (Fgure 13). Les mesures sont repérées par rapport aux ponts d entrée - sorte de la torplle (Fgure 14), dont les postons sont suves par nvellement classque. Torplle de mesure Tube nclnométrque : poston ntale Ponts de mesure Entrée tube A Pont fxe Tube nclnométrque : poston après tassements successfs A Couverture A Sorte tube A w Pont fxe α Déchet Fgure 13. Schéma de prncpe du dspostf proflomètrque. Les jauges hydrostatques autorsent des mesures sur une dstance max de l ordre de 2 m. La plage de tassement max est de l ordre de 3 à 5 m et la précson de la mesure équvaut à ± 1 cm. Quant aux sondes accéléromètrques (relevant les angles α formés par l axe de la sonde et l horzontale), elles assurent une précson sensblement melleure (± 5 mm). S cet apparellage présente l avantage de fournr un profl de tassement complet à un nveau donné (mesure tous les 1 à 2 m en général) et donc une représentaton des tassements dfférentels, son utlsaton nécesste toutefos l accès aux entrées - sortes des tubes horzontaux compatble avec un stockage en tumulus (Fgure 14 (a)). De plus, le passage de la sonde dot être assuré après flexon du tube (secton à défnr en conséquence). Notons enfn que certans modèles dotés d un pvot en bout de tube autorsent des mesures à partr d une seule entrée. Fgure 14. Illustraton d une mesure proflométrque (CSD de Lapouyade) (a) Techncen opérateur en acton à partr d un cuvelage en béton fondu dans la dgue pérphérque (b) Gros plan sur la sonde accélérométrque à l entrée du cuvelage. 15
18 Vélocmétre par magere dgtale Développée ntalement dans le domane de la mécanque des fludes, la technque de la vélocmétre par magere dgtale est basée sur l analyse d mages sous la forme de séres de matrces dont chaque terme représente, pour un pxel donné, l ntensté relatve à 3 couleurs de référence (rouge, vert, bleu) (Whte et al., 23). Cette méthode a été adaptée dans le but de permettre un suv de repères matéralsés par des panneaux cble (ancrés dans la couverture au moyen de plots en béton) à partr d un ou pluseurs apparels photo numérque fxes (Fgure 15). Panneau cble n 5 Panneau cble n 4 Panneau cble n 3 Panneaux en place à la vertcale des déchets Panneau cble n 2 Panneau cble n 1 (référence fxe) Fgure 15. Illustraton des panneaux cble nstallés sur le ste de Whte s Pt (Whte et al., 23) La résoluton et la précson de ce dspostf de mesure sont smlares à celles d nstruments topographques conventonnels. Le prncpal avantage de cette technque tent au fat qu elle permet un suv des tassements en contnu par transfert électronque de données (outl de survellance). Cette technque permet par alleurs de suvre pluseurs repères à partr d une seule mage. Compte tenu cependant de l encombrement des panneaux de mesure, leur nombre sera nécessarement lmté par l explotant. En vue de l obtenton de mesures 3D, pluseurs apparels photos sont assocés ans qu une reconstructon de type photogrammètrque ( 2.2.2). Dans le cas courant où l on s ntéresse exclusvement aux déplacements vertcaux, la recombnason d mages 2D n est toutefos pas nécessare Instrumentaton de surface sans repère fxe Un certan nombre d apparellages numérques permettent de suvre les déplacements 3D de la surface de casers de stockage sans recours à des repères fxes. Photogrammétre terrestre ou aérenne La photogrammétre est une technque permettant d'exécuter des mesures spatales à partr de photographes argentques ou numérques. Comme la plupart des méthodes géodésques, la photogrammétre fonctonne sur le prncpe de la trangulaton. En prenant des photographes à partr de 2 ponts dstncts défnssant 2 lgnes de vue, les photographes 2D sont recoupées mathématquement pour fournr des coordonnées 3D. Suvant le processus nverse de la photographe, la photogrammétre permet de resttuer un espace 3D à partr de photographes 2D. Sa résoluton est excellente ; quant à sa précson, elle est à la fos foncton de la talle des objets vsés, du nombre de photographes (recouvrement nécessare entre photos), de la résoluton de la caméra et de la géométre du ste. Pour un pont donné, la précson de mesure est relatvement modeste (2 à 3 cm) mas compte tenu des nuages de ponts relevés, une précson réelle de l ordre de quelques mllmètres est attente après post-tratement. 16
19 Dans le cas de stes très étendus ou en relef, cette technque est préférablement condute par magere aérenne (à partr d un hélcoptère par exemple), ce qu représente un gan de temps mportant. On trouve référence dans la lttérature de pluseurs stes étrangers suvs par photogrammétre (Hanovre, Montréal, Vancouver, Hong-Kong, etc.). Scanner laser 3D Le scanner laser s apparente à un gros apparel photo numérque à champ de vson étendu (36 ), longue portée (8 m max) et vtesse de numérsaton élevée (jusqu à 1 ponts enregstrés à la seconde). Il est utlsé à partr de postonnements multples, fxes ou mobles, de manère à sasr ntégralement la surface des casers de stockage de déchet (Fgure 16). Fgure 16. Illustraton du suv des tassements par scanner laser 3D (a) apparel monté sur tourelle fxe (b) apparel monté sur véhcule moble (Source : <www.regl.co.at>) La technque repose sur le prncpe du temps de vol nécessare à chaque mpulson laser pour attendre une surface et retourner au scanner (sans l ade de réflecteurs). Après acquston, les données sont tratées à partr d un Modèle Numérque de Terran (MNT) sous la forme d un nuage de ponts. Un post-tratement est ensute effectué permettant de tradure les données brutes en cartographe 3D (contours de surface, profls sngulers, cartographe des structures) faclement explotable (Fgure 17). La résoluton angulare d un tel apparel attent,25 (sot 1 pont tous les 4 mm à 1 m) et sa précson avosne 5 à 1 mm dans des condtons optmales de post-tratement (fltrage de la végétaton et échantllonnage). Dans le cas de stes de grande talle, le scanner laser est remplacé par le radar laser dont les capactés sont très supéreures. Fgure 17. Exemple du suv de l alvéole B du CSD de Chatuzange (a) nuage de ponts 3D de la couverture et des structures de surface (b) Courbes de nveaux obtenues après post-tratement (Source : ATM3D <www.atm3d.com>). 17
20 Staton GPS ( Système de Postonnement Global ) Le GPS est un système de navgaton rado fonctonnant à partr de 24 satelltes en orbte autour de la terre. Les satelltes sont dsposés de telle manère que 4 satelltes surplombent l horzon à tout nstant, quelque sot la poston consdérée à la surface du globe. Chaque satellte comprend un ordnateur embarqué, une horloge atomque et une rado lu permettant de calculer sa poston exacte. Au sol, le récepteur GPS est lu auss doté d un ordnateur qu trangularse sa poston propre (longtude, lattude, alttude) à partr des ondes reçues par les satelltes. La précson des apparels GPS s est largement amélorée au cours des dernères années. Il est aujourd hu possble de prédre les tassements en temps réel avec une précson vosne du centmètre. Fxés sur des compacteurs, les apparels GPS permettent en outre de lever les cotes d explotaton à des ntervalles rapprochés, fournssant ans un accès quas mmédat à la densté des déchets Blan comparatf des technques de suv topographque de surface Les avantages et les nconvénents relatfs aux technques détallées précédemment sont regroupés dans le Tableau 1. Tableau 1. Avantages et nconvénents des technques de suv topographque de surface Apparellage Maîtrse actuelle Avantages Inconvénents Topométre parfate - Précson des mesures - Temps de mesure excessf pour classque (cabnets - Equpement / techncté lmté un grand nombre de ponts Proflomètre de surface Vélocmétre par magere dgtale Photogrammétre Scanner laser 3D Staton GPS géomètre) satsfasante (bureaux d étude spécalsés) R & D satsfasante (bureaux d étude spécalsés) R & D (développement très prometteur) satsfasante - Coût rasonnable - Profls de mesure contnus dans l espace : très ntéressant pour le suv des tassements dfférentels - Apparellage permanent : suv en contnu dans le temps - Bon marché - Soluton adaptée aux stes étendus - Imagere numérque souple et pussante : profls multples - Excellente résoluton - Imagere numérque à la fos souple et pussante - Embarquable sur engns motorsés - Unque moyen de mesure en présence de végétaton fasant écran 2.3. Instrumentaton nterne des tassements - Suv undrectonnel le long des profls pré-postonnés - Applcaton lmtée - Encombrement mportant des repères - Ponts de vsée peu nombreux - Précson médocre en l absence de post-tratement - Coût élevé à très élevé - Technque récente : maîtrse en cours d acquston - Coût élevé - Précson médocre en l absence de post-tratement - Post-tratement long et onéreux En complément de l nstrumentaton de surface, l peut s avérer ntéressant de mettre en place des capteurs nternes dans le massf de déchet. Ces derners permettent de suvre le tassement à un certan nveau sous la couverture pour un déchet de composton et d âge donné, soums au chargement ndut par les couches sus-jacentes (Fgure 18). En dépt de sa fable utlsaton par les explotants, l nstrumentaton nterne permet notamment : - d évaluer le tassement prmare des déchets (foncton de la charge) au cours de la phase d explotaton (correspondant au remplssage en déchet) ; - de suvre l évoluton de la stablsaton mécanque de couches de déchet localsées à des profondeurs varables ; 18
21 - de mesurer le tassement d ancens déchets dans le cas d une reprse d explotaton et dans le cas du pggy-backng d estmer les mouvements de la barrère de fond du nouveau caser. Capteurs externes - Pquets, bornes ancrées - Plaques de surface - Proflomètres - Panneaux cble (magere dgtale) Capteurs nternes - Tassomètres - Proflomètres - Plaques enterrées - Extensomètres de forage Fgure 18. Schéma d nstrumentaton des tassements à l ade de dspostfs externes et nternes. L nstrumentaton nterne apporte en conséquence des nformatons tant pratques que théorques, naccessbles par le bas de mesures de surface. On dstngue une dzane d apparellages de mesure regroupés en quatre famlles dstnctes (Fgure 19). Apparellage Tassomètre Proflomètre Plaque enterrée Extensomètre Hydro-pneumatque Corde vbrante Hydro-statque Accélérométrque Tge flottante Tge télescopque Magnétque Mécanque Fgure 19. Illustraton des 4 famlles d nstrumentaton nterne des tassements et prncpe physque de la mesure. Tassomètre Généralement de forme sphérque (flotteurs), les tassomètres permettent de mesurer les déplacements vertcaux au cœur des déchets. Dans le cas des apparellages hydro-pneumatques courants, les cellules (remples pour moté d eau) sont relées à un tableau de mesure de préférence fxe par l ntermédare de deux tubulures (Fgure 2). L ensemble fonctonne sur le prncpe du tube en U. Une contre presson de gaz est applquée audessus du lqude de manère à le refouler dans le tube de mesure du tableau. Pour chacune des mesures, on applque la même presson sur le flude. Le volume d eau étant constant, le déplacement vertcal de la cellule (équvalent au tassement du déchet) correspond à une translaton vers le bas de la colonne d eau. La précson de mesure reste somme toute modeste : ± 1 à 2 cm. 19
22 Le fonctonnement et la durée de ve des tassomètres dépendent largement de la mse en œuvre du dspostf. En partculer, l faut veller à ben respecter les consgnes d nstallaton suvantes : - cellules sphérques calées à l ade de tges métallques pour évter leur basculement ; - tableau de mesure < 8 m des tassomètres (rsque de pertes de charge hydraulque) ; - cellules remples à l ade d un flude ant-fongque / ant-bactéren (rsque de colmatage). Fgure 2. Tassomètre LCPC (a) Mesure sur le CSD de Torcy (b) Schéma de l apparellage complet (Fllat, 1981). Plaque enterrée et tges flottantes Des plaques de secton carrée (l 1 m) sont enterrées à un ou pluseurs nveaux ntermédares au cours du remplssage d un caser, mnuteusement repérées par nvellement (x, y, z) avant que l explotaton ne se poursuve normalement jusqu à la cote fnale d explotaton. Les plaques sont retrouvées alors par forage à la tarère. Avant forage Après forage Tge acer φ 17 mm Couverture provsore Déchet Tube PVC φ 8 mm Tube PVC φ 4 mm Déchet Graver annulare Paro du forage Cote plaque Plaque en acer (1 m x 1 m) Cote plaque Fgure 21. Schéma de prncpe des plaques enterrées et tges flottantes (CSD de Chatuzange) 2
23 Grâce à la cohéson du déchet qu garantt la tenue du forage, un tube PVC grand damètre peut généralement être dsposé à la vertcale de la plaque, mantenu en poston par l ntroducton de graver (à la pelle mécanque) dans l espace annulare. Un second tube de plus pett damètre est glssé dans un second temps à l ntéreur du premer ans qu une tge flottante débouchant à la surface (Fgures 21 et 22). Fgure 22. (a) Mse en place du graver annulare mmédatement après forage (b) Zoom sur le trou de forage après nstallaton du tubage PVC et du tran de tge flottante (CSD de Chatuzange). Le frottement négatf avec le graver étant entèrement reprs par le tubage de grand damètre, le tube de pett damètre et la tge sont lbres de suvre le déplacement vertcal de la plaque au cours du temps. Lorsque l on fore jusqu à la plaque, on obtent le tassement des déchets sous-jacents avant forage (foncton notamment du chargement). Ensute, on est en mesure de suvre le tassement secondare de la plaque (à charge constante) avec une précson vosne de ± 5 mm. Notons toutefos que la mse en place de plaques enterrées à des profondeurs supéreures à 1 à 15 m requert la mse en place de tubages métallques compte tenu des rsques de flexon et/ou flambage de ces derners. Plaque enterrée et tges télescopques Ce dspostf sensblement dfférent du précédent comprend une sére de plaques métallques couplées à un tran de tges vssées. Les plaques métallques sont placées à dfférents nveaux en cours de remplssage. Une premère tge fletée est fxée à la plaque par l ntermédare d un mamelon soudé, auquel est par alleurs fxé un tubage PVC protégeant la tge des pressons latérales ndutes par le déchet (Fgure 23 (a)). Installaton dans les déchets Fgure 23. Plaques enterrée et tges télescopques (a) Plaque et tge soudée avant nstallaton sur ste (b) Dspostf en place dans des déchets en balle (CSD de Mende). 21
24 Au fur et à mesure de la montée du massf, des sectons addtonnelles de 1 à 3 m (suvant rythme d explotaton) sont ajoutées jusqu à attendre la hauteur fnale d explotaton (Fgure 23 (b)). La mse en place en contnu peut être confée au personnel du ste moyennant une sensblsaton préalable par l ntermédare du responsable d explotaton. En effet, la mse en place et le compactage du déchet autour des tges exge une vglance accrue de la part des conducteurs d engns pour évter de fléchr les tges à l occason du remplssage ou de l entreten du caser. L nstallaton de ce dspostf est déconsellée à des profondeur > 15 m ans qu au vosnage des talus en rason des possbles déplacements latéraux du massf de déchet. Le repérage topographque des tges fournt le tassement des couches de déchet reposant sous les plaques. Moyennant une sére de plaques nstallées à dfférentes profondeurs, l est possble de suvre le tassement des déchets couche par couche et ans de caractérser la compresson de déchets d âge dfférent l explotaton d un caser pouvant parfos durer jusqu à 2 à 3 ans. Extensomètre magnétque de forage L extensomètre magnétque (encore appelé tassomètre à nducton magnétque) permet de mesurer les déplacements nternes des déchets au vosnage d un forage. Des anneaux magnétques sont postonnés (sans serrage) autour du tubage vertcal, lbres de glsser le long de ce derner en accompagnant les tassements des déchets. Les mesures sont réalsées à l ade d une sonde à nterrupteur fxée à l extrémté d un ruban gradué déplacé du fond vers le haut du tube. Au nveau d un anneau amanté, deux sgnaux sonores sont éms et la hauteur correspondante est lue sur le ruban gradué (précson : ± 3 à 5 mm). Celle-c peut être converte en valeur absolue (cote NGF) moyennant le nvellement du col du forage par topographe classque. Notons en préambule que cette technque peut être sujette à des perturbatons en présence de consttuants métallques à forte concentraton dans le déchet. Le rsque est toutefos lmté car seule la présence contnue d éléments ferreux sur le pourtour proche du tubage est susceptble de créer un champs magnétque pouvant occasonner un faux sgnal de mesure. Il exste sur le marché tros modèles d extensomètres de ce type. L extensomètre à plaques comporte un ensemble de plaques PVC percées à l ntéreur desquelles sont ncorporés des amants (Fgure 24 (a) et (b)). Ces plaques sont dsposées le long du tube télescopque, les portons de tube étant emboîtées progressvement au cours de l explotaton de manère analogue aux plaques et tges télescopques. Installaton dans les déchets et mesure Fgure 24. Extensomètre magnétque (a) Gros plan sur la plaque amantée et le tube télescopque avant nstallaton (b) Mesure au moyen de la sonde électromagnétque (CSD de Mende). 22
25 L extensomètre à ressorts à lame comprend une sére de ressorts amantés (ntalement replés) postonnés à dfférentes profondeurs le long d un double tran de tges métallques nstallé en fn d explotaton. Le déploement des ressorts (ou grffes) est actonné après nstallaton par smple tracton d un fl de tre externe ou d un dspostf coupant ntrodut à l ntéreur du tube d accès. La tge extéreure fat alors offce de réducteur de frottements, assurant le lbre coulssement de la tge ntéreure qu l convent de relever régulèrement par nvellement de surface. En cas de poursute d explotaton, des tges supplémentares peuvent éventuellement être ajoutées au fur et à mesure de la montée (sur le modèle des tges télescopques). En comparason du dspostf précédent, l extensomètre à ressorts est plus facle à mettre en œuvre. En revanche, l accrochage latéral des ressorts peut s avérer dffcle en cas de contact mparfat entre le tubage et le déchet envronnant. L extensomètre Sondex consste enfn en une sére d anneaux cylndrques amantés préntercalés le long d une gane PVC ondulée souple, rgdfée à l ntéreur par un tube nclnomètrque classque. L espace entourant la gane est comblé à l ade d un morter (ntalement lqude) qu la rend soldare du déchet. Sous réserve de l absence de frottements mportants avec l nclnomètre (par flexon ou flambage), la gane PVC coulsse lbrement le long du tube sous l effet des déplacements vertcaux du massf de déchet, ce qu permet ndrectement leur évaluaton. Blan des nstrumentatons nternes Les avantages et les nconvénents des dfférents dspostfs nternes sont regroupés dans le Tableau 2. Les prncpaux CSD ayant fat l objet d une nstrumentaton sont répertorés pour chaque apparellage. Tableau 2. Avantages et nconvénents des dspostfs de suv nterne des tassements Apparellage Stes Avantages Inconvénents Tassomètre Proflomètre nterne Plaque et tge flottante Plaque et tge télescopque Extensomètre de forage Montreul Torcy CSD UK Montech Lapouyade CSD USA Chatuzange CSD Grèce et Australe Chatuzange CSD USA et Canada Mende CSD Brésl, UK et USA - Pas de gêne en cours d explotaton - Instrumentaton possble au vosnage des talus - Profls de mesure contnus - Pas de gêne en cours d explotaton - Mesure du tassement prmare après la fn d explotaton - Pas de gêne en cours d explotaton - Mesures au cours du chargement - Bon rapport qualté / prx - Mesure de tassement par couche - Installaton au chox pendant ou après explotaton 2.4. Organsaton pratque des campagnes topographques - Précson de mesure et performance médocres à long terme - Mse en place et suv assez onéreux - Mse en place condtonnée par la présence d un accès latéral - Mse en place et suv assez onéreux - Forages sognés requs avant début du suv (pour l nstallaton des tges) - Gêne occasonnée pour les engns de compactage et de mantenance - Rsque de flexon du tubage vertcal - Dspostf à proscrre en présence de déchets métallques - Rsque de flexon du tubage vertcal Suv topographque de surface (nté en phase de post-explotaton) Il est nécessare que l'explotant planfe son suv topographque avec : - une borne fxe en x, y et z servant de référence (absolue) à la topographe du ste ; - une sére de statons ntermédares (de préférence dentques à chaque levé) permettant au géomètre de reler ses mesures (relatves) à sa borne de référence partout sur le ste ; 23
26 - un ensemble de repères matéralsés (sauf suv laser, photogrammétre et GPS) nstallés le plus rapdement possble après la pose de la couverture et ausstôt nvelés (détermnaton des cotes de référence z ) ; - un calendrer de mesures à réalser sans modfcaton du mallage (x, y) au cours de la durée complète du suv topographque. Le nombre de repères topographques dépendra notamment de la réutlsaton ultéreure du ste. S une requalfcaton est envsagée (are de jeu, parkng, ouvrage router, etc.), un mallage plus serré sera sélectonné. Du chox de l mplantaton des repères topographques dépend largement les tassements observés : le mallage (x, y) des ponts topographques dot par conséquent être prédéfn rgoureusement, comprenant les zones les plus vulnérables (très sensbles aux tassements dfférentels) à proxmté des puts vertcaux, des dgues nter-alvéoles ou encore des talus. Le mallage restera dentque ou sera complété en cas d apparton de ponts sngulers au cours du temps (cuvettes, nversons de pente, etc.). Le suv des tassements de la couverture dot par alleurs être effectué selon une pérodcté ntalement élevée (bmensuelle à trmestrelle) pouvant à terme devenr semestrelle (consellé) vore annuelle. Cette pérodcté peut être reconsdérée s des désordres sont observés ou en cas d événement clmatque susceptble d entraîner des conséquences pour le déchet. Un programme de levés fréquents offre par alleurs l opportunté de corréler les tassements à d autres ndcateurs de la bodégradaton (la producton de bogaz notamment) et ans de meux comprendre les phénomènes en jeu. Enfn, l est souhatable de prolonger les campagnes topographques sur repères fxes dans la durée (au mnmum 5 ans, déalement pendant la totalté de la pérode de survellance du caser consdéré). Consdérant un ste de stockage en début d explotaton, les campagnes topographques seront de préférence ntées dès la fn du remplssage de la premère alvéole. Ans, en supposant que les caractérstques du déchet et de sa mse en œuvre sont conservées pour les alvéoles suvantes, une prédcton des tassements relatfs à ces dernères alvéoles sera possble (par extrapolaton au moyen de la méthode proposée au 3.3), permettant d estmer leur capacté de stockage et d antcper sur le phasage d explotaton. Suv topographque nterne (nté en phase d explotaton) Les suvs nternes requèrent la mse en place d une nstrumentaton qu peut ntervenr : - en cours d explotaton (tassomètres, proflomètres, plaques et tges télescopques, extensomètres à plaques) ; - pour parte en cours et en fn d explotaton (plaques et tges flottantes) ; - en fn d explotaton (extensomètres). S agssant des dspostfs ms en place en cours d explotaton, les mesures pourront débuter pendant la pérode de remplssage du caser de déchet : la fréquence du suv dépendra essentellement du nombre de couches rajoutées et du type d nformaton recherché. Collecton et archvage des données Après tratement au moyen d un tableur nformatque, les données topographques peuvent éventuellement être archvées dans un Système d'informaton Géographque (S.I.G.) attaché au ste. L explotaton des données (et leur extrapolaton à d autres alvéoles) passe par alleurs par une codfcaton de la sase et une nformaton complète sur le déchet, la géométre du stockage et son hstorque d explotaton (Fgure 25). A ttre d exemple, un questonnare type rédgé en vue de l applcaton du modèle ISPM ( 3.3) est jont en Annexe 1. 24
27 Données d explotaton Géométre du stockage Hstorque d explotaton Nature et geston du déchet secton plane hauteur forme et relef des talus début / fn d explotaton phasage ntermédare composton du déchet prétratement, compactage geston hydrque Fgure 25. Prncpales données d explotaton nécesstant un archvage par les explotants Estmaton de la densté des déchets Il est possble de détermner la densté des déchets suvant deux approches : par mesure ponctuelle : on accède alors à une valeur de densté ayant une sgnfcaton physque (densté localsée dans l espace) ; par calcul à partr des données d explotaton : on accède alors à une valeur de densté moyenne à l échelle d une alvéole de stockage. Evaluaton de la densté des déchets par mesure ponctuelle (sur échantllons) Dfférentes technques de mesure de la densté des déchets en place ont été proposées que l on peut dvser schématquement en deux catégores : - mesures destructves (excavatons à la pelle mécanque, sondages carottés) ; - mesures non destructves (dagraphes gamma et à neutrons). A ce jour, seules les mesures destructrces garantssent toutefos une faclté d exécuton suffsante dans la perspectve d une applcaton par les explotants : Excavatons à la pelle mécanque Cette méthode de mesure consste à excaver des puts de forme sensblement paralléléppédques (avec contours les plus nets possble) au moyen d une pelle mécanque (Fgure 26 (a)). Les déchets extrats sont ensute pesés (sur pont - bascule) et le volume de la cavté est détermné en remplssant celle-c d eau (à l ade d une cterne), les paros et le fond ayant au préalable été recouverts par une membrane souple et étanche (Fgure 26 (b)). Fgure 26. Mesure de densté des déchets de surface (a) Excavaton à la pelle (CSD de Sant-Paul de Tartas) (b) Remplssage du put excavé et étanché à l ade d une cterne d eau (CSD de Mende) 25
28 La quantté d eau déversée est mesurée sot par pesée de la cterne, sot à l ade d un compteur. L excavaton dot représenter de préférence un volume supéreur à 2 m 3, permettant au passage le prélèvement d échantllons > 5 kg (Modecom, 1993) en vue d un tr. Cette méthode est smple et rapde à mettre en œuvre (3 à 4 mesures par jour en moyenne) et est caractérsée par une erreur relatve généralement nféreure à 15 %. Elle présente en revanche l nconvénent de ne concerner que les déchets de sub-surface récents et peu dégradés et ne fournt par conséquent que la densté ntale des déchets (après compactage). La présence d éléments grossers (encombrants notamment) dot être sogneusement notée car elle permet d explquer certans écarts de densté entre puts. Notons qu un protocole détallé a été ms au pont par Smecsol (1996). Sondages carottés L excavaton est effectuée à sec au moyen d une sondeuse équpée d un carotter smple (φ nt > 1 mm) doté de couronnes très dures (carbure de tungstène ou damant). Chaque passe est pesée tands que le volume correspondant est détermné sur la base du damètre de la carotte et de la longueur de la passe, en général nféreure à 1,3 m. En présence d horzons terreux (couverture provsore non décapée), l opérateur peut décder de ne pas les prendre en compte dans son calcul de densté. L nconvénent de cette méthode tent au rsque de surévaluaton de la densté du déchet compte tenu de son remanement au vosnage du forage (enchevêtrement de ses éléments consttutfs). Tableau 3. Avantages et nconvénents des technques d évaluaton de la densté des déchets. Méthode de mesure Avantages Inconvénents Excavaton à la pelle - Fablté (ncerttude 1 %) - Rapdté (4 à 6 puts / jour) - Coût profondeur Sondage carotté - Mesure possble à toute profondeur - Observaton vsuelle du carottage - Mesure exclusvement en surface : pas d apprécaton de la densté en - Forage de pett damètre / déchet - Durée de l essa (1 sondage / jour) - Coût Evaluaton de la densté moyenne des déchets par calcul (à l échelle d une alvéole) La densté moyenne d un déchet peut être estmée à l ssue de l explotaton d une alvéole de stockage en rapportant le tonnage des déchets stockés au volume remblayé correspondant (cubature effectuée par le géomètre). Avec le développement des technques de mesure embarquées (statons totales, GPS, scanner laser 3D), ce mode d estmaton gagne en précson. En supposant un nvellement effectué à un certan nveau et à un second nveau supéreur, la masse de déchet rajoutée correspond à la dfférence de nveau mesurée augmentée du tassement des couches nféreures sous l effet des surcharges et du temps (Fgure 27). Il convent par conséquent de rester vglant en évtant notamment d assmler la densté ans calculée à une densté de compactage : la surestmaton est d autant plus grande que le massf de déchet consdéré est élevé et sa durée d explotaton mportante. Volume apparent Tassement du déchet nf. sous le pods du déchet sup. Déchet supéreur Volume réel Déchet nféreur Cote après remplssage Cote avant remplssage Masse stockée ( ρ ) déchet. > ( ρ Volume apparent apparent sup = réel ) déchet sup. = Masse stockée Volume réel Fgure 27. Illustraton de l erreur engendrée lors de l estmaton de la masse volumque (ou densté) des déchets rajoutés à partr de la masse stockée et du volume comblé. 26
29 2.6. Synthèse des essas de reconnassance dans les déchets Une connassance mnmale du déchet est essentelle pour apprécer son comportement mécanque. Parm les caractérstques qu l est possble de détermner sur ste ou encore en laboratore (Tableau 4), on peut cter notamment : - la masse volumque ρ (ou la densté équvalente) : cette caractérstque physque est nécessare à la détermnaton des contrantes qu s exercent au cœur, en fond et sur les flancs du massf de déchet ( 1.6 et 2.5) ; - la cohéson et l angle de frottement nterne (c et φ) : ces deux paramètres tradusent l apttude du déchet à résster au csallement. La cohéson représente les forces de contact et d enchevêtrement entre les consttuants du matérau. L angle φ représente le frottement moyen entre les éléments du déchet lorsque celu-c est soums à des déformatons nternes ; - le coeffcent de perméablté (K) : encore appelé conductvté hydraulque, ce paramètre permet d évaluer le potentel d écoulement gravtare des lxvats au sen des déchets. En deçà d un seul comprs grossèrement entre 1-6 et 1-8 m/s, des surpressons peuvent apparaître, potentellement préjudcables pour la bodégradaton (dffuson flude bloquée) comme pour la stablté mécanque du matérau stocké (notamment au vosnage des talus). Tableau 4. Lste des prncpaux essas de reconnassance dans les déchets Caractérsaton Paramètre recherché Type d essa Mode de mesure Physque - Composton - Température - Matère organque - Teneur en eau massque tr manuel thermocouples protocoles multples mse à l étuve (6 C - 72 h) essa sur échantllon mesure en contnu essa de laboratore essa de laboratore Mécanque des pettes déformatons Mécanque à la rupture Hydraulque - Masse volumque (ρ) - Contrantes nternes (σ) - Poussée des terres (K ) - Module d élastcté (E) - Coeff. de Posson (ν) - Module de réacton (K s ) - Cohéson (c) - Angle de frottement nterne (φ) - Résstance de ponte (q c ) - Frottement latéral (f s ) - Nombre de coups (N) - Nveau statque (H) - Porosté effcace (n e ) - Perméablté (K) Géophysque - Résstvté électrque (ρ) - Conductvté électrque (1/ρ) - Vtesse de csallement (V s ) - Paramètres E, ν, V s essa à la pelle / forage jauge à coussn hydraulque dem pressomètre dem essa à la plaque essa de csallement dem pénétromètre statque dem pénétromètre dynamque observaton mmerson / vdange écoulement saturé tomographe électrque essa électromagnétque ssmque-réfracton essa cross-hole essa sur échantllon mesure en contnu mesure en contnu essa à la tarère essa à la tarère essa de surface essa sur échantllon compacté essa destructf essa destructf essa destructf puts de contrôle puts de contrôle puts d essa électrodes de surface mesure aérenne géophones de surface géophones nternes Quelques observatons mértent d être apportées à propos des essas présentés dans le Tableau 4 : - les jauges à coussn hydraulque requèrent des condtons d nstallaton très précses dffcles à satsfare dans la pratque ; - l utlsaton des essas pressomètrques et pénétromètrques dans les déchets est controversée au sen de la communauté scentfque en rason de la talle de la sonde relatvement à la talle des éléments consttutfs de ce derner ; - les essas à la plaque fournssent un ndcateur du nveau de compactage ; 27
30 - l nterprétaton des essas de résstvté électrque demeure délcate compte tenu que cette grandeur physque est foncton à la fos de la porosté du déchet, de sa température nterne, de sa teneur en eau et de la concentraton du lxvat en ons lbres. 3. Prédcton des tassements des déchets 3.1. Prédcton des tassements des déchets : adapter la démarche à l objectf La prédcton des tassements a en premer leu un objectf sécurtare. Dans le contexte actuel de pénure de stes de stockage de déchets, la prédcton des tassements se justfe auss par une démarche opératonnelle. Les prncpaux paramètres qu régssent l explotaton d un caser de stockage sont : - la durée d explotaton ; - la hauteur d explotaton autorsée foncton de la cote de fond de caser et de la cote supéreure autorsée ; - le flux de déchets entrants (équvalent à un tonnage quotden ou mensuel). En règle générale, l arrêté préfectoral d autorsaton d exploter stpule à la fos la durée d explotaton du caser consdéré et sa cote supéreure autorsée (généralement avant ou mmédatement après la pose de la couverture). La prédcton des tassements au stade de l avantprojet permet d évaluer la capacté de stockage du caser en foncton des flux de déchets entrants. Dans d autres cas, la prédcton des tassements peut consttuer par alleurs un outl permettant : - à partr de la hauteur d explotaton autorsée et des flux de déchets entrants d estmer au meux la durée d explotaton effectve ; - à partr de la durée d explotaton et des flux de déchets entrants d estmer au meux la hauteur de déchet effectve en fn d explotaton. A ttre d exemple, la démarche précédente peut condure à envsager l explotaton d un caser en 2 phases (ou plus) séparées par un temps d arrêt (Fgure 28) proftant ans du vde de foulle lbéré par les tassements : - Phase 1 : mse en place de la colonne de déchet nféreure (couches de déchet 1 à k) ; - Phase 2 : mse en place de la colonne de déchet supéreure (couches k+1 à n). Phase 1 Phase 2 n H(t c1 ) k k+1 k H(t c2 ) 1 1 Fgure 28. Schéma d explotaton en 2 phases séparées par un temps de repos En phase de post-explotaton enfn, la prédcton des tassements doublée d une évaluaton des tassements dfférentels ( 5) permet de prévor l ampltude des déformatons que le complexe de couverture devra supporter Hstorque de la modélsaton des tassements Face au souhat des explotants de dsposer d outls de prédcton pertnents, des modèles ont été développés à partr des années 196. On peut les répartr schématquement en tros catégores, à savor : 28
31 les modèles bochmques ; les modèles mxtes bo-mécanques ; les modèles trés de la mécanque des sols. En dépt de leur ntérêt théorque ndénable, les modèles bochmques et mxtes ne sont pas parvenus jusqu à présent à consttuer des outls de prédcton effcaces, sot parce qu ls représentent mal les mécansmes en jeu, sot parce que leur calbraton présente un caractère trop complexe ou aléatore. Pour ces rasons, les modèles ssus de la mécanque des sols représentent à ce jour les seuls outls réellement utlsables par les explotants et les bureaux d étude. Remarquons au passage qu un modèle sera d autant plus faclement utlsable qu l sera basé sur des paramètres asément quantfables et en nombre lmté. Une étude exhaustve des modèles proposés dans la lttérature a été réalsée par Olver (23). Ces modèles ont pour pont commun de représenter la masse de déchet sous la forme d une colonne mult-métrque d âge constant. On retendra qu ls sont exprmés à partr de los de type exponentelle [Gbson et Lo (1961), Asaoka (1978), Gandolla et al. (1992)], logarthmque [Sowers (1973), Yen et Scanlon (1975), Bjarngard et Edgers (199)], pussance (Edl et al., 199) ou encore hyperbolque (Lng et al., 1998). Parm les modèles précédents, le modèle de Sowers (1973) a hérté d une large dffuson au sen des bureaux d études spécalsés de par sa faclté d utlsaton. En dépt d une formulaton smple à partr de paramètres en nombre rédut, ce modèle n en demeure pas mons délcat à applquer par sute de l ncerttude sur ses coeffcents de compresson (nfluencés par l hstorque du stockage) et de l absence de standardsaton de ses paramètres de temps, ces deux ponts excluant sa dffuson sous la forme d abaques. A propos des modèles d Asaoka (1978) et de Lng et al. (1998), retenons qu ls présentent l avantage de pouvor être applqués à des stes orphelns de hauteur et / ou d hstorque méconnus par smple résoluton graphque à partr de mesures de calbraton (Annexe 2). Compte tenu de leur forte mprécson, l est toutefos consellé de ne les utlser qu à ttre ndcatf Modèle Incrémental de Prédcton des Tassements (modèle ISPM) Présentaton du modèle ISPM L évaluaton quanttatve de l nfluence des dfférentes composantes du tassement est complexe. Un aspect qu complque consdérablement l estmaton est le fat que la masse de déchet n est pas stockée en une fos mas en couches successves. A l opposé des modèles précédents ( 3.2.), une représentaton rgoureuse des tassements sur un caser s attacherat à prendre en compte l hstorque de remplssage du caser (nveaux de remplssage ntermédare, repos d explotaton avant rechargement) et à addtonner les tassements de chaque couche élémentare de déchet. De ce constat découle la représentaton d une colonne de déchet comme un emplement de couches élémentares (Fgure 29), chacune caractérsée par sa propre hstore. Cette approche s est concrétsée par le développement du Modèle Incrémental de Prédcton des Tassements (encore appelé modèle ISPM d après l acronyme anglas) [Thomas (2), Olver (23)] dont l applcaton présente vs-à-vs des modèles tradtonnels des avantages tant fondamentaux (détermnaton de coeffcents de compresson ntrnsèques au déchet) que pratques (fablté accrue des prédctons). 29
32 Couverture fnale w H H n +h c h c h n w Couches élémentares h H n Tassement post-explotaton (w) h 1 h 1 t c Temps Fgure 29. Modélsaton de l explotaton sous la forme d un emplement de couches élémentares de déchet (modèle ISPM) Compresson (oedomètrque) d une couche élémentare de déchets Tel que décrt précédemment ( 1.5.), le tassement d une couche de déchet est représenté suvant une composante prmare (à court terme) résultant du chargement du déchet et une composante secondare (à long terme) résultant essentellement de la dégradaton de la matère organque, de la réorgansaton et du tamsage des consttuants du déchet et des nteractons assocées. La condute de tests de compresson en max-cellule de laboratore (1 m 3 ) sur dvers échantllons représentatfs de déchets ménagers (Olver, 23) a ms en évdence que ces 2 composantes de tassement pouvaent être représentées à partr de los logarthmques foncton respectvement de la charge et du temps. Consdérant une couche élémentare de déchet d ndce, d épasseur ntale h mmédatement après compactage, le tassement prmare relatf à cette couche est supposé nstantané p h lorsqu une surcharge σ est applquée et est décrt par analoge avec la théore de Terzagh (1943) par : h [1] p = en condtons surconsoldées (σ σ c ) h [2] h h p = C R σ.log σ c en condtons normalement consoldées (σ > σ c ) où C R représente le coeffcent de compresson prmare ntrnsèque du déchet, σ c (kpa) la charge de préconsoldaton résultant du compactage et σ (kpa) la surcharge applquée au sommet de la couche, résultant du pods des couches de déchet sus-jacentes et éventuellement de la couverture fnale. Consdérant la même couche élémentare d ndce, le tassement secondare supposé ndépendant de la charge est décrt par analoge avec la lo de Busman (1936) par : [3] h h s = C αε. log τ τ où C αε représente le coeffcent de compresson secondare ntrnsèque du déchet, τ le temps de constructon de la couche et τ le temps prs depus le début de la constructon de la couche. 3
33 Compresson (oedomètrque) d une colonne de déchet A l échelle d une colonne de déchet, le tassement prmare de la couche débute dès que la contrante σ applquée au sommet de la couche devent supéreure à la contrante de préconsoldaton σ c. Quant au tassement secondare (supposé ndépendant du tassement prmare), l est supposé démarrer à l ssue de la mse en place de la couche consdérée, autrement dt au temps t, temps absolu depus le début d explotaton (Fgure 3). [4] t = τ j + j = 1 1 τ j = 1 rj où τ j représente le temps de constructon de la couche j et τ rj le temps d arrêt d explotaton éventuel entre la couche j et la couche j + 1. Dans la pratque, τ rj sera consdéré non nul unquement dans le cas d un arrêt d explotaton sgnfcatf (> 2 semanes par exemple). t n représente le temps de constructon de la colonne complète (n couches), t c (= t n + τ c ) nclut par alleurs le temps de constructon (τ c ) de la couverture fnale. Couche n 1 Couche n 2 Couche n 3 H t 1 = τ 1 H t 2 = (τ 1 + τ r1 ) + τ 2 t 3 = (τ 1 + τ r1 ) + τ 2 + τ 3 H τ 1 τ 1 +τ r1 t t 2 t t 3 t Fgure 3. Smulaton de la constructon d une colonne de déchet à l ade du modèle ISPM (exemple des couches 1 à 3 : τ r1 ; τ r2 = τ r3 = ). p s Les composantes prmares ( h ) et secondares ( h ) du tassement des n couches élémentares sont addtonnées pour obtenr le tassement total de la colonne au temps t : p s [5] w ( t) = w ( t) w ( t) n n + n p n p s n s où wn ( t) = = h ( t) 1 et wn ( t) = = h ( t) (Annexe 3). 1 Ans, le tassement d une colonne de déchets peut être représenté en 2 phases : une premère phase coïncdant avec la constructon de la colonne (t t c ) au cours de laquelle les p s composantes prmares et secondares du tassement se superposent w ( t) = w ( t) w ( t) ; n n + une seconde phase dte de post-explotaton (t > t c ) à charge constante au cours de laquelle p p seuls ont leu des tassements secondares w t) = w ( t ) n ( n c L hypothèse de la charge constante se justfe s l on exclut les varatons de masse relatves à la bodégradaton et à l évoluton de la teneur eau globale. n Applcaton pratque du modèle ISPM 31
34 Suvant le nveau d avancement du projet consdéré, on sera ntéressé : - au stade de l avant-projet par la prédcton du tassement total de la colonne de déchets, avec pour objectf l estmaton de la capacté de stockage de l alvéole et le contrôle effectf p s du phasage d explotaton wn ( t) = wn ( t) + wn ( t) ; - en phase de post-explotaton par la prédcton du tassement de surface (w) prs à partr de la pose de la couverture, avec pour objectf cette fos l évaluaton du tassement que celle-c s s devra supporter w( t) = wn ( t) wn ( tc ) = wn ( t) wn ( tc ) pusque le tassement prmare est termné en fn d explotaton. Que l on se place dans le cas d une alvéole au stade de l avant-projet ou en post-explotaton, l applcaton du modèle ISPM repose en premer leu sur la détermnaton du coeffcent de compresson secondare C αε qu peut être effectuée suvant l une des deux approches suvantes : - par analyse drecte : sur la base de coeffcents de compresson pré-calbrés ou supposés (seule approche applcable au stade de l avant-projet ou au cas de casers non nstrumentés) ; - par analyse nverse : après calbraton de C αε à partr d une campagne topographque d une année à quelques années (approche prvlégée pour les CSD modernes) Applcaton du modèle ISPM par analyse drecte (au stade de l avant-projet) Dans le cas le plus général qu consste à évaluer les tassements dès le début de constructon de la colonne de déchet (Fgure 31 (a)), cette méthode repose sur la pré-calbraton des coeffcents de compresson prmare C R et secondare Cαε à partr d études de cas analogues. Dans le cadre du programme de recherche ADEME ( ) sur les tassements, une dzane de CSD franças ont été nstrumentés fournssant les prémsses d une base de données sur les tassements. Il reste que l nfluence de certans paramètres relatfs à la nature du déchet, à sa mse en oeuvre ou encore certanes données clmatques n ont pu être testés à partr des seuls stes mplantés en France. Dans un regstre dfférent, les hauteurs de stockage dépassent rarement 3 à 4 m en France mas des stockages sur 4 à 8 m (vore au-delà de 1 m) sont relatvement courants de par le monde. Pour toutes ces rasons, un Observatore Internatonal des CSD unque en son genre a été développé consttué à ce jour d une trentane de stes réparts sur 4 contnents (Fgure 31), qu devrat permettre d affner progressvement la détermnaton des paramètres de compressblté du déchet. Mountan Vew Yolo County Montreal (Can.) Coller Road Columba Sandtown Murbeca Brogborough Beddngham Calvert (UK) Mont-St-Gubert (Bel.) Meruelo (Esp.) Ano Lossa Schsto Thessalonque (Grèce) Ro Vgne Novellara (Itale) Shangha Hong-Kong Torcy, Montreul-sur-Barse, Montech, Chatuzange, Lapouyade, Les Epesses, Roche-la-Molère, Lons-le-Sauner, Grand Landes, Sant-Paul de Tartas, Mende (France) Lyndhurst Fgure 31. Observatore nternatonal sur les CSD développé à l Unversté de Grenoble. 32
35 En dépt des progrès très sgnfcatfs réalsés, l convent de garder à l esprt que la sélecton forfatare des coeffcents C R et C αε reste sensble. S les gammes de varaton habtuelles de ces 2 coeffcents sont désormas ben connues (,12 < C R <,25 et,3 < C αε <,2), ceux-c présentent une sensblté mportante (partculèrement C αε ) aux condtons du ste pour pouvor se permettre de les sélectonner sans référence. Moyennant certanes nformatons, l expérence acquse permet cependant de proposer des fourchettes de prédcton, s agssant à la fos du tassement total et du tassement post-explotaton (Fgure 32). Dans le cas d un caser couvert, le tassement prmare étant complètement achevé, seule l évaluaton précse du coeffcent de compresson secondare C se révèle nécessare. αε Tassement total (explotaton comprse) Tassement post-explotaton t c t t - t c w(t) p s wn ( t) = wn ( t) + wn ( t) M déchets crossante Phase de post-explotaton M déchets constante ( C R, C αε ) nf. ( C R, C αε ) sup. s s w( t) = wn ( t) wn ( tc ) ( C R, C αε ( C R, C αε ) nf. ) sup. Fgure 32. Fourchettes de prédcton des tassements par analyse drecte (a) tassements prs depus le début de la constructon de la colonne (b) tassements prs à partr de la fn de la constructon de la colonne (couverture comprse). Lorsque l alvéole présente une géométre smple, notons que l évaluaton du vde de foulle lbéré par les tassements peut se fare à partr du calcul pour une colonne de déchets étendu à l échelle de l alvéole à partr d une surface équvalente de remblaement ntégrant un coeffcent de forme Applcaton du modèle ISPM par analyse nverse (calbraton à partr de mesures de terran) Compte tenu de la dffculté à caractérser forfatarement le comportement du déchet, l est préférable s agssant de casers de stockage explotés et couverts d assocer à la démarche de prédcton une phase préalable de mesures de terran. C est le prncpe de l analyse nverse qu consste à calbrer le coeffcent C αε à partr d une campagne topographque de terran de durée ult t m t m > 12 mos, où t m représente le temps de mesure correspondant au levé topographque ntal et t ult m le temps de mesure relatf au levé topographque ultme (Fgure 33). Chaque mesure (à t 1 m,, t m, etc.) (Fgure 33 (a)) permet de trer une valeur correspondante de C αε (Fgure 33 (b)). L observaton de stes réels sur des pérodes pouvant aller jusqu à 3 ans a montré que C αε tend presque toujours à se stablser au bout de quelques mos (généralement 6 à 9 mos après la fn d explotaton) (Fgure 33 (c)). La prse en compte de la valeur fnale (stablsée) de C αε permet de prolonger la porton de courbe de tassement obtenue expérmentalement (Fgure 33 (d)). 33
36 t m ult t m Temps (mos) t m ult t m Temps (mos) Tassement (m) ,5 Mesures trées d une a campagne topographque 1, 1,5 2, 2,5 Cαε ,12 b,1,8,6,4,2 3, t m ult t m Temps (mos) t m ult t m Temps (mos) Tassement (m) ,5 1, d 1,5 Prédcton à 1 ans 2, 2,5 Courbe extrapolé avec C 3, αε =,7 Cαε ,12 c,1,8,6,4,2 C αε stablsé,7 Fgure 33. Prédcton des tassements par analyse nverse à l ade du modèle ISPM (a) tassement post-explotaton mesuré expérmentalement (b) coeffcent de compresson secondare C αε tré des mesures de tassement (c) coeffcent C αε après stablsaton (d) tassement post-explotaton extrapolé au-delà de la pérode de mesure. En terme de management opératonnel, les résultats trés d expérmentatons sur ste de hauteur supéreure à 15 m ont révélé des perspectves ntéressantes. Un arrêt d explotaton sur une alvéole en explotaton pendant une pérode supéreure ou égale à 12 mos peut en effet être mse à proft pour condure des mesures topographques de surface sur l alvéole concernée par la pérode de repos. A partr des données relatves à la colonne nféreure (déchet ancen), on calbre le coeffcent C αε que l on pourra utlser pour prédre le tassement de la colonne complète (déchet ancen + déchet jeune) et ans permettre d évaluer le nveau fnal de la couverture (Fgure 34). H C αε 12 mos mn. Tassements post-explotaton prédts Arrêt d explotaton t c Reprse d explotaton t Fgure 34. Méthodologe de prédcton des tassements post-explotaton à partr d un suv topographque ntermédare lors d un arrêt d explotaton. 34
37 Par alleurs, en présence d alvéoles vosnes recevant des déchets de composton grossèrement dentque, stockés dans des condtons de mse en œuvre et de geston hydrque analogues, un suv des tassements réalsé sur une 1 ère alvéole de référence permet de détermner la valeur C αε du coeffcent de compresson secondare ntrnsèque au déchet. A condton que les hauteurs de déchet ne soent pas excessvement varables d une alvéole à l autre, la valeur de C αε détermnée sur la 1 ère alvéole peut être réutlsée pour une prédcton des tassements des alvéoles vosnes Concluson et perspectves d applcaton du modèle ISPM L applcaton du modèle ISPM exge une connassance relatvement précse de l hstorque d explotaton. S cette condton peut s avérer problématque dans le cas de stes ancens ou orphelns, cette dffculté dsparaît s agssant de CSD modernes. L ultme stade de développement du modèle ISPM est aujourd hu lancé avec pour perspectve l applcaton de ce derner au moyen de logcels et d abaques. Cet objectf représente un enjeu pour les explotants car l devrat être possble, moyennant l évaluaton prélmnare de quelques paramètres d explotaton (flux, composton, mse en œuvre et geston hydrque du déchet) d évaluer la capacté de stockage des alvéoles (sur la base du vde de foulle dsponble) et d antcper sur le phasage d explotaton des stes. A ttre d exemple, les explotants Onyx et Sta vennent chacun de se doter de logcels de prédcton des tassements développés à partr du modèle ISPM. En ce qu concerne la mse au pont d abaques de prédcton, un premer exemple est présentée c (Fgure 35) permettant de calculer la déformaton post-explotaton d une colonne de déchet dans le cas d une alvéole dont la vtesse de montée du rembla de déchet n a pas trop fluctué (τ = τ = constante) et dont la couverture de surface (supposée représenter une charge q c équvalente à 1 m de matérau mnéral) a été nstallée très rapdement après la fn d explotaton (t c t n ). Les paramètres de temps t et t c sont remplacés par un facteur temps admensonnel t/t c en foncton duquel est tracé ε ( t ) = w( t) / H n ( t c ). nh représente la hauteur vrtuelle de la colonne de déchets en l absence de tout tassement. Tassement relatf (%) Facteur temps admensonnel % 5% 1% 15% 2% 25% 3% 35% 4% ε ( t ) = w( t) H n ( t c ) t t c nh = 12 nh = 24 nh = 36 nh = 12 nh = 24 nh = 36 nh = 12 nh = 24 nh = 36 nh = 12 nh = 24 nh = 36 C αε =,4 C αε =,8 C αε =,12 C αε =,16 Fgure 35. Abaque de prédcton de la déformaton post-explotaton ε en foncton de C αε (h = 1 m ; C R =,2 ; ρ =,8 T/m 3 ; q c = 18 kpa). t tc, nh et 35
38 L ntérêt de ce dagramme tent au fat que le paramètre C αε a une nfluence prépondérante : - la gamme de varaton du coeffcent C R tend en effet à être assez rédute (,17,22) : ce derner peut donc être fxé à,2 en premère approche. Par alleurs, une légère erreur sur la valeur de C R a peu d effet sur la valeur prédte de ε (t), compte tenu que le tassement prmare est achevé une fos la couverture fnale mse en place ; - l nfluence de la masse volumque ntale du déchet (ρ ) est peu mportante : l peut être montré qu une fluctuaton de 5 % sur sa valeur (,8 T/m 3 ± 5 %) ndut une erreur de prédcton maxmum de 2,5 %, tout étant égal par alleurs ; - l nfluence de la valeur de h (fxée par défaut à 1 m) est modérée : la prse en compte d une épasseur h égale à 5 cm ndut une augmentaton de ε (t) à hauteur de 4,5 % ; - H n ( t c ) enfn est dédut de nh (hauteur vrtuelle comprse entre 12 et 36 m) et C αε à l ade du Tableau 5. Tableau 5. Converson entre la hauteur vrtuelle (nh ) de la colonne de déchet et sa hauteur effectve en fn de constructon ( H t ) ) nh C αε =,4 n ( c C αε =,8 H ( t c ) n C αε =,12 C αε =,16 12 m 11,21 m 1,91 m 1,53 m 1,17 m 24 m 21,24 m 2,16 m 19,36 m 18,32 m 36 m 3,51 m 28,8 m 27,27 m 25,53 m Exemple d applcaton de l abaque de la Fgure 34 et du Tableau 5 : Consdérons une colonne de déchet dont on souhate évaluer le tassement post-explotaton 3 ans après la pose de la couverture. On supposera que la colonne a été construte au cours d une pérode de durée t c = 2 ans, que sa hauteur H n ( t c ) avosne 25 m et que sa compressblté secondare est assez élevée (OM brute à forte teneur en déchets fermentescbles : C αε,12). Par nterpolaton lnéare à l ade du Tableau 5, on évalue la hauteur vrtuelle nh de la colonne à envron 33 m. En se reportant à la Fgure 35 (avec t tc = 3 / 2 = 15), on détermne une déformaton ε (3 ans) proche de 24 %, équvalente à un tassement post-explotaton de 6 m Concluson sur la prédcton des tassements Les modèles de prédcton des tassements répertorés dans la lttérature ont en commun de ne pas prendre en compte la spécfcté du matérau déchet, caractérsé par son état de consoldaton (surconsoldaton partelle) et son hstore (âge crossant avec la profondeur). C est le cas notamment du modèle de Sowers (1973) qu ben que basé sur des los de comportement analogues à celles du modèle ISPM ne permet pas de prendre en compte le phasage d explotaton de l alvéole consdérée. Une évoluton du modèle de Sowers a été proposée par Bjarngard et Edgers (199), caractérsée par l ntroducton de 2 coeffcents de compresson secondare. Toutefos, l a pu être montré (Olver, 23) que cette évoluton ne fat que compenser artfcellement l erreur engendrée par la non prse en compte de l hstorque d explotaton. De ce pont de vue, le modèle ISPM permet, à partr d un coeffcent C αε unque, de prendre en compte correctement l évoluton du tassement de la colonne de déchet en foncton du temps. A ttre d exemple, l erreur relatve engendrée par l applcaton du modèle de Sowers à la place du modèle ISPM est llustrée dans le Tableau 6 s agssant d une colonne de déchet de hauteur vrtuelle 12, 24 ou 36 m et de caractérstques analogues à celles de l exemple précédent (Fgure 35). L erreur de prédcton de la déformaton post-explotaton à 1 ans apparaît comprse entre 8 36
39 et 45 %, suvant le temps de constructon consdéré (6, 12, 24 ou 36 mos) et la pérode de calbraton de C αε (12 ou 24 mos) (Tableau 6). Ce résultat correspond au cas d une colonne élevée à un rythme réguler au cours du temps : des erreurs plus mportantes sont à prévor s agssant d alvéoles explotées en pluseurs phases nterrompues par des pérodes d arrêt d explotaton. Tableau 6. Illustraton de l erreur consttutve du modèle de Sowers vs-à-vs du modèle ISPM ( ( ε ISPM ε Sowers ) ε ISPM ) à travers la prédcton de la déformaton de surface à 1 ans (à partr de la fn d explotaton) sur la base d une calbraton de C αε après 12 mos (ou 24 mos). Colonne de déchets de caractérstques dentques à celles de la Fgure 35. Hauteur vrtuelle (nh ) Temps de constructon (t c ) ( ε ε ) ε (1ans) ISPM Sowers ISPM Calbraton à 12 mos ( ε ε ) ε (1ans) ISPM Sowers ISPM Calbraton à 24 mos mos % 12,5 25,1 37,6 44,5 1,8 23,1 35,4 42,1 1,2 22,4 34,5 41,1 % 8,6 17,2 26,5 32,1 7,6 15,9 25, 26,2 7,2 15,4 24,4 29,7 4. Accélératon des tassements et de la stablsaton mécanque des déchets Dans un contexte de saturaton des stes exstants et de rsque de pénure d c 21 à 214 (Ademe, 23), la valorsaton des capactés de stockage devent plus que jamas un pont clé, tant pour les pouvors publcs que les explotants. Deux réponses peuvent ans être encouragées en parallèle, à savor : - la lmtaton des déchets à la source (qu passe essentellement par une réducton des emballages et par une évoluton du comportement des ménages) ; - l utlsaton accrue des capactés de stockage par optmsaton du phasage d explotaton et tratement des déchets. C est ce derner pont que nous nous proposons d aborder c à travers la présentaton des technques de prétratement bo-mécanque, de recrculaton des lxvats et enfn de posttratement par consoldaton statque ou dynamque. L applcaton de ces technques reste de fat assez tmde en France Prétratement bo-mécanque La drectve 1999/31/EC de la Commsson Européenne fxe pour objectf une réducton des quanttés de déchets bodégradables stockés en CSD. Sur la base des quanttés stockées en 1995, une réducton de 25 % des déchets organques est fxée pour 26, 5 % d c 29 ou encore 65 % d c à 216. En complément des flères classques permettant d'attendre ces objectfs (développement de la valorsaton, du compostage et de l'ncnératon), l'allemagne et l'autrche notamment proposent une flère supplémentare qu consste à prétrater bo-mécanquement les déchets avant enfoussement. Cela passe notamment par le crblage et le tr des déchets, leur broyage et leur tratement bologque par voe aérobe (aératon forcée) ou anaérobe (méthansaton). En France, cette flère est mons enclne à se développer car les objectfs de la drectve européenne sont respectés jusqu à 29 au mons (du fat des pourcentages ncnérés et de la valorsaton des boues de STEP, des déchets verts, etc.). Néanmons, tros untés de prétratement 37
40 de déchets bruts ou résduels assocées à des untés de stockage vennent de vor le jour en France (Carpentras, Mende et Lorent). En terme géotechnque, les mplcatons du prétratement sont multples. Tout d abord, les déchets prétratés s apparentant plus à des sols qu à des déchets bruts, leur compactage peut être envsagé au moyen de rouleaux lsses (après humdfcaton à l optmum Proctor). Des denstés de compactage très élevées sont observées, typquement de 15 à 4 % supéreures aux valeurs observées pour des déchets bruts de composton analogue. Au cours de la phase suvante de chargement, la densfcaton du matérau s accentue encore jusqu à attendre des nveaux de densté pouvant asément dépasser 1,2. Ben que très ntéressantes en terme de capacté de stockage, de telles caractérstques de densté peuvent néanmons entraîner des désagréments lés à la dmnuton de la perméablté du matérau : apparton de nappes perchées, captage nsuffsant des bogaz, méthanogénèse nstable. S l on se concentre plus partculèrement sur la pérode de post-explotaton (après pose de la couverture fnale), on s attend ntutvement à ce que ces déchets prétratés tassent mons que des déchets bruts de composton analogue. Il convent toutefos de noter le fable retour d expérence en la matère. S agssant de déchets mono-spécfques ou broyés, la structure homogène du matérau semble en outre assurer un tassement plus homogène dans l espace, garantssant ans une réducton substantelle des tassements dfférentels. En revanche, la cohéson du déchet se trouve affable par l absence de l effet de renforcement qu caractérse les éléments fbreux. S l on ajoute à cela l augmentaton possble des contrantes (en présence notamment de pressons ntersttelles) se pose alors la queston de la stablté des tumulus à court comme à long terme Recrculaton des lxvats ( boréacteurs ) Ces dernères années ont été marquées par l entrée en fonctonnement à ttre expérmental de pluseurs casers boréacteur, aux Etats-Uns, en Europe et en Australe notamment. Le boréacteur se dstngue du caser de stockage classque par la récrculaton de lxvat (ou d eau) dans le massf de déchet. De nombreux travaux ont montré en effet que la vtesse de bodégradaton est étrotement lée à la teneur en eau des déchets, avec un seul mnmum vosn de 15 à 3 % (masse d eau rapportée à la masse de déchet solde) au-dessous duquel la fermentaton semble bloquée. En outre, la recrculaton permet de répartr au meux populatons mcrobologques, enzymes, nutrments et agents nhbteurs qu condtonnent le déroulement normal des réactons bochmques dans le déchet. S l effet de la recrculaton des lxvats sur la bodégradaton (et par sute les tassements) est manfeste à l échelle de plotes de laboratore (Olver and Gourc, n press.) ou de mn-casers expérmentaux représentatfs de quelques mllers de tonnes de déchet [Sonoma County (USA), Yolo County (USA)], les condtons d applcaton à grande échelle ne sont pas encore totalement fnalsées. Consdérant les quelques stes boréacteur ayant fat l objet d un programme R&D ncluant un suv des tassements sur une pérode mnmale de 2 ans [(Lyndhurst, Australe) ; (Sandtown, USA) ; (Lons-le-Sauner, France)], on note un certan nombre de fablesses récurrentes parm lesquelles : - caser témon (sans recrculaton) absent ou sous-nstrumenté ; - débts rénjectés fluctuants ou ncertans ; - nfltratons va la couverture mal évaluées ; - mesures nsuffsantes en regard de la talle du caser étudé. Une autre dffculté tent à la répartton négale (horzontalement comme vertcalement) des fludes rénjectés dans le massf de déchet (Fgure 36). Que la rénjecton s opère au moyen de 38
41 puts vertcaux, de drans sub-horzontaux ou encore par l assocaton des deux dspostfs, se pose le problème de la concepton du réseau en len avec le rayon d acton des sources d njecton. Accélérer la stablsaton d un massf de déchet suppose que l on évte qu une parte mportante de celu-c reste non ou peu affectée. Pont central auquel des campagnes de terran assocant auscultaton géophysque et suv des tassements tentent actuellement de répondre sur les stes boréacteur de Lons-le-Sauner et Grand Landes. Hauteur d nfluence de la recrculaton - Repère n 1 : 9 % de la hauteur Put ou tranchée de rénjecton n x x x x x 3 bs Put ou tranchée de rénjecton n 2 - Repère n 3 : 4 % de la hauteur - Repère n 4 : pas d nfluence x 3 ter 3 m 3 m Fgure 36. Illustraton du rayon d acton des flux de lxvat recrculés Consoldaton par chargement statque ou dynamque Les deux technques présentées c-dessous sont classques dans le cas de remblas de terre (géotechnque routère, fondatons), beaucoup mons en revanche s agssant de matéraux dégradables au cours du temps. Elles sont abordées à la fos dans une perspectve de gan de volume stockable et de stablsaton à long terme. Consoldaton par chargement statque Cette 1 ère technque consste à dsposer une surcharge sur un massf de déchet avec pour objectf : - à court terme : comprmer actvement le déchet sous l effet du pods de la surcharge ; - à long terme : mnmser les tassements post-explotaton de manère à les rendre compatbles avec les crtères de requalfcaton du ste consdéré. En France, quelques rares expérmentatons de chargement statque de déchets par remblas de terre ont été menées au début des années 198 sur les décharges de Roanne et d Arnouvlle [Carter (1981), Carter et Baldt (1983)]. Pluseurs expérmentatons du même type ont été entreprses au Canada et aux Etats-Uns au cours des deux dernères décennes. S le tassement prmare (mmédat) résultant du chargement a pu être mesuré, le suv n a pas perms d estmer l effet du chargement sur le tassement secondare (retardé), dont l ampltude détermne en grande parte le comportement du matérau à long terme. Deux campagnes de mesure nterne des tassements menées sur des alvéoles caractérsées par un remplssage en 2 phases successves séparées par un temps de repos (CSD de Chatuzange et de Lapouyade) ont toutefos perms de trer quelques ensegnements sur l effet retardé de l applcaton de surcharges sur un déchet ménager (Olver, 23). Ben que ces études (en cours depus 3 ans) nécesstent d être poursuves, elles ont perms de dresser deux constats provsores, à savor que : - le rechargement d une colonne de déchet de grande hauteur (H > 2 m) a peu d effet sur les déformatons à long terme : manten d une cnétque quas-nchangée à l ssue d une phase d accélératon des tassements de quelques mos ; 39
42 - le rechargement d une colonne de déchet de fable hauteur (H < 12 m) semble en revanche entraîner une accélératon durable de la cnétque de tassement. S la technque du chargement statque garde son ntérêt évdent de gan de volume à court terme, les observatons précédentes suggèrent qu l ne garantt en ren une melleure stablsaton à moyen terme. L mpact à long terme reste quant à lu ncertan. Consoldaton par chargement dynamque Le compactage dynamque est un procédé parfos utlsé pour les déchets avec pour objectf de : - consolder les couches de déchet en place afn d augmenter la capacté de stockage d un caser ; - lmter l ampltude totale des tassements et maîtrser leur évoluton dans le temps de manère à évter tout rsque de rupture / ponçonnement de la couche d étanchété de couverture sous l effet des tassements dfférentels, y comprs dans le cas d une extenson vertcale de caser ( pggy-backng ) ; - trater d ancens dépôts de déchets dans le cadre de travaux de requalfcaton (vore, etc.) pour lesquels le volume de matérau ne permet pas d envsager le curage de la zone. C est en len avec ce derner objectf que d ancennes décharges aux Etats-Uns ont été chargées dynamquement dans le cadre de projets de requalfcaton d envergure : un complexe de losrs à Détrot, dfférents mmeubles à Memphs et San-Dego, l unversté de Seattle et même l aéroport La Guarda à New York! La technque consste à quadrller une zone de stockage de déchets et à applquer à ntervalles régulers une contrante dynamque occasonnée par la chute lbre d un plon de 6 à 3 tonnes d une hauteur de 1 à 3 m (Fgure 37). La profondeur d nfluence maxmale est ajustable dans une gamme de 3 à 9 m, foncton de la nature des déchets et de ses caractérstques physques (porosté et teneur en eau), de la forme et de la masse du plon et enfn de la hauteur de chute lbre. En comparason, la profondeur d nfluence d un compacteur statque courant vare approxmatvement de,6 m à 2 m. Fgure 37. Illustraton de la consoldaton dynamque (CSD de Gvrand) (a) Chute du plon (b) Cavté formée après plonnage. En terme quanttatf, des tassements de 5 à 25 % (pour une moyenne de 1 %) sont observés après sollctaton dynamque. Cec se tradut par une augmentaton par un facteur 3 à 4 de la radeur des déchets. Pour un déchet à forte composante bodégradable rapde (déchets ménagers putrescbles, déchets verts), un mnmum de 4 à 5 années de stockage semble souhatable (dans des condtons de méthanogénèse stable) pour que suffsamment de vdes aent été lbérés sous 4
43 l effet de la dégradaton et que le compactage dynamque sot plenement proftable (effondrement de la structure?). Pour un matérau déchet à composante bodégradable essentellement lente (paper, carton, certans DIB), un mnmum de 1 à 15 ans est préférable. Pour fnr, l convent de garder à l esprt que l effcacté de la consoldaton dynamque est lmtée à la fos par : - la nature du déchet (élastcté du squelette, porosté, dégradaton) ; - la profondeur du déchet (profondeur d acton < 9 m) ; - la teneur en eau du déchet (effcacté quas-nulle en cas de saturaton, l énerge de compactage étant absorbée par l eau elle-même). 5. Contrôle des tassements dfférentels 5.1. Evaluaton des tassements dfférentels Deux valeurs sont nécessares pour défnr un tassement dfférentel : l ampltude maxmale de flexon (w 2 w 1 ) et la dstance (l) entre le rebord et le fond de la dépresson (Fgure 38). Etat ntal Etat fnal w 1 Ampltude max (w 2 - w 1 ) α l w 2 Fgure 38. Schéma d évaluaton d un tassement dfférentel Ces valeurs permettent de défnr 2 paramètres prs ndfféremment comme crtère de tassement dfférentel admssble : Dstorson (%) : w2 w1 1. ( = tanα) où α est l angle moyen de fléchssement l Déformaton de fbre (%) : δl l 1 = 1. 1 cos α (ndépendant de la largeur de la dépresson) Il faudrat pour une analyse de l effet de dstorson également prendre en compte l épasseur h c de la couche de couverture. L effet d un effondrement localsé sera d autant mons pénalsant que la portée sera mons large (l pett) et que l épasseur h c sera mportante. On peut montrer que le l 2 est détermnant de ce pont de vue. rapport ( ) h c En relaton avec les campagnes topographques de terran, les tassements dfférentels peuvent être évalués à partr de profls de mesure resserrés (repères classques de surface ou proflomètres). La Fgure 39 llustre un suv des tassements à l ade de 2 proflomètres nstallés à cheval sur 2 casers adjacents de géométre dentque mas d âge dfférent (caser G : début du levé topographque 13 mos après la fn d explotaton, caser H : 4 mos seulement). L analyse pont par pont du profl de mesure contnu (1 mesure chaque 2 m) permet de détermner la dstorson max (12,5 %) et par sute la déformaton max le long des deux tubes (,78 %). 41
44 22 m Proflomètre 2 : 61 m Ancen caser (G) Proflomètre 1 : 56 m Nouveau caser (H) Plot D Dstance (m) à partr du plot de réfèrence D , 4,93 mos 9,99 mos 2,9 mos 37,18 mos 58,82 mos Tassement (m),2,4,6,8 1, 1,2 1,4 Dstorson max : 12,5 % Déformaton de fbre max :,78 % Fgure 39. Evoluton du profl de tassement en foncton du temps (CSD de Montech - casers G et H levé ntal le 29/6/1998) Dspostons constructves en len avec les couvertures de stockage Pour conforter la bonne tenue des couvertures face aux tassements dfférentels, l est possble en premer leu d agr sur la mse en œuvre des déchets lors de la phase d explotaton en vellant à : - évter la concentraton de déchets nertes (gravats, débrs de constructon), de monstres (les apparels ménagers favorsant les effondrements ) ou encore de déchets très compressbles (boues, fruts et légumes, etc.) ; - assurer un compactage homogène, notamment au vosnage des talus et des puts vertcaux ; - assurer une humdfcaton homogène du déchet à la fos en phase d explotaton et de postexplotaton. Une fos la phase d explotaton termnée, l est possble de dfférer l nstallaton de la couverture fnale ncluant au mnmum une couche d étanchété et des couches de dranage (effluents gazeux, eau de russellement). Rappelons que la mse en place retardée de la couverture fnale présente l avantage de lasser s écouler la phase ntale de tassement au cours de laquelle la cnétque est la plus forte. Ans, l peut être judceux d envsager la mse en place de la couverture en deux temps suvant les 2 séquences suvantes : - nstallaton d une couverture provsore mmédatement après la fn d explotaton ; - nstallaton de la couverture fnale après quelques années. Compte tenu toutefos des exgences de recyclage des bogaz, peu d explotants retennent la soluton précédente. Il reste alors à agr sur le chox et la mse en œuvre de la couverture dont la couche d étanchété est caractérsée par un crtère de perméablté, un crtère de résstance à la 42
45 dessccaton (pour les couches mnérales) et enfn un crtère de déformablté (recherche d une flexblté suffsante pour supporter les tassements sans fssuraton). De fat, les barrères de couverture compactées sont presque toujours excessvement rgdes. La résstance est prvlégée par rapport à la flexblté, alors que c est l opton nverse qu devrat être envsagée. Du fat de leur ansotrope et leur fable résstance à la dessccaton et aux déformatons, les argles satsfont rarement aux spécfcatons auxquelles elles sont censées répondre, à commencer par la perméablté. La déformaton que peut subr une couche de matérau argleux compacté avant que n apparassent des fssuratons dépend pour une large part de son état d hydrataton. Les matéraux dont la teneur en eau est supéreure à l optmum de compactage Proctor peuvent subr plus de déformatons que des matéraux caractérsés par une teneur en eau nféreure à cet optmum. Suvant leur composton, leur teneur en eau et leur densté, les argles sont en défntve capables de supporter sans fssuraton des déformatons comprses entre,1 et 1 %, équvalentes à des dstorsons de 5 à 15 % envron. Dans ce contexte, une manère de prévenr les effets des tassements dfférentels consste à prvléger des matéraux synthétques (nappes polymères) souples et extensbles, dans la mesure où ls répondent par alleurs aux fonctons premères (étanchété, dranage). On utlsera alors des géomembranes ou encore des géosynthétques bentontques, seuls ou assocés à une couche mnérale. En comparason des argles courantes, la plupart des géomembranes sont capables de supporter des déformatons comprses entre 5 et 2 %. On notera qu une soluton alternatve pour dmnuer la macro-fssuraton des argles pourrat consster à les renforcer par des fbres courtes (procédé analogue à celu des bétons de fbres). En complément, la mse en place d un réseau de dégazage aéren supporté par des cannes télescopques permet (jusqu à un certan pont) d évter l apparton de ponts bas sur le réseau. Pour de plus amples détals sur le chox et le dmensonnement des couvertures de CSD, l est consellé de se référer au «Gude pour le dmensonnement et la mse en œuvre des couvertures de stes de stockage de déchets ménagers et assmlés» (ADEME - BRGM, 21). 6. Tassements des déchets aux vosnage des talus 6.1. Quel rsque de rupture à long terme pour un tumulus de déchet? Quelques cas de rupture de talus sont rapportés dans la lttérature résultant essentellement de glssements survenus le long des barrères d étanchété - dranage de fond et des nterfaces déchet - nappes géosynthètques. D mportants désordres peuvent également survenr sute à la rupture du sol de fondaton, à la rupture en tracton des nappes géosynthétques ou au glssement de la barrère de couverture. Plus rares sont les ruptures survenant à l ntéreur du déchet lu-même. Comme pour les sols fns, l eau consttue souvent la source prncpale de désordre dans les déchets avec l apparton de surpressons ntersttelles résultant de la saturaton en eau (phénomène potentellement accentué par la rénjecton de lxvats), la présence de couches de fable perméablté déchet surcompacté, couches de sol ntermédares (couvertures journalères) ou encore l absence ou le dysfonctonnement des drans d évacuaton des lxvats ou du bogaz. Exceptonnellement, une rupture dans la masse du déchet peut survenr (en l absence de presson ntersttelle) le long de l nterface entre deux phases de stockage de déchet (plan de glssement préférentel) comme ce fut le cas sur le ste de Bulbul Drve en Afrque du Sud (Fgure 4). 43
46 Fgure 4. Photo aérenne du talus de Bulbul Drve (Afrque du Sud) avant et après rupture (Brnk et al., 1999) En dépt de leur caractère spectaculare, de telles ruptures de talus restent très rares : tout au plus quelques cas sont répertorés chaque année dans le monde. En comparason, les nombreux désordres causés par les grandes déformatons de tumulus de déchets (sans amorce de rupture) représentent un mpact fnancer plus mportant. Ces déformatons de talus sont en effet à la source de multples dysfonctonnements (nversons de pente, rupture localsée des barrères de couverture) préjudcables d un pont de vue à la fos sécurtare et économque (futes d effluents lqudes et gazeux, surcoûts de mantenance sute aux nterventons répétées) Analyse des déformatons 3D au vosnage des talus La méthode d analyse de stablté de talus la plus courante, par analoge avec les méthodes employées pour les sols, est l approche à l équlbre lmte à la rupture qu consste à rapporter la contrante agssant le long de la surface de glssement potentelle à la résstance dsponble du matérau. Cela mplque à la fos que : - la résstance du matérau sot clarement étable (crtère à défnr) ; - l hypothèse du mécansme de rupture consdéré sot pertnente ; - la méthode d évaluaton de la sécurté sot étable (coeffcent de sécurté à défnr). Une telle approche à l état lmte tradut cependant assez mal les proprétés rhéologques du matérau déchet. Tands que la plupart des matéraux mnéraux attegnent leur pc de csallement pour des déformatons vosnes de 5 %, les déchets ménagers ont en effet la partcularté de vor leur résstance croître jusqu à des déformatons très mportantes (Fgure 41). Cette dfférence de comportement s explque notamment par la présence d éléments nappes (plastque, paper, textle, etc.) dans le matérau. Il a été montré que ces matéraux ans renforcés étaent capables de moblser des forces de tracton ( cohéson de fbre ), ce qu explque au passage leur capacté à être talutés sur des pentes quas vertcales (comportement type sol renforcé ). Les phénomènes observés tradusent plutôt de grandes déformatons de fluage que des ruptures franches. Comme pour tout ouvrage en terre, en suvant les Eurocodes, on devrat assocer à un calcul aux ELU (Etats Lmtes Ultmes) un calcul aux ELS (Etats Lmtes de Servce) prenant en compte un crtère de déformaton max jugé acceptable suvant le rsque consdéré. Des recherches vennent d être lancées en ce sens compte tenu d une part de l ntérêt crossant des DRIRE pour ce problème et d autre part des enjeux économques pour les explotants (optmsaton des volumes explotables par radssement des talus). 44