Autocurage (HU)

Traduction anglaise : Self cleansing

Dernière mise à jour : 05/03/2024

Aptitude d'une conduite d'assainissement à transporter les écoulements et les solides qu'elle reçoit sans s'encrasser.

En pratique, un bon autocurage impose que la capacité de transport des particules solides soit suffisante pour éviter leur dépôt et leur décantation.

Éléments d'historique

Différents critères utilisés

Plusieurs paramètres empiriques ont été utilisés dans différents pays et à différentes époques pour établir les conditions minimales censées assurer l'autocurage des réseaux unitaires et séparatifs :

• la pente : Utilisé seul, c'est le paramètre le moins pertinent et le moins utilisé et seules quelques valeurs sont disponibles ;
• la vitesse : c'est le critère le plus souvent employé et il existe de très nombreuses valeurs limites dans la littérature ;
• la contrainte de cisaillement : Ce critère est surtout utilisé dans les pays scandinaves.

Les tableaux des figures 1, 2 et 3 fournissent des exemples de vitesses d'autocurage et de contraintes de cisaillement qui ont été utilisées dans différents pays comme critère d'autocurage.

Figure 1 : Conditions d'autocurage des réseaux d'après l'instruction technique de 1977.

Figure 2 : Valeurs minimales des vitesses d’écoulement pour l’autocurage préconisées dans différents pays ; Synthèse des travaux de Ackers et al (1994), Artières (1987), May (1995), Nalluri et Ab. Ghani (1995).

Figure 3 : Valeurs minimales des contraintes de cisaillement pour l’autocurage préconisées dans différents pays ; Synthèse des travaux de Ackers et al (1994), Artières (1987), May (1995), Nalluri et Ab. Ghani (1995).

État des connaissances

Des travaux importants ont été conduits à partir des années 1990 par le groupe de travail Sewer sediment du JCUD (Joint committee for Urban Drainage, voir Hydrologie urbaine (HU)). Ces travaux ont été synthétisés dans Ashley et al (2004). Les principales conclusions de ces travaux sont les suivantes.

• Une contrainte de cisaillement minimum $ τ_w $ de 16 N/m² est préconisée ; comparativement au tableau de la figure 3, cette valeur de $ τ_w $ est beaucoup plus élevée.
• L'application des critères de vitesse minimale ou de contrainte de cisaillement minimale conduit à des pentes trop fortes pour les conduites de diamètre inférieur à 500 mm, et à des pentes insuffisantes pour les conduites de plus grand diamètre.
• Le caractère cohésif des dépôts, les caractéristiques hydrodynamiques des solides et la variabilité des conditions hydrauliques jouent un rôle important dans les processus de dépôt, de sédimentation, d'érosion et de transport des solides, et donc dans l'obtention ou non d'un autocurage.
• Un meilleur autocurage suppose de prendre simultanément en compte plusieurs paramètres tels que la pente, le débit, la hauteur de remplissage des conduites et la concentration en solides transportés par l'écoulement.
• En termes d'exploitation un des résultats a priori paradoxal montre que la capacité de transport solide d'un écoulement est plus élevée en présence d'un léger dépôt que dans la même conduite sans dépôt, et qu'il existe des hauteurs optimales de dépôts en fonction des autres paramètres pris en compte.

Synthèse et préconisations

Tous ces travaux font apparaître des valeurs de pentes, de vitesses ou de contraintes de cisaillement assez dispersées et difficilement comparables entre elles, car observées ou calculées dans des contextes différents. Il est donc délicat pour le projeteur de se faire une doctrine pour savoir comment déterminer les conditions d’autocurage et quelles sont les valeurs à respecter.

Nous proposons une règle pratique consistant à respecter à la fois une condition de pente et une condition de contrainte de cisaillement au radier.

Condition de pente

La première règle consiste à éviter les pentes inférieures à 3/1000. En effet, lorsque la pente devient inférieure à cette valeur, les difficultés de pose peuvent provoquer des variations de profil qui ne permettent plus d’assurer ponctuellement les capacités d’autocurage. Si cette condition ne peut pas être respectée, il y aura lieu d'être extrêmement attentif à la qualité de la pose dans les secteurs concernés (Memento technique ASTEE) ;

Condition de contrainte de cisaillement au radier

C'est la contrainte de cisaillement au radier qui détermine la capacité de mise en mouvement d'une particule déposée sur le fond d'une conduite (voir Transport solide de fond (HU)). Il est donc logique de la prendre en compte pour vérifier les conditions d'autocurage. Cette grandeur s'exprime de la façon suivante dans le cas d'un régime uniforme :

$ τ_w=ρ.g.R_h.I \qquad (1) $

et de façon plus générale, dans le cas d'un écoulement graduellement varié, en fonction de la pente de la ligne d'énergie :

$ τ_w=ρ.g.R_h.J \qquad (2) $

Avec :

• $ ρ $ : masse volumique de l'eau (kg/m³) ;
• $ g $ : accélération de la pesanteur (m/s²) ;
• $ R_h $ : rayon hydraulique correspondant au débit de pointe de temps sec pour les réseaux unitaires et les réseaux séparatifs eaux usées et au débit généré par une pluie mensuelle pour les réseaux séparatifs pluviaux (m) ;
• $ I $ : pente de la canalisation (m/m) ;
• $ J $ : pente de la ligne d'énergie (m/m).

Prendre en compte la ligne d'énergie est plus correct car, selon les conditions de l'écoulement (influence aval, présence d'ouvrage spécial ou de singularité hydraulique, etc.), la pente de la ligne d'énergie (qui est égale aux pertes de charge linéaire) peut être très différente de la pente du radier.

La plupart des modèles hydrauliques utilisent les équations de Barré de Saint Venant et sont parfaitement capables de fournir la valeur locale de $ J $.

Une approche de ce type a été utilisée par Laplace (1991) (voir Transport solide de fond (HU)). L'auteur a en particulier établi une relation linéaire entre le diamètre médian des particules susceptibles de se déposer, exprimé en mètres, et la quantité $ (R_h.J) $, elle aussi en mètres :

$ D_{50} = 9,9.(R_h.J) + 0{,}000051 \qquad (3) $

Soit, en remplaçant $ (R_h.J) $ par son expression en fonction de $ τ_w $ :

$ D_{50} = 9,9.(\frac{τ_w}{ρ.g}) + 0{,}000051 \qquad (4) $

c'est à dire encore en remplaçant $ ρ.g $ par sa valeur numérique :

$ D_{50} = 0{,}00101.τ_w + 0{,}000051 \qquad (5) $

Avec :

• $ D_{50} $ : diamètre médian caractéristique du dépôt (m) ;
• $ R_h $ : rayon hydraulique de la conduite (m) ;
• $ J $ : pente de la ligne d'énergie (m/m) ;
• $ ρ $ : masse volumique de l'eau (1000 kg/m³) ;
• $ g $ : accélération de la pesanteur (9,81 m/s²) ;
• $ τ_w $ : Contrainte de cisaillement au radier (N/m²).

La valeur de $ R_h $ prise en compte, comme dans le cas de Ashley et al (2004), est celle correspondant au débit maximum de temps sec.

Les observations de validation effectuées sur l'ensemble du réseau unitaire visitable de Marseille ont montré que l’autocurage est généralement établi pour des $ D_{50} $ ≥ 10 mm, c'est à dire pour des valeurs de $ τ_w $ ≥ 10 N/m². Cette valeur se situe entre celles données dans le tableau de la figure 3 (valeurs de 2 à 6,2 N/m², pour lesquelles des dépôts sont encore observés à Marseille) et celle préconisée par Ashley et al (valeur de 16 N/m² pour laquelle il n’y a plus de dépôts observés à Marseille).

La même étude a permis d’observer que les dépôts étaient principalement minéraux, avec une masse volumique médiane de 2 600 kg/m³ dès lors que $ D_{50} $ ≥ 2 mm.

Cette approche montre que l’autocurage n’est réellement atteint que lorsque le diamètre des particules à transporter reste inférieur au $ D_{50} $ qui caractérise la capacité de transport de l’écoulement calculée au maximum de son débit de temps sec, selon sa valeur de $ (R_h.J) $.

Cet équilibre permet d'orienter les solutions techniques pour limiter la formation des dépôts selon deux axes principaux :

• diminuer la taille des particules à transporter ;
• augmenter la valeur du couple $ (R_h.J) $.

L'intérêt de cette approche est donc de fournir d'autres idées pour limiter les risques d'ensablement des conduites. Voir Gestion de l’ensablement (HU).

Bibliographie :

• Ackers, J.C., Butler, D. May, R.W.P. (1994) : Design of sewers to control sediment problems ; CIRIA Report RP 462, Funders Report FR/CP/27.
• Artières, O. (1987) : Les dépôts en réseau d'assainissement ; Origine, caractéristiques, pollution, transport ; thèse de doctorat ; ENITRTS-IMF ; Strasbourg ; 214 p.
• Ashley, R. M., Bertrand-Krajewski, J.-L., Hvitved-Jacobsen, T. (2004) : Solids in Sewers ; IWA publishing.
• Laplace, D. (1991) : Dynamique du dépôt en collecteur d’assainissement ; Thèse de doctorat de l’Institut National Polytechnique de Toulouse ; ENSEEIHT ; 202 p. + annexes.
• May, R.W.P. (1995) : Development of design methodology for self-cleaning sewers ; Proceedings of the IAWQ International Conference on Sewer Solids ; Dundee ; pp 142-155.
• Nalluri, C., Ab. Ghani, A (1995) : Sewer design options ; Proceedings of the IAWQ International Conference on Sewer Solids ; Dundee ; pp 223-229.