Structure réservoir (HU) : Différence entre versions

Version du 12 avril 2023 à 10:58

Traduction anglaise : Reservoir structure

mot en chantier

Dernière mise à jour : 12/04/2023

Ouvrage constitué par le corps ou l'assise d’un constituant de l’espace public (ou éventuellement d'un espace privé) (chaussée, trottoir, aire de stationnement, piste cyclable, place, etc.), réalisé avec un matériau présentant un fort indice de vide capable de stocker temporairement l’eau de pluie ; on parle également de chaussée à structure réservoir (même si une structure réservoir n'est pas obligatoirement sous une chaussée) ou de massif stockant.

Généralités

Principes et variantes

Comme son nom l'indique une structure réservoir est destinée au stockage provisoire de l'eau de pluie. Celle-ci est ensuite restituée localement (sans transport) à débit limité, soit dans un exutoire de surface, soit dans le sous-sol par infiltration, soit les deux, mais sans évapotranspiration. L’alimentation peut se faire par la surface (à travers un revêtement perméable) ou par des drains.

Nature du matériau de stockage

Une structure réservoir est constituée d'un milieu à forte porosité (on parle également d’indice de vide : Iv). On peut par exemple utiliser :

• un matériau poreux : grave non traitée (20/40 par exemple), concassé, béton recyclé concassé, etc. ; dans ce cas les porosités utiles sont de l'ordre de 30% et peuvent aller jusque 45 % ;
• une structure alvéolaire ultralégère dont l'indice de vide peut dépasser 95% ;
• des billes d’argile avec un indice de vide de 55 % ;
• etc.

L'objectif est de pouvoir stocker le maximum d’eau dans l'ouvrage tout en assurant sa stabilité car celui-ci doit généralement accueillir des usages sur sa surface (généralement des trafics : piétons, cyclistes, véhicules divers).

Modes possibles d'introduction de l'eau dans l'ouvrage

L'eau peut être introduite directement par la surface en utilisant un revêtement perméable (figure 1) ou collectée en surface et injectée dans la structure par des drains (figure 2). Dans ce second cas, il faut prendre soin d’assurer un prétraitement des eaux via une décantation et une filtration pour éviter le colmatage de la structure de la chaussée ; c’est le rôle de la bouche d’injection (voir figure 3).

Figure 1 : Structure réservoir alimentée par un revêtement perméable ; l'eau est ensuite évacuée latéralement par un drain ou par exfiltration vers le sol sous-jacent.

Figure 2 : Structure réservoir alimentée latéralement par des drains ; comme dans le cas précédent, l'eau est ensuite évacuée latéralement par un drain ou par exfiltration vers le sol sous-jacent.

Modes possibles de restitution

L'évacuation peut se faire par exfiltration vers le sol environnant et/ou par un système de drainage à débit contrôlé conduisant l'eau vers un réseau souterrain ou un milieu de surface (figures 1 et 2). Dans ce cas les drains d'évacuation peuvent être les mêmes que les drains d'alimentation.

Utilisation des structures réservoirs

Les structures réservoirs peuvent être installées sous n'importe quelle surface aménagée autre qu'un bâtiment : voirie, parking, piste cyclable, cheminement piétonnier, etc. (figure 3). Elles sont utiles chaque fois que la capacité d'évacuation de l'eau, que ce soit par exfiltration vers le sol ou par évacuation à débit contrôlé, est inférieure au débit possible d'arrivée et qu'un stockage intermédiaire est nécessaire.

Nota : Une structure réservoir se distingue d’un massif enterré par deux aspects :

• en plus de son rôle de stockage de l’eau elle joue un rôle structurel
• elle n'est pas végétalisée (solution grise) et n'utilise que très marginalement l'évaporation pour se vider.

Figure 3 : Exemples de chaussées à structure réservoir alimentées par un revêtement perméable ou par des drains ; Source : Adopta.

Historique

Historiquement les premières structures réservoirs ont commencé à être mises en œuvre sous les chaussées routières dans les années 1980 (voir par exemple Raimbault et Balades, 1987). Cette idée marque une vraie révolution dans la conception des chaussées, car l'eau était alors perçue comme l'ennemie n°1 des chaussées. Il est donc assez compréhensible que ce concept suscite beaucoup d'inquiétudes et de réserves de la part des spécialistes de l’ingénierie routière.

Sensiblement à la même époque, créant ainsi une grande confusion, se développe également des revêtements poreux. Ces derniers sont utilisés dans un premier temps pour la couche de roulement des voiries de façon à éviter la stagnation de l'eau en surface et améliorer ainsi le confort et, dans une moindre mesure, la sécurité des usagers de la route. Dans un second temps on teste la mise en place de ces mêmes revêtements poreux sur des épaisseurs importantes (plusieurs dizaines de centimètres) dans le but de piéger l'énergie acoustique dans les pores du revêtement et de diminuer ainsi le bruit émis par les véhicules (Berengier et Hamet, 1997).

Cette profusion d'idées nouvelles, contradictoires avec la doctrine établie, n'est pas favorable à un développement rapide de cette solution, même si les ambiguïtés et les difficultés potentielles sont rapidement clairement jalonnées (voir par exemple Azzout et al., 1994).

Aujourd'hui les freins culturels semblent peu à peu disparaître et si l'idée d'utiliser des revêtements poreux dans un but de confort acoustique ne semble pas aboutir, les deux autres usages (structures réservoirs et revêtements poreux) commencent à largement se développer, soit de façon indépendante, soit de façon conjointe.

Fonctions et cobénéfices

Les structures réservoirs constituent une solution dite grise, c'est à dire minérale, par opposition aux solutions vertes, c'est à dire végétalisées. Pour cette raison, ce type d'ouvrage n'est pas réellement perçu comme intéressant sur le plan écologique et environnemental. Les structures réservoirs présentent pourtant un grand nombre d'intérêts :

• capacité à piéger les polluants de façon efficace, particulièrement lorsque l'alimentation se fait à travers le revêtement de surface (voir Maîtrise des rejets urbains de temps de pluie (HU)) ;
• humidification des sols urbains ;
• recharge des nappes phréatiques.

De plus la surface utilisée pour gérer les eaux pluviales reste totalement disponible pour les autres usages urbains, où, pour traduire cet intérêt en termes économiques, les structures réservoirs ne nécessitent aucun foncier pour gérer les eaux pluviales, ce qui est bien sûr d'un grand intérêt financier.

Enfin, l'opposition entre solutions grises et solutions vertes est relativement formelle et une structure réservoir située sous une voirie ou un autre espace peut parfaitement servir de réserve à un espace végétalisé situé à proximité (figure 4).

Sur un autre plan, dans le cas d'une structure réservoir alimentée par un revêtement poreux, la solution permet d'améliorer le confort des conducteurs mais également des piétons du fait de l'absence de projections d'eau.

Figure 4 : Solutions vertes et solutions grises ne doivent pas être opposées : exemple de chaussée à structure réservoir alimentant en eau les arbres d'alignement.

Conception

Conception générale

"Une chaussée à structure réservoir est avant tout une chaussée, à laquelle on attribue une fonction hydraulique en modifiant sa structure. C’est donc sa résistance mécanique qui prévaut sur son dimensionnement hydraulique." (fiche technique de l'Adopta).

Une fois ce principe de base posé, il est possible de raisonner sur la partie hydrologique en suivant l'organigramme de la figure 5 extrait de la fiche technique de l'Adopta.

Figure 3 : Exemples de chaussées à structure réservoir alimentées par un revêtement perméable ou par des drains ; Source : fiche technique de l'Adopta.

Choix du matériau stockant

De façon générale on utilise la couche d'assise de la chaussée pour stocker l'eau en mettant en œuvre des matériaux économique dont la porosité utile est de l'ordre de 30 à 35% (graves, galets, concassés, etc.). On peut au moins stocker 10cm d'eau dans 30 cm de matériau, ce qui représente une marge importante, sauf si les surfaces connectées vont très au delà de la chaussée elle-même. En cas de besoin il est également possible de faire appel à des matériaux ayant des indices de vide très supérieurs (billes d'argile ou structures alvéolaires ultralégères par exemple). Dans ce cas les structures réservoirs peuvent également être considérées comme des bassins enterrés (voir ce terme pour les contraintes spécifiques).

Enfin, dans le cas d'une structure légère (par exemple une terrasse ou un cheminement piéton), une couche de surface poreuse assurant la rigidité de la chaussée peut également jouer un rôle de stockage (voir béton drainant par exemple). La capacité de stockage reste cependant limitée du fait de la faible épaisseur des matériaux généralement mis en place.

Choix du mode d'alimentation

Comme indiqué plus haut, l'alimentation de la structure réservoir peut se faire par la surface en utilisant un revêtement perméable ou de façon plus classique par des bouches d'injection, et éventuellement des drains pour assurer une meilleure répartition de l'eau, si le revêtement est imperméable. Les deux solutions peuvent aussi être utilisées de façon conjointe, en particulier lorsque la structure réservoir gère également des eaux provenant d'autres surfaces actives que sa propre surface (bâtiments voisins par exemple).

Le choix d'une alimentation par la surface présente plusieurs intérêts :

• moindre coût ;
• bonne répartition de l'eau dans la structure ;
• confort associé à l'absence de flaques d'eau en surface et de projections ;
• filtration et piégeage des matières en suspension et des polluants associés.

Ce dernier avantage est cependant souvent considéré comme un inconvénient car il se traduit également par un colmatage progressif de la couche de surface. En dehors du fait que ce colmatage peut être géré par un entretien adapté de l'ouvrage (voir § "vie de l'ouvrage"), ce risque de colmatage doit être relativisé. En effet les capacités d'infiltration des revêtements poreux neufs (quel que soit le liant utilisé) sont généralement compris entre 10^-3 et 10^-2 m/s (ou plus exactement m³/s/m²), ce qui correspond à des intensités de pluie (pour un facteur de charge de 1) comprises entre 3 600 et 36 000 mm/h. Cette capacité d'infiltration initiale est donc très largement supérieure aux besoins (voir le nota ci-dessous). Même colmatés à plus de 95% la plupart des revêtement poreux continuent donc de fonctionner de façon tout à fait satisfaisante. L'utilisation de ce type de revêtement nécessite cependant des précautions au moment du chantier (voir § suivant).

Nota : Dans le cas d'un revêtement imperméable, et même si différentes méthodes de dimensionnement sont utilisées, la surface de collecte généralement associée à un avaloir est de l'ordre de 50 m² ce qui permet d'absorber le débit produit par une intensité de pluie d’environ 250 mm/h.

Par ailleurs, si la structure réservoir se vidange par exfiltration vers le sol profond et la nappe phréatique, le fait que la plupart de particules aient été piégées en surface limite le risque d'un colmatage du fond de l'ouvrage, beaucoup plus difficile à gérer.

Principes de dimensionnement et choix des dimensions

Dès les premières expériences de mise en place de chaussées réservoirs, les chercheurs se sont demandés comment l'eau allait se répartir dans la structure et si des drains étaient utiles pour améliorer cette répartition et utiliser au mieux le volume disponible (Dakhlaoui, 1996). Toutes les études ont mis en évidence le fait que le milieu était suffisamment ouvert pour que l'eau se répartisse rapidement de façon uniforme sur toute la surface disponible. Par exemple Proton (2008), a montré que les écoulements dans des galets étaient beaucoup plus proches des écoulements dans un canal à forte rugosité que des écoulements en milieu poreux saturé.

Le dimensionnement des structures réservoirs peut donc se faire en considérant une simple loi de stockage et sans se préoccuper des écoulements au sein de la structure.

Du fait des très faibles facteurs de charge généralement utilisés, les méthodes simples de dimensionnement (méthode des pluies ou méthode des volumes si des abaques existent) sont suffisantes.

Une difficulté particulière apparaît lorsque l'on met en place une structure réservoir sur un sol qui n'est pas plat. Il est alors nécessaire de cloisonner la structure pour éviter que l'eau ne s'écoule vers les points bas et réapparaisse ainsi en surface. On perd ainsi une partie du volume de stockage (figure 6).

Réalisation / impacts négatifs potentiels et précautions à prendre

Vie de l’ouvrage

Bibliographie :

• 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.
• Berengier, M., Hamet, J.F. (1997) : Étude acoustique des milieux poreux ; application aux revêtements drainants ; Bulletin des laboratoires des ponts et chaussées ; n°212 ; pp.65-74 ; disponible sur https://www.ifsttar.fr/collections/BLPCpdfs/blpc__212_65-74.pdf
• Dakhlaoui, M. (1996) : Fonctionnement hydraulique des structures réservoirs pour l’assainissement pluvial : étude des dispositifs de diffusion d’eau et modélisation du couple drain-milieu poreux ; thèse ENPC ; 346p. ; disponible sur pastel.archives-ouvertes.fr.
• Raimbault, G., Balades, J.D. (1987) : Réalisation de structures réservoirs en voirie urbaine ; Revue générale des routes et aérodromes ; N° 644 (ISSN: 0035-3191) ; pp. 39-47.

Pour en savoir plus :

• fiche technique adopta sur les chaussées à structure réservoir
• https://www.guidebatimentdurable.brussels/massifs-stockants