Wikigeotech:Essai de pompage

PRINCIPE

Les essais de pompage (précédemment NF P 94-130, norme remplacée par NF EN ISO 22282-4) sont destinés à déterminer les caractéristiques hydrodynamiques des terrains aquifères que sont la transmissivité et le facteur d'emmagasinement. Ils permettent d'estimer le rayon d'action du pompage et de calculer le coefficient de perméabilité horizontal des terrains lorsque l'épaisseur de la couche aquifère est connue.

L'essai consiste à rabattre par pompage la surface piézométrique d'une nappe, à partir d'un puits filtrant tout en mesurant le débit pompé et le niveau d'eau, au cours de la phase de pompage et au cours de la phase de retour à l'équilibre après arrêt du pompage. Les mesures sont effectuées dans le puits et dans au moins trois piézomètres alignés sur un rayon correspondant à la direction d'écoulement étudiée.

Exemple de dispositif d'un essai de pompage (1 puits et 2 piézomètres)

Le débit de pompage testé est déterminé lors d'une phase d'essai préliminaire qui permet de tester la réponse du dispositif pompe / piézomètre / puits. L'essai proprement dit débute par la mise en marche du pompage au débit d'essai ainsi déterminé, lequel doit être stabilisé dans les deux minutes. A cet instant débute le temps des mesures (t=0). Les niveaux d'eau sont relevés dans tous les piézomètres et dans le puits aux intervalles de temps définis, variant entre 30 s au début de l'essai à 1 heure au maximum.

Le pompage se poursuit durant au moins 6 h et au plus 48 h si la phase de régime permanent n'a pas été atteinte. Ce régime est considéré comme atteint après trois mesures successives des niveaux d'eau dans les piézomètres, espacées d'une heure, et ne différant pas de plus d'un centimètre en chaque point de mesure.

Lorsque l'une de ces conditions est atteinte, le pompage est arrêté et l'essai se poursuit par la mesure des niveaux d'eau dans les piézomètres lors de la remontée de la nappe.

APPLICATIONS

Contrairement aux essais ponctuels de type Lefranc, Nasberg et Lugeon, l'essai de pompage permet de modéliser un comportement global de l'aquifère au regard d'une problématique de rabattement donnée. C'est l'essai qui permet d'obtenir avec le plus de précision l'estimation d'un débit d'exhaure et la zone d'influence du rabattement d'une nappe vis-à-vis du projet.

L'essai de pompage permet de caractériser des sols de perméabilité comprise entre 10-2 et 10- 7 m/s.

1) Avantages

Les essais de pompage permettent de déterminer une transmissivité qui est le produit de l'épaisseur de la couche aquifère étudiée par un coefficient de perméabilité « en grand » caractéristique du massif de sol. De nombreux développements théoriques autour des méthodes d'interprétation permettent d'enrichir la connaissance du système hydrogéologique étudié (rayon d'action, transmissivité, coefficient d'emmagasinement, détection de limites particulières du système hydraulique...).

2) Limitations

Les essais de pompage sont des essais généralement coûteux dont les durées de réalisation et d'interprétation peuvent être importantes. Les méthodes d'interprétations peuvent rapidement devenir complexes. Elles font appel à de nombreuses théories, qu'il convient d'utiliser à bon escient, et nécessitent de bien connaître le contexte hydrogéologique du site étudié. Une étude hydrogéologique détaillée doit donc être menée en parallèle pour définir notamment les conditions de ré-alimentation de la nappe (par exemple la proximité d'une rivière, front étanche, aquifères secondaires ...).
Le puits doit être descendu si possible jusqu'au substratum imperméable.
Le débit de pompage doit être constant. Il ne doit donc pas être trop faible. Sa valeur ne doit généralement pas être inférieure à un mètre cube par heure. L'essai n'est donc adapté qu'aux nappes ayant une transmissivité suffisante.

3) Précautions d'emploi

autorisations préalables pour la réalisation des essais

Les essais de pompage nécessitent d'être déclaré auprès des services veillant au respect de la loi sur l'eau. Ces essais tombent sous l'application des articles :

• 1.1.0 "Sondage, forage, création de puits ou d’ouvrage souterrain, non destiné à un usage domestique, exécuté en vue de la recherche ou de la surveillance d’eaux souterraines ou en vue d’effectuer un prélèvement temporaire ou permanent dans les eaux souterraines y compris dans les nappes d’accompagnement de cours d’eau…" nécessitant une Déclaration.
• 1.1.1. "Prélèvements permanents ou temporaires issus d’un forage, puits ou ouvrage souterrain dans un système aquifère à l’exclusion des nappes d’accompagnement de cours d’eau, par pompage, drainage, dérivation ou tout autre procédé :
  
  • 1° capacité totale maximale ≥ à 80 m³/h : Autorisation
  • 2° 8 m³/h < capacité < 80 m³/h : Déclaration

Conditions de validité et domaine d'utilisation :

Le puits de pompage doit traverser toute la couche aquifère ou à défaut pénétrer dans celle-ci sur une longueur au moins égale à 25 fois le diamètre de la crépine. Les piézomètres doivent être crépinés sur une longueur minimale de 2 mètres et leur base doit se situer au niveau de la base du puits pour ceux situés à sa proximité immédiate.

Le pompage doit s'effectuer à un débit constant permettant un écoulement non turbulent.

MISE EN OEUVRE

1) Mise en place des piézomètres

La position des points d'observation de la nappe est fonction des conditions locales de réalimentation de la nappe et de la géométrie présumée de la surface de rabattement. Ils sont implantés à des distances croissantes du puits, sur un rayon ou deux rayons orthogonaux. Ils présentent une longueur crépinée minimale de 2 m associée à un dispositif filtrant ou un matériaux filtre. Ils sont bouchés à leur partie inférieure, voire en partie supérieure si l'isolement de la prise de pression s'impose. Les piézomètres situés à proximité immédiate du puits seront implantés à une profondeur atteignant celle de la base du puits.

Il est nécessaire de faire réaliser le puits et les piézomètres par des personnels compétents en forage d'eau, notamment pour les essais sur aquifères multiples (prévention des contaminations inter-nappes).

2) Personnel

Connaissance et respect de la norme d'essai et qualification de techniciens d'essai géotechnique. Un sondeur expérimenté en forage d'eau est nécessaire pour les essais sur aquifères (prévention des contaminations inter-nappes).

La réalisation de l'essai nécessite l'encadrement par un hydrogéologue (niveau Bac+2 au minimum) pendant ses différentes phases, pour déterminer et adapter les conditions de réalisation (choix des débit d'essais, définition de la phase transitoire, fin de l'essai).

3) Précaution de mise en œuvre sur le terrain

Le contexte général de l'aquifère doit être connu avant l'essai (nappe libre/captive, perméabilité attendue, mur , ré-alimentations éventuelles...). En pratique, il est souhaitable d'avoir mené une étude préliminaire du site et de définir la profondeur d'essai sur la base d'un reconnaissance préalable.

Vérifier les étalonnages des débitmètres et des appareils de mesure de la nappe dans les différents piézomètres. Une instrumentation avec enregistrement en continu peut s'avérer nécessaire suivant le nombre de piézomètre installés et suivant la réactivté de l'aquifère (baisse rapide des niveau en régime transitoire).

4) Rendement 

Hors forage du puits et des piézomètre et la préparation de l'essai, la durée de celui-ci peut atteindre 48 heures en continu.

INTERPRÉTATION

Les méthodes d'interprétation ne sont pas décrites ni imposées dans la norme NF P 94-130 et restent donc à la libre appréciation de l'ingénieur. Les méthodes classiques font notamment appel aux équations de Dupuit pour l'analyse en régime permanent et de Theiss – Jacob pour l'analyse en régime transitoire.

Ces méthodes reposent généralement sur le tracé de la courbe du rabattement en fonction du temps et son identification avec une courbe type. Le choix de la méthode d'interprétation dépend des conditions hydrauliques et hydrogéologiques dans lesquelles s'est déroulé l'essai de pompage : interprétation en régime permanent ou régime transitoire, nappe libre ou captive, présence à proximité d'un front d'alimentation ou de drainage...

On se reportera au Bulletin de Liaison Spécial Hydraulique des sols pour la présentation détaillée des méthodes d'interprétation par les méthodes de Dupuit et de Theiss Jacob, et à des ouvrages plus généraux d'hydraulique souterraine.

Des modèles plus complexes peuvent être à développer (aquifères superposés, réalimentation, front étanche …). Dans ce cas, on se reportera au document de M. Cassan.

COMMANDE

Préalablement à la commande, il conviendra de s'assurer du respect des contraintes imposées par la loi sur l'eau. En l’occurrence, il peut être nécessaire de procéder à une déclaration auprès des service ad hoc avant toute opération de pose de piézomètre en vertu de l'article 1.1.0 et/ou de l'article 1.1.1. Cette partie peut être intégrée à la commande.

Il est souhaitable d'associer l'organisme ayant réalisé l'essai à son interprétation. En effet, la connaissance des méthodes d'interprétation est nécessaire pour pouvoir comprendre et observer les différentes phases de l'essai, et noter les éventuels spécificités qui pourront être intégrées à l'interprétation (plusieurs niveaux aquifères, réalimentation latérale éventuelle …).
Il est recommander d'exiger une qualification (CQP foreur d'eau) ou des références qualité en matière de maîtrise des forages d'eau (charte qualité).

CONTRÔLE DE PRESTATION

1) Sur le terrain

• vérification de l'implantation du puits et des piézomètres.
• vérification des possibilités d'évacuations des eaux pompées pendant l'essai dans le milieu naturel (en fonction de la législation) ou dans un réseau contrôlé.
• vérification de la bonne réalisation des piézomètres.
• vérification du bon fonctionnement de la pompe et des matériels de mesures associés (débitmètre, sondes piézo-électriques ou capteurs électronique, …).

2) Interprétation

Il conviendra de vérifier et d'être vigilant sur les hypothèses prises en compte :

• nappe captive ou libre,
• niveau piézométrique stabilisé ,
• homogénéité de l'aquifère,
• position du mur,
• ré-alimentation,
• calcul des pertes de charges du puits.