Écoulement de l’eau dans les sols

Écoulement de l’eau dans les sols

Conductivité hydraulique

La conductivité hydraulique (k) correspond à la capacité d’un sol à laisser s’écouler un fluide, en l’occurrence l’eau. Plus la conductivité hydraulique est élevée, plus l’eau circule aisément dans le milieu poreux. Typiquement, lorsque le sol est saturé, on mesure des valeurs de conductivité hydraulique ksat entre 10·2 et 10·3 cm/s pour un matériau granulaire comme le sable et entre 10·6 à 10·9 cm/s pour un sol fin tel que l’argile (Holtz et Kovacs, 1991; Hill el, 2004).
Plusieurs facteurs peuvent affecter la conductivité hydraulique. Tel que mentionné précédemment
à la section 2.1.2, lorsque le sol est saturé, tous les pores sont connectés et la conductivité hydraulique est maximale, on parle alors de conductivité hydraulique saturée ( k sat)· Par contre, quand le sol est partiellement saturé le réseau est plus tortueux à cause de la présence d’air dans les pores, ce qui réduit la conductivité hydraulique (Hillel, 2004; Fredlund et al. 2012). Dans le même ordre d’idée, la conductivité hydraulique est plus faible pour un sol fin que pour un sol granulaire, car les pores sont petits. Ainsi, même si le sol fin a une porosité totale plus élevée, c’est la grosseur des pores qui contrôle l’intensité de l’écoulement. La conductivité hydraulique peut également être affectée par tout processus chimique, physique ou biologique pouvant modifier la composition du sol (Hillel, 2004). Par exemple, l’entrainement de particules fines ou la formation de minéraux secondaires peuvent bloquer des pores et ainsi limiter l’écoulement.
Au laboratoire, on mesure généralement ksat, car elle est utilisée dans plusieurs équations et permet, avec la courbe de rétention d’eau, d’estimer la fonction de conductivité hydraulique.
L’appareil utilisé est un perméamètre et les mesures sont prises à charge variable ou constante (Freeze et Cherry, 1979; Hillel, 2004; Holtz et Kovacs, 1991). Pour les résidus miniers, un perméamètre à parois rigides ou flexibles est adéquat ; les deux méthodes donnent des résultats similaires (Chapuis et Aubertin, 2003). Par contre, pour les matériaux très grossiers comme les stériles, il est préférable de réaliser les essais dans un permamètre à parois rigides de grande dimension tel qu’une colonne de 30 cm de diamètre (Hernandez, 2007; Peregoedova, 2012; Kalonji-Kabambi, 2014). Les particules étant significativement plus grosses, de meilleurs résultats sont obtenus avec une plus grande quantité de matériau dans un appareil plus adapté.

Fonction de conductivité hydraulique

La fonction de conductivité hydraulique représente graphiquement la variation de la conductivité hydraulique selon la teneur en eau volumique dans le sol ou la succion matricielle. Des méthodes de mesure en laboratoire existes pour déterminer la fonction, mais elles demandent beaucoup de
temps et sont relativement difficiles à mettre en œuvre (Hillel, 2004; Fredlund et al. 2012). Généralement, on utilise plutôt des modèles de prédiction.
La conductivité hydraulique en milieu non-saturé peut être exprimée comme une fraction de la conductivité hydraulique saturée selon l’équation suivante (Mualem, 1976; Mbonimpa et al. 2006; Fredlund et al. 2012):k=krksat où kr : conductivité hydraulique relative Burdine (1953) et Mualem (1976) ont proposé des modèles de prédiction de kr inspirés des travaux de Childs et Collis-George (1950). Le modèle descriptif de la CRE proposé par van Genuchten (1980) (tableau 2.1) a permis d’obtenir des solutions analytiques de ces équations (Fredlund et al. 2012; tableau 2.3). Le tableau 2.3 présente également l’équation de Fredlund et Xing (1994) pour la CRE. Les modèles de Burdine (1953) et Mualem (1976) sont intégrés dans le logiciel RETC développé par van Genuchten et al. (1991).

Effets de barrière capillaire

L’objectif d’une CEBC en milieu humide est de limiter le passage de l’oxygène à travers le recouvrement, tout en réduisant les infiltrations d’eau, en maintenant la couche de faible perméabilité à un degré de saturation de 85 %et plus (Aubertin et aL 1995; Aachib et aL 1997).Pour ce faire, le mode de restauration exploite les caractéristiques des écoulements en milieu non saturé et le contraste entre les propriétés hydrogéologiques des matériaux fins et grossiers.
On observe des effets capillaires lorsqu’un matériau fin est placé sur un matériau plus grossier.Dans la CEBC, ces effets se développent entre la couche de faible perméabilité et la couche de bris capillaire ou la couche de drainage. Les figures 2.4 et 2. 5 illustrent les courbes de rétention d’eau et les fonctions de conductivité hydraulique typiques d’un sable et d’un silt. L’observation des courbes de rétention d’eau permet de constater que le sable a une valeur d’entrée d’air (AEV) plus faible que le silt, ainsi qu’une pente de courbe de drainage significativement plus élevée.Ainsi, le matériau grossier se draine rapidement, avant le matériau fin. En parallèle, la figure 2.5 montre que la conductivité hydraulique du sable diminue abruptement avec l’augmentation de la succion jusqu’à une valeur inférieure à celle du silt. Ainsi, dans une CEBC, l’eau en provenance de la surface circule d’abord dans une couche de matériau fin à forte rétention d’eau, puis l’écoulement est freiné par une couche de matériau grossier de faible conductivité hydraulique.L’effet combiné des caractéristiques des deux types de sols contribue donc à maintenir la couche de rétention d’humidité saturée. Pour que le recouvrement fonctionne bien, il est recommandé d’avoir une différence de trois ordres de grandeur entre les conductivités hydrauliques saturées de la CRH et de la couche de bris capillaires du bas.

Table des matières

LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
LISTE DES SIGLES ET ABRÉVIATIONS
LISTE DES ANNEXES
CHAPITRE 1 INTRODUCTION
1.1 Drainage mini er a ci de
1.2 Couvertures avec effets de barrière capillaire (CEBC)
1.3 Contexte et objectifs du projet
1.4 Structure du mémoire
1.5 Retombées potentielles du projet.
CHAPITRE 2 REVUE DE LITTÉRATURE
2.1 Écoulement de l’eau dans les sols
2.1.1 Écoulement de l’eau en milieu poreux saturé
2.1.2 Écoulement de l’eau en milieu poreux non-saturé
2.2 Propriétés hydriques des matériaux
2.2.1 Courbe de rétention d’eau
2.2.2 Conductivité hydraulique
2.2.3 Effets de barrière capillaire
2.3 Mouvement de l’oxygène dans un milieu poreux
2.3.1 Diffusion de l’oxygène dans un milieu non-réactif
2.3.2 Diffusion de l’oxygène dans un milieu réactif
2.4 Évaluation de la performance d’un recouvrement
2. 4.1 Qualité du lixiviat
2.4.2 Mesure des flux d’oxygène
2.5 Valorisation des rejets miniers dans la restauration des sites miniers
2.5.1 Aperçu des concepts de valorisation des rejets miniers
2.5.2 Valorisation des rejets miniers dans les CEBC
2.5.3 Particularités des matériaux pré-oxydés
2.5.4 Cas du site Westwood-Doyon
CHAPITRE 3 MATÉRIAUX ET MÉTHODES
3.1 Méthodologie
3.2 Matériaux étudiés
3.3 Méthodes et résultats de caractérisation des propriétés de base des matériaux
3.3.1 Granulométrie
3.3.2 Densité relative des grains (Dr)
3.3.3 Conductivité hydraulique saturée (ksat)
3.3.4 Courbe de rétention d’eau (CRE)
3.3.5 Digestion et ICP-AES
3.3.6 Soufre-carbone
3.3. 7 Diffraction des rayons X
3.3.8 Diffusion/consommation d’oxygène
3.4 Essais en colonnes
3.4.1 Configuration des colonnes étudiées
3.4.2 Instrumentation
3.4.3 Montage
3.4.4 Essai de mouillage-drainage et suivi
3.4.5 Démantèlement
CHAPITRE 4 ARTICLE 1-ACID-GENERATING WASTE ROCKS AS CAPILLARY
BREAK LAYERS IN COVERS WITH CAPILLARY BARRIER EFFECTS FOR MINE SITE
RECLAMATION
4.1 Introduction
4.2 Materials and methods
4.2.1 Material sampling and preparation
4.2.2 Geotechnical and hydrogeological properties
4.2.3 Chemical and mineralogical properties
4.3 Column tests
4.3.1 Configuration and instrumentation
4.3.2 Tests and monitoring
4.4 Results and interpretation
4.4.1 Hydrogeological behavior
4. 4. 2 Geochemical behavior
4.5 Discussion
4. 5.1 The effect of co vers on the geochemical behavior of acid-generating waste rocks
4.5.2 The effect ofwaste rock type on the geochemical behavior of covers
4.6 Final remarks
4.7 References
CHAPITRE 5 DISCUSSION
5.1 Modélisation hydrogéologique
5.2 Calcul d’équilibre thermodynamique
5.3 Complément d’information sur la performance des recouvrements
5.3.1 Correspondance des données hydrogéologiques des essais en colonnes avec les CRE
des matériaux
5.3.2 Flux d’oxygène
5.4 Performance générale des CEBC étudiées
CHAPITRE 6 CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS
6.1 Rappel des objectifs et de la méthodologie utilisée
6.2 Conclusions
6.3 Limites de l’étude
6.4 Recommandations
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES

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