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Puits de stockage et d'infiltration (HU)

De Wikhydro

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Traduction anglaise : Stormwater infiltration well, infiltration pit, soakaway

Dernière mise à jour : 31/07/2023

Ouvrage ponctuel et profond creusé dans le sol et capable de stocker provisoirement des eaux pluviales et/ou de les infiltrer ; on parle également de puits de rétention/infiltration ; si l'évacuation se fait uniquement par infiltration, on parle simplement de puits d'infiltration et parfois de puits filtrant (attention ce dernier terme est ambigu car il est également utilisé dans le domaine du BTP pour désigner un puits destiné à rabattre une nappe d'eau souterraine).

Les puits de stockage-infiltration des eaux pluviales font partie des solutions alternatives de gestion des eaux pluviales.

Nota : Nous déconseillons fortement l'utilisation du terme ancien de "puits perdu" pour désigner ce type d'ouvrage car il sous-entend un oubli et donc un manque d'attention et d'entretien (voir § "Historique"). Le terme "puisard", également parfois utilisé dans ce sens, est ambigu car il a également d'autres significations.

Sommaire

Généralités

Principes et variantes

Sur le plan constructif, il existe deux grandes familles de puits de stockage-infiltration :

  • les puits préfabriqués,
  • les puits comblés.

Puits préfabriqué

Un puits préfabriqué est constitué d’une canalisation, perméable ou non selon le mode de restitution, de forme circulaire, de diamètre compris entre 80 centimètres et 2 mètres et enterrée verticalement dans le sol.


Figure 1 : Pour les puits préfabriqués on utilise soit des tuyaux perforés, comme sur cette photo, soit des tuyaux en béton poreux ; crédit photo Bernard Chocat.

Les puits de ce type sont généralement vides pour maximiser leur volume de stockage car la rigidité des parois assure la résistance mécanique. Ils peuvent également être comblés pour faciliter leur entretien et améliorer la sécurité ainsi que la qualité des eaux infiltrés.

Nota : La plupart des puits d'infiltration préfabriqués sont construits avec des matériaux perméables (buses perforées, voir figure 1, ou béton poreux) permettant d'exfiltrer l'eau par les parois. Certains sont cependant construits avec des buses pleines. Dans ce cas l'infiltration ne peut se faire que par le fond avec un risque important de colmatage (voir § "Surface d'infiltration à prendre en compte").

La profondeur d'un puits préfabriqué peut aller jusqu’à 6 mètres, voire davantage. Elle est de toute façon limitée par la profondeur de la nappe (il est nécessaire de conserver environ 1 mètre entre le fond du puits et le plus haut niveau hivernal de la nappe, même dans le cas des puits étanches ; voire § "Implantation").

Si une profondeur plus grande est nécessaire, il faut utiliser plusieurs puits en série. Dans ce cas, il est préférable de réserver une distance entre les bords des puits si possible égale à la profondeur et dans tous les cas au moins égale au diamètre pour faciliter leur installation ainsi que leur fonctionnement dans le cas de puits d'infiltration (voir figure 2).


Figure 2 : Distance minimale à respecter entre les puits en cas d'ouvrages en série.

Puits comblé

Un puits comblé est un ouvrage de forme quelconque (généralement sensiblement rectangulaire pour des raisons techniques) creusé dans le sol et rempli de matériaux granulaires (concassés, graves, galets). Le matériau de remplissage a pour fonction d’assurer la stabilité de l’ouvrage ; sa porosité doit être grande pour réserver le maximum de place au stockage de l’eau.

Un puits comblé se distingue d’une structure réservoir ou d'une tranchée de stockage-infiltration par son caractère ponctuel et sa profondeur plus grande qui peut atteindre quelques mètres. Même s'il existe un continuum entre ces différentes formes d'ouvrage, deux différences fonctionnelles méritent d'être notées :

  • un puits d'infiltration évacue l'eau principalement par les parois (comme une tranchée d'infiltration), contrairement à une structure réservoir qui évacue principalement par le fond ;
  • un puits de stockage/infiltration n'assure aucun transfert horizontal de l'eau contrairement à une tranchée.

Comme pour les puits préfabriqués, la profondeur des puits comblé est limitée par la profondeur de la nappe et l'obligation de conserver une épaisseur de sol non saturé entre le fond du puits et le toit de la nappe.

Il est également possible d'associer un puits comblé et un stockage en surface. On parle alors de puits composé, avec un stockage provisoire de l'eau qui se fait en profondeur dans le puits pour toutes les pluies et également en surface pour les pluies plus fortes (figure 3).


Figure 3 : Exemple de puits composé ; le puits est situé dans l’espace central, l’aire de jeux est inondable ; crédit photo Jean-Claude Deutsch.

Possibilités d'implantation et d'alimentation

Un puits peut être installé sous n’importe surface en dehors des bâtiments. L’eau peut être apportée par le ruissellement de surface (par exemple en couvrant le puits d’une grille, voir figure 5) ou introduite par une canalisation directement dans l’ouvrage (par exemple un tuyau de descente des eaux de toiture) (voir figure 6).

La surface du puits peut être couverte de terre et végétalisée, non couverte, ou bouchée par un tampon (voir figure 4). Le choix dépend bien sur de l'endroit où le puits est implanté et doit surtout tenir compte de son intégration dans l'espace (figure 5).


Figure 4 : Différents types possibles de couverture pour un puits


Figure 5 : Dans cet exemple l'eau est introduite par une grille et le puits se présente comme un avaloir traditionnel ; crédit photo Bernard Chocat.

Modalités de vidange

La restitution à débit contrôlé est possible mais induit une contrainte très forte : le fond du puits doit être à une altitude supérieure à celle du point de rejet. Cette condition est souvent difficile à respecter. Pour cette raison les puits sont surtout utilisés comme puits d’infiltration. Il est cependant possible d'installer un trop plein en partie haute.

L’entretien d’un puits d'infiltration peut être difficile. En effet si le puits se colmate il est nécessaire de le vider complétement avant de nettoyer le fond et les parois. C’est pourquoi, si le puits est comblé, il est intéressant d’installer une structure filtrante (une simple couche de sable de quelques dizaines de centimètres d’épaisseur posée sur un géotextile convient parfaitement) en dessous du point d’introduction de l’eau. Cette solution permet de bloquer la plupart des particules dans le filtre qui, étant proche de la surface, peut facilement être changé ou nettoyé (voir figure 6). Elle limite également le risque d’accident. En revanche elle nécessite un volume d’ouvrage plus important.


Figure 6 : Introduire l'eau au dessus d'une couche de sable constitue une solution simple pour prévenir le colmatage du fond et des parois du puits et faciliter ainsi son entretien.

Historique

Les puits d’infiltration, alors plus souvent appelés puisards ou puits perdus, ont probablement constitué une solution largement utilisée de gestion des eaux pluviales partout où la capacité d'infiltration des sols était suffisante, souvent d'ailleurs en mélangeant les eaux pluviales et les eaux usées. A titre d'exemple de l’ordre de 20 000 à 30 000 puits d'infiltration ont été recensés au XIXème siècle à Paris (APUR, 2015), la plupart étant aujourd'hui comblés (et/ou ignorés). Pour accroitre leur efficacité, certains puits étaient même creusés en dessous du niveau de la nappe phréatique (puits d'injection), avec alors des risques très importants de pollution.

Dans certaines agglomérations cette pratique a continué d'exister malgré la mise en place des réseaux d'assainissement, en particulier lorsque la très grande perméabilité des sols le permettait. Chocat et al. (1997) ont par exemple étudié le cas de l'est de l'agglomération lyonnaise où les puits d'infiltration ont constitué la solution de base de gestion des eaux pluviales entre la seconde guerre mondiale et les années 1990, aussi bien pour les parcelles privés que pour les espaces publics (figure 7).


Figure 7 : Schéma de principe de la gestion des eaux pluviales et usées à Meyzieu dans l'est lyonnais ; Source : Chocat et al. (1997).

A la fin du XXème siècle, du fait de l'absence d'entretien, beaucoup des puits des particuliers se sont colmatés et ceux-ci ont modifié leur descente de toiture pour renvoyer l'eau directement sur la voirie, saturant alors les puits du domaine public (figure 8). La solution initialement retenue (mettre des surverses renvoyant l'excédent des puits vers le réseau d'eau usée !!! ; voir aussi figure 8) a posé de sérieux problèmes de débordement.


Figure 8 : Dégradation de la situation suite au colmatage des "puits perdus" des particuliers du fait de leur manque d'entretien ; Source : Chocat et al. (1997).

La collectivité a alors choisi de réhabiliter les puits, en communiquant sur leur changement de nom (puits filtrant à la place de puits perdu) et en modifiant leur structure (conformément à la figure 6) de façon à faciliter leur entretien.

Depuis cette période la communauté urbaine de Lyon a généralisé l'utilisation des solutions alternatives de gestion des eaux pluviales sur tout son territoire en interdisant en particulier tout nouvel apport d'eau pluviale au réseau et en mettant à disposition différents outils d'aide au choix et au dimensionnement des ouvrages.

Les puits d'infiltration figurent parmi les solutions proposées, mais en étant très peu mis en avant, voire critiqués. Pourtant, le suivi des dossiers réalisés avec le logiciel Parapluie montre que les puits d'infiltration constituent encore la solution la plus connue des particuliers et des aménageurs et également celle qu'ils souhaitent utiliser en priorité. Ce constat n'est pas surprenant car cette solution est toujours celle préconisée par un grand nombre de sites de bricolage ou de conseils pour la maison (voir par exemple https://www.maisonentravaux.fr ou https://constructeurtravaux.fr). De plus les conseils donnés sur ces sites pour leur conception (par exemple sur leur profondeur) sont souvent au minimum approximatifs et souvent faux. Un énorme effort de pédagogie semble à faire sur cet ouvrage.

Fonctions et cobénéfices

Les puits de stockage-infiltration présentent l'intérêt de maximiser la surface d'infiltration pour une surface au sol donnée. De plus ils sont extrêmement faciles à intégrer dans l'environnement et n'imposent pas de contraintes sur le plan masse (figure 9). Ils sont également très adaptatifs (en cas d'insuffisance il suffit de rajouter un ou plusieurs puits en série pour régler le problème). Enfin ils ne réclament que peu d'entretien. On comprend donc assez facilement pourquoi ces ouvrages sont appréciés des particuliers et des aménageurs.


Figure 9 : Dans les cas les plus courants un puits d'infiltration se matérialise simplement par une plaque métallique en surface ; exemple d'un lotissement à FERIN (59) ; crédit photo Adopta.

Pourtant les puits de stockage-infiltration ne constituent pas une très bonne solution pour la gestion durable des eaux pluviales urbaines. Leur seul cobénéfice réel (et uniquement dans le cas des puits d'infiltration) consiste à recharger la nappe phréatique, mais avec une eau qui n'est pas nécessairement de bonne qualité. En effet les puits concentrent les effluents, donc la pollution et le fait que ce soit des ouvrages profonds limite l'épaisseur de sol entre le fond de l'ouvrage et le toit de la nappe. C'est d'ailleurs la raison pour laquelle ils sont parfois interdits dans certaines zones (en particulier périmètres de captages voir bassins d’alimentation de ces captages).

Nota : L'utilisation d'un puits composé ou d'une chaine de traitement permettant de faire transiter d’abord les eaux pluviales dans un petit espace vert en creux, ainsi que celle d'une alimentation par la surface associée à un filtre à sable permettent cependant de réduire le risque de pollution.

Conception

Conception générale

Du fait de leur caractère ponctuel les puits sont très faciles à intégrer dans un aménagement. Dans la plupart des cas ils ne se manifestent que par une plaque en surface assimilable à une plaque d'égout.

Dimensionnement hydraulique

Le fonctionnement hydraulique des puits de stockage-infiltration est relativement simple. Fondamentalement un puits se comporte comme un réservoir que l'on peut représenter par l'équation de conservation, le débit d'apport et le débit d'évacuation.

Comme de plus il s'agit souvent de petits ouvrages, les méthodes simples de dimensionnement (méthode des pluies ou méthode des volumes) s'appliquent parfaitement (Voir Méthodes de dimensionnement des ouvrages de stockage (HU)).

La seule difficulté concerne le calcul du débit de vidange pour les puits d'infiltration. Trois questions doivent être traitées :

  • quelle surface d'infiltration faut-il prendre en compte ?
  • faut-il tenir compte de la charge hydraulique ?
  • comment choisir la capacité d'infiltration ?

Surface d'infiltration à prendre en compte

Tout d'abord, comme pour les tranchées d'infiltration, il est préférable de considérer que le fond va très vite se colmater et que l'évacuation de l'eau va se faire uniquement par les parois (ce qui implique que les parois soient perméables). Le problème est que la surface de parois au travers laquelle l'eau va s'exfiltrer dépend du niveau.

Dans le cas de l'utilisation d'une méthode des débits on peut calculer à chaque pas de temps quel est le volume stocké, donc quel est le niveau dans le puits et en déduire la surface d'infiltration. Cependant, comme indiqué plus haut, dans la plupart des cas, les puits seront dimensionnés avec une méthode simplifiée qui suppose un débit de vidange constant.

Ce point a été traité par Azzout et al. (1994) qui ont montré numériquement, à partir de simulations par la méthode des débits, qu'il était possible de remplacer la notion de débit constant par celle de débit moyen de vidange. Le débit moyen de vidange peut lui-même se déduire du débit maximum obtenu lorsque le puits est plein en multipliant ce dernier par 0,5. Ce résultat a été confirmé analytiquement par Chocat (2020) dans le cas de la méthode des pluies.

Quelle formule utiliser ?

En toute rigueur le débit d'exfiltration dépend de la surface à travers laquelle l'eau percole, mais aussi :

  • de la différence de charge entre l'intérieur du puits et l'extérieur, et,
  • du gradient de charge hydraulique dans le sol (voir par exemple Darcy (loi de) (HU)).

De façon pratique, ces informations sont généralement inconnues et on suppose que le débit d'infiltration est proportionnel à une capacité d'infiltration constante.

Choix de la capacité d'infiltration

Le choix précédent nécessite de déterminer une valeur adaptée pour le paramètre capacité d'infiltration. Même s'il est possible de choisir un ordre de grandeur en connaissant la nature du sol, il est cependant préférable de réaliser des essais d'infiltration. La difficulté est que les puits sont des ouvrages profonds et que la capacité d'infiltration des sols peut beaucoup varier en fonction de la profondeur, particulièrement en zone urbaine ou les sols sont souvent très remaniés. Les essais de type Porchet réalisés en surface sont ainsi peu adaptés (sauf à assimiler la capacité d'infiltration du sol profond à la capacité d'infiltration du sol de surface à saturation) et la fiche du GRAIE conseille des essais de type Matsuo, éventuellement simplifiés, mais effectués à une profondeur suffisante pour être représentatifs (au moins 1 mètre) et à proximité immédiate de l'endroit où le puits sera implanté. Ces essais peuvent être onéreux.

Le risque de colmatage des parois apparaît quand à lui très réduit, surtout dans le cas d'une alimentation par la surface à travers une épaisseur suffisante de sable. Il n'est donc pas nécessaire d'affecter un coefficient de sécurité à la valeur mesurée.

Formules à utiliser

Finalement au vu des éléments précédents le débit moyen d'infiltration d'un puits peut se calculer par l'une ou l'autre des formules suivantes :

Cas des puits préfabriqués :

$ Qinf = \frac{π}{2}.K.D.H $

Cas des puits comblés :

$ Qinf = \frac{1}{2}.K.P.H $

Avec :

  • $ Qinf $ : débit moyen d'infiltration (m3/h) ;
  • $ K $ : capacité d'infiltration (m3/h/m2) (valeur moyenne mesurée) ;
  • $ D $ : Diamètre du puits préfabriqué (m) ;
  • $ P $ : Périmètre du puits comblé (m) ;
  • $ H $ : profondeur du puits (m).

Choix des dimensions

Une difficulté particulière est commune aux tranchées et aux puits d'infiltration :

  • le débit de vidange est directement proportionnel à la surface verticale, donc, dans le cas des puits, au produit de la profondeur par le périmètre ;
  • le volume disponible de stockage est pour sa part proportionnel au volume du puits, donc au produit de la profondeur par la surface.

Comme par ailleurs le volume maximum à stocker dépend du débit de vidange, le choix des dimensions n'est pas libre. Par exemple si on choisit un débit d'infiltration (donc un couple périmètre, profondeur) la surface est imposée. L'optimisation des dimensions en fonction de l'espace disponible nécessite donc généralement un calcul itératif, d'autant plus difficile dans le cas des puits préfabriqués que :

  • la surface et le périmètre dépendent tous les deux du diamètre ;
  • les diamètres disponibles sont normalisés et en nombre restreint.

Méthode simplifiée

Si la méthode précédente apparaît encore trop compliquée du fait du besoin de connaître la capacité d'infiltration, il est possible d'utiliser une méthode encore plus simple pour calculer le volume nécessaire pour le puits. Par exemple, la fiche technique de l'ADOPTA propose une méthode très simplifiée ne tenant pas compte du volume évacué pendant la durée de l'événement. Le volume du puits est alors simplement égal au volume apporté pour la pluie de référence.


$ Vp = Cr.A.Ht $

Avec :

  • $ Vp $ : Volume du puits (m3) ;
  • $ Cr $ : coefficient d'apport (entre 0 et 1) ;
  • $ A $ : surface d'apport (m2)  ;
  • $ Ht $ : hauteur de la pluie de référence (m).

Une fois le volume déterminé, le calcul du débit moyen d'infiltration (donc le choix d'une capacité d'infiltration) est cependant nécessaire pour déterminer la durée en eau en l'assimilant au temps de vidange.

Réalisation / impacts négatifs potentiels et précautions à prendre

Aspects généraux

Les puits de stockage et d'infiltration occupent très peu de surface au sol, sont très faciles à intégrer dans tous les espaces urbains et constituent une solution qui peut facilement évoluer et s'adapter au contexte. En effet, si suite à de nouveaux aménagements le volume de stockage et/ou la surface d'infiltration devient insuffisant, il suffit d'installer de nouveaux puits en les connectant aux anciens par des trop-pleins.

Il existe cependant plusieurs inconvénients, en particulier pour les puits d'infiltration.

Implantation

Le fait d'occuper peu d'espace signifie que l'on concentre les flux d'eau et de polluants également sur une petite surface. De plus, comme les ouvrages sont profonds la distance parcouru par les flux pour rejoindre la nappe phréatique est réduit, ce qui augmente les risques de pollution.

Beaucoup de collectivités imposent donc des restrictions sur les zones où les puits sont possibles, en particulier pour protéger la nappe phréatique. Dans le même esprit il est absolument nécessaire de conserver une épaisseur de sol non saturée entre le fond du puits et le plus haut niveau hivernal de la nappe. La valeur de 1 mètre (on trouve parfois plus), généralement prise en compte, doit être adaptée en fonction des fluctuations possibles de la nappe (il est souvent difficile de connaître précisément le plus haut niveau habituel de la nappe) et du facteur de charge

Il est également nécessaire de conserver une distance minimum entre les puits et la végétation pour éviter la dégradation de l'ouvrage par les racines. Une distance de 3 à 5 mètres est un minimum en fonction de la taille de l'arbre ou des arbustes.

De la même façon il faut conserver une distance entre les puits et les bâtiments les plus proches au moins égale à la profondeur du puits.

Les règlements locaux peuvent prescrire des limites plus strictes. Certains vont même jusqu'à interdire ce type d'ouvrage. Il est donc indispensable de prendre contact avec les services concernés et/ou un professionnel avant de construire un puits de stockage-infiltration.

Gestion des risques de colmatage

Le risque de colmatage est double : colmatage de la surface dans le cas d'une alimentation par la surface et colmatage du fond et des parois dans le cas des puits d'infiltration.

Colmatage de la surface dans le cas d'une alimentation par la surface

Ce risque est le moins grave des deux car, comme il se manifeste en surface, il est visible et une intervention simple est toujours possible pour le corriger. La couche de surface est d'ailleurs placée dans le but d'intercepter les matières en suspension de façon à limiter les risques au fond de l'ouvrage.

Colmatage du fond et des parois

Dans le cas d'un puits d'infiltration, un colmatage constitue un problème grave car il est très difficile d'intervenir. Le colmatage du fond paraît inéluctable et il est donc préférable de ne pas prendre sa surface en compte pour évaluer le débit d'infiltration. En revanche les parois semblent très peu se colmater.

Pour limiter ce risque différentes précautions peuvent être prises :

  • combler le puis avec un matériaux à fort indice de vide, mettre en place une couche de sable sur le dessus du puits et alimenter le puits par la surface, et/ou ;
  • mettre en place un regard à décantation avec un coude plongeant à l’entrée du dispositif (figure 9);
  • remblayer le volume autour du puits avec un matériau très perméable (par exemple graves 20/80) de façon à augmenter la différence de charge hydraulique entre l'intérieur et l'extérieur du puits (figure 10).

Sécurité

Un dernier point important concerne la sécurité, en particulier dans le cas des puits préfabriqués vides. La profondeur du puits rend en effet l'ouvrage très dangereux et il est indispensable de sécuriser son accès par un regard en fonte lourde et verrouillé.

Figure 10 : Schéma de principe d'un puits d'infiltration préfabriqué (non comblé dans ce cas) ; Source : Fiche Adopta.

Vie de l’ouvrage

De façon générale les puits ne nécessitent que peu d'entretien, ce qui est d'ailleurs la raison majeure de leur succès. Cet avantage devient souvent un inconvénient car, lorsqu'ils sont oubliés, les puits peuvent se mettre à dysfonctionner de façon importante. Il est donc nécessaire d'attirer l'attention sur les entretiens minimum nécessaires :

  • deux fois par an : enlever les déchets (feuilles mortes en particulier) et nettoyer (selon le cas) le filtre de surface ou le puisard de décantation ; vérifier le trop plein ;
  • une fois tous les cinq ans (où dès qu’il reste de l’eau en surface 48 heures après une pluie), changer le filtre à sable (dans le cas d'une alimentation par la surface).

Ceci implique que le puits soit connu et facilement accessible pour son contrôle (figure 11).


Figure 11 : Pour éviter que le puits ne soit oublié et devienne effectivement un "puits perdu", il est recommandé de bien marquer l’ouvrage ; Crédit : Lyon métropole.

Bibliographie :

  • APUR (2015) : Préservation et valorisation de la ressource en eau brute : une gestion parisienne des eaux pluviales ; disponible sur https://www.apur.org/sites/default/files/documents/gestion_eaux_pluviales_paris.pdf
  • Azzout, Y., Barraud, S., Cres, F.N., Alfakih, E. (1994) : Techniques alternatives en assainissement pluvial. Choix, conception, réalisation et entretien. ; Ed. Tec et Doc, Lavoisier ; Paris ; 371 p.
  • Chocat, B. (2020) : Généralisation de la méthode des pluies ; note de travail (copie envoyée sur demande)
  • Chocat, B., Bardin, J.P., Gautier, A. (1997) : Infiltration devices for urban drainage : a 50 years experience in Lyon ; Proc. ASCE Conf. on "Sustaining Urban Water Resources in the 21st Century," Malmoe, Sweden,7-12 Septembre 1997, pp 181-195.
  • STU (1982) : La maîtrise du ruissellement des eaux pluviales : quelques solutions pour l'amélioration du cadre de vie ; Service Technique de l'Urbanisme ; Ed. Maugein & Cie, Paris ; 64 p
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