Tranchée de stockage et d'infiltration des eaux pluviales (HU)

Traduction anglaise : Storm water retention/infiltration trench

Dernière mise à jour : 23/06/2023

mot en chantier

Ouvrage linéaire et superficiel creusé dans le sol et capable de stocker provisoirement des eaux pluviales, de les transporter vers l'aval et/ou de les infiltrer. On parle également de tranchée de rétention/infiltration ; si l'évacuation se fait uniquement par infiltration, on parle simplement de tranchée d'infiltration ou de tranchée filtrante.

Les tranchées de stockage et d'infiltration des eaux pluviales font partie des solutions alternatives de gestion des eaux pluviales.

Figure 1 : Tranchée de stockage/infiltration le long d'un cheminement piétonnier ; crédit photo GRAIE.

Nota : On parle également parfois de tranchée drainante ; ce terme est cependant ambigu concernant la fonction principale de la tranchée ; historiquement les tranchées drainantes ont été utilisées pour assécher le sol à proximité immédiate des constructions plutôt que pour gérer les eaux pluviales (voir § historique) ; de plus, lorsqu'elles sont mises en place avec une fonction principale de drainage, les tranchées sont souvent étanchées ce qui interdit leur vidange par exfiltration par le sol.

Généralités

Principes et variantes

Forme géométrique

Les tranchées de stockage-infiltration ont généralement des profils en travers de forme rectangulaire ou plus souvent trapézoïdale. Leur largeur est comprise entre 30 centimètres et 2 mètres (valeurs habituelles 80 centimètres à 1 mètre) et leur profondeur varie de 50 centimètres à 2 mètres au maximum. Elles sont remplies de matériaux granulaires (porosité comprise entre 0.25 et 0.5) ou parfois d’une structure alvéolaire ultralégère (indice de vide entre 0.9 et 1). Elles sont souvent munies d’un drain en fond de fouille qui permet à la fois une meilleure répartition de l’eau dans la tranchée et une meilleure vidange en fin d’évènement (voir figure 2). Un simple géotextile est généralement suffisant pour empêcher la terre de contaminer le matériau granulaire. Dans le cas de l'utilisation d'une SAUL, il est utile de prévoir des évents pour faciliter l'évacuation de l'air.

Figure 2 : Fonctionnement d'une tranchée de stockage/infiltration.

Il est également possible d'imaginer des ouvrages composites constitués d'une tranchée surmontée par une noue. On parle alors de tranchée composée, avec un stockage provisoire de l'eau qui se fait en profondeur dans la tranchée pour toutes les pluies, et, pour les pluies plus fortes, également en surface dans la noue.

Figure 3 : Une tranchée composée est constituée d'une tranchée surmontée par une noue.

Possibilités d'implantation

Les tranchées de stockage-infiltration peuvent être installées sous n’importe quel type de surface sans bâtiment. Comme il s’agit d’éléments linéaires étroits, les tranchées s’intègrent facilement dans les aménagements, le long des bâtiments, le long des voiries (trottoirs ou pistes cyclables) ou en éléments structurants de parkings (voir figure 5). Elles occupent peu de foncier.

Elles peuvent être recouvertes de terre et végétalisées, recouvertes de dalles, ou non couvertes (figure 3 ).

Figure 3 : Couvertures possibles pour une tranchée de stockage/infiltration.

Lorsqu’elles sont implantées sous une surface de pleine terre les tranchées sont de préférence végétalisées pour s’intégrer dans l’espace vert.

Lorsqu’elles sont implantées sous une surface aménagée, par exemple un parking, les tranchées peuvent être utilisées pour structurer l’espace (par exemple limiter les places de stationnement). Dans ce cas elles peuvent être végétalisées ou traitées de façon totalement minérale (figure 5). Elles peuvent également être recouvertes d'une structure rigide (dalle), permettant l’utilisation de l'espace qui les surmonte.

Figure 5 : Exemple de tranchée séparant deux espaces de stationnement ; crédit photo : Bernard Chocat.

Modalités d'alimentation

On distingue deux modalités principales d'alimentation (qui peuvent être utilisées de façon conjointe) (figure 6):

• Alimentation diffuse : l'eau est amenée par ruissellement, de façon latérale, sur toute la longueur de la tranchée dans laquelle elle s'introduit par infiltration ; ce mode est très bien adapté aux tranchées situées le long d'éléments linéaires (voiries, pistes cyclables, cheminements piétons, voire bâtiment en l'absence de descentes de toiture localisées) ; il est préférable que l'eau circule sur une surface relativement plate et enherbée avant d'arriver sur la tranchée pour faciliter le dépôt et le piégeage des matériaux susceptibles de colmater la surface. Cette solution est préférable en termes économiques mais aussi en termes fonctionnels.
• Alimentation concentrée : l'eau est amenée de façon ponctuelle, soit à une extrémité de la tranchée, soit en différents points répartis sur son linéaire ; dans ce cas il est préférable de doter la tranchée d’un drain pour faciliter la répartition de l’eau dans l’ouvrage ; la mise en place d'un regard équipé d'un dispositif permettant de piéger les feuilles et les matériaux grossiers (puisard de décantation, bouche d'injection) à chaque point d'entrée est recommandée

Figure 6 : Différentes possibilités d'alimentation d'une tranchée de stockage-infiltration.

Modalités de vidange

La vidange peut se faire par infiltration vers le sol support (tranchée d'infiltration) ou à débit contrôlé vers un ouvrage aval (ou en combinant les deux modes). En cas de vidange à débit contrôlé (tranchée de stockage), il est important que la tranchée soit la plus plate possible, de façon à éviter l'accumulation de l'eau dans la partie inférieure, avec le risque d'un débordement en surface. En cas de pente importante, il est possible d'augmenter la capacité de stockage en cloisonnant la tranchée (figure 7).

Historique

Les tranchées ont été utilisées assez régulièrement depuis très longtemps, en particulier pour remplir des fonctions associées à leur capacité de drainage : drainage agricole ou drainage des abords des constructions. Il est donc probable que, en parallèle, ces mêmes tranchées aient alors joué un rôle dans l'évacuation des eaux pluviales. Assez curieusement on ne trouve cependant pas de trace explicite de l'utilisation de tranchées exclusivement dans ce rôle avant les années 1980 (STU, 1982 ; Azzout et al., 1994 ; EPA, 1999), alors que les puits d'infiltration étaient eux utilisées très régulièrement dans ce rôle depuis très longtemps.

Les premières études scientifiques sur le fonctionnement des tranchées ne commencent d'ailleurs vraiment que dans les années 1990 (Argue, 1994 ; Balades et al., 1998). Les premiers guides techniques préconisant des règles pour leur dimensionnement commencent à paraître au début du XXIème siècle (CASQUA, 2003) et ce n'est que quelques années plus tard que l'on comprend vraiment la façon dont l'eau s'écoule dans les tranchées, en particulier avec les travaux de Proton (2008) (voir § Fonctionnement hydraulique des tranchées de stockage-infiltration).

Fonctions et cobénéfices

Les ouvrages de ce type peuvent jouer plusieurs fonctions complémentaires utiles pour diminuer les flux d'eau et de polluants produits pendant les périodes pluvieuses :

• transporter l'eau vers un exutoire aval à une vitesse réduite, ce qui étale les hydrogrammes et écrête les pointes de débit (voir § sur le fonctionnement hydraulique) ;
• stocker provisoirement l'eau ; c'est le complément obligé du point précédent ; le stockage est d'autant plus efficace que la pente est faible et que la porosité des matériaux est grande ;
• infiltrer tout ou partie de l'eau vers le sol et la nappe et permettre ainsi sa réalimentation (voir le § sur l'infiltration) ;
• permettre une décantation très efficace des matières en suspension et des polluants qui leur sont associées (soir le § sur l'efficacité de dépollution).

Les tranchées de stockage-infiltration sont faciles à mettre en œuvre et économiques ; elles ne mobilisent que peu de foncier et peuvent facilement être intégrées dans la trame urbaine, d'autant que leur couverture peut prendre des formes très variées. Elles peuvent même servir à structurer l'espace, par exemple en délimitant les espaces de stationnement sur un parking.

Elles peuvent également être végétalisées et contribuer au verdissement de la ville et au développement de la biodiversité (figure 8).

Conception

Conception générale

De façon générale les tranchées de stockage-infiltration ne posent pas de problème compliqué de conception dans la mesure où leur forme linéaire est habituelle pour les aménageurs. Comme les réseaux traditionnels, elles sont ainsi le plus souvent implantées le long des cheminements ou des voiries.

Les tranchées de stockage-infiltration peuvent cependant être plus difficiles à mettre en œuvre lorsque la pente du terrain le long duquel elles sont implantées est forte. Il est en effet alors nécessaire de prévoir un cloisonnement de l'ouvrage pour éviter que l'eau ne s'accumule dans la partie basse, ce qui limite malgré tout leur capacité de stockage. Pour que cette contrainte ne soit pas trop pénalisante, il est nécessaire de réfléchir à leur implantation dès les phases initiales de la conception de l'aménagement de façon à tenir compte de cette difficulté dans le plan masse.

Les principaux problèmes posés par les tranchées de stockage-infiltration sont cependant d'ordre technique et concernent la maîtrise de la répartition correcte de l'eau dans la tranchée et celle de sa vidange. Ces aspects sont abordés dans les paragraphes suivants.

Fonctionnement hydraulique des tranchées de stockage-infiltration

Dans le cas des écoulements en milieu granulaire, différentes modélisations peuvent être envisagées :

• on peut considérer que l'écoulement se fait à surface libre dans un milieu à forte rugosité et utiliser par exemple (en régime permanent) la formule de Manning-Strickler :

$ V= K_s.R_h^{2/3}.J^{1/2} \quad soit \quad J = K_1.V^{2}\quad(1) $

• On peut au contraire considérer que l'écoulement se fait dans un milieu poreux et utiliser la formule de Darcy :

$ V= K.J \quad soit \quad J = K_2.V \quad(2) $

• on peut utiliser des formules intermédiaires, adaptées aux matériaux à forte porosité comme celle d'Izbash :

$ J= K_3.V^m \quad(3) $

• ou celle de Forchheimer :

$ J= K_4.V+K_5.V^{2}\quad(4) $

Avec :

• $ V $ : vitesse moyenne de l'écoulement ($ m/s $) ;
• $ J $ : pertes de charge linéaire ou gradient de la ligne d'eau dans le sens de l'écoulement ($ m/m $) ;
• $ R_h $ : Rayon hydraulique ($ m $) ;
• $ K_s $ : coefficient de débit ;
• $ K $ : coefficient de Darcy ;
• $ K_1 $ à $ K_5 $ : Coefficients.

Proton (2008), travaillant sur des tranchées en vraie grandeur fonctionnant en conditions contrôlées, a montré que les pertes de charges étaient sensiblement proportionnelles à $ K_1.V^{2} $ et que les formules d'Izbash ou de Forchheimer conduisaient à sur-paramétrer le modèle sans apporter d'amélioration notable. Dans le cas d'étude, en utilisant des galets roulés 20/80 avec une porosité de l'ordre de 0,38, la valeur optimale de $ K_s $ était de l'ordre de 0,37, soit du même ordre de grandeur que celui à prendre en compte dans une noue.

Cette étude montre clairement que bien que les écoulements soient souterrains, la porosité des matériaux utilisés (en générale du galet ou du concassé) est suffisamment grande pour que l'on puisse considérer que l'écoulement se fait à surface libre avec une rugosité très forte.

Nota : Cette grande capacité d'écoulement conduit également à s'interroger sur le besoin de placer un drain en fond de tranchée en dehors de cas très particulier (injection localisée et très grande longueur ou risque de colmatage du milieu granulaire par exemple).

Modélisation de l'infiltration dans les tranchées de stockage-infiltration

La principale question posée par le calcul des débits de vidange des tranchées concerne les surfaces qui doivent être prises en compte (parois et/ou fond) pour calculer le débit d'infiltration (plus rigoureusement d'exfiltration) entre l'ouvrage et le sol profond, et en particulier la façon dont ce débit évolue au cours du temps du fait du colmatage.

L'étude de Proton (2008) a également traité cet aspect en accélérant artificiellement le vieillissement de tranchées d'infiltration. Il a ainsi montré que dans des conditions normales, le fond des tranchées se colmatait très vite (en quelques années au maximum et encore plus vite si l'eau est injectée par des drains), mais que la capacité d'infiltration des parois n'évoluaient que très peu. Il a également montré que le débit d'infiltration par les parois étaient proportionnel à la surface de parois. Ceci n'est cependant vrai, dans le cas de tranchées construites en parallèle, que si l'on conserve une distance entre les tranchées au moins égale au double de leur profondeur (voir figure 9).

Figure 9 : Espacement à conserver entre deux tranchées dans le cas de tranchées construites en parallèle.

La seconde difficulté concerne le choix de la capacité d'infiltration. L'avantage des tranchées est de répartir l'eau sur une longueur importante et de profiter ainsi des zones ou la capacité d'infiltration est la meilleure. En conséquence, dans le cas classique où plusieurs essais ont été effectués, il est totalement inutile d'enlever la plus forte valeur pour calculer une valeur moyenne (pour un argumentaire plus complet voir l'article capacité d'infiltration.

Dimensionnement des tranchées de stockage-infiltration

La simulation détaillée du fonctionnement d'une tranchée est compliquée. Il faut en effet prendre en compte l'évolution des apports en fonction du temps et de la position le long de la tranchée, la façon dont l'eau s'écoule et se répartit dans la tranchée ainsi que les différents modes de vidange (débit d'exfiltration en fonction du remplissage et/ou débit de fuite régulé).

Heureusement, dans la plupart des cas un dimensionnement simple, supposant un remplissage homogène de la tranchée, est suffisant et ^permet d'utiliser des méthodes simplifiées (comme la méthode des pluies ou la méthode des volumes ).

Ces méthodes supposent cependant un débit d'évacuation constant. Or comme le niveau de remplissage de la tranchée varie avec le temps, la surface d'infiltration, donc le débit d'infiltration ne sont pas constants. 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 la tranchée est pleine en multipliant ce dernier par 0,5. Ce résultat a été confirmé analytiquement par Chocat (2020).

La règle de dimensionnement consiste donc simplement à utiliser comme surface d'infiltration la moitié de la surface totale de paroi verticale, sans prendre en compte de coefficient de sécurité car les parois verticales ne se colmatent pas contrairement au fond.

Efficacité de dépollution des tranchées de stockage-infiltration

Le colmatage du fond est la conséquence d'une décantation très importante des matières en suspension, elle même due aux vitesses d'écoulement très faibles dans les tranchées (quelques cm/s). Comme une partie importante des polluants sont fixées sur les particules fines, ce colmatage est donc le signe d'une très grande efficacité de dépollution.

Réalisation / impacts négatifs potentiels et précautions à prendre

Le principal problème associé aux tranchées est constitué par leur emprise souterraine assez importante associée à la nécessité (pas obligatoire mais préférable) de leur continuité qui peut gêner la mise en place d'autres réseaux.

Il est également important de bien gérer la pente du fond de la tranchée :

• pour les tranchées d'infiltration une pente très faible, voire nulle est préférable pour pouvoir profiter facilement de la totalité du volume de stockage ;
• pour les tranchées assurant une fonction de transport (et d'évacuation à débit contrôlé) une pente de 2% à 3% est à prévoir.

La mise en place d'évent facilitant l'évacuation de l'air est conseillée, particulièrement dans le cas où la tranchée est remplie de SAULs

L'intérêt de la mise en place d'un drain est discutée (voir § sur la modélisation hydraulique). L'adopta https://adopta.frconseille un drain dans la partie supérieure de la tranchée pour les tranchées d'infiltration.

Deux autres règles de conception souvent appliquées sont également discutables :

• La végétalisation de la tranchée : il est souvent indiqué dans les guides techniques qu'il faut éviter la plantation d’arbres ou de buissons à racines profondes au-dessus de la tranchée et/ou à une distance inférieure à 1 m de celle-ci ; cette règle apparaît aujourd'hui obsolète et certaines tranchées sont au contraire fortement végétalisées, ce qui implique d'ailleurs une couche de terre végétale dans leur partie supérieure et un traitement spécifique de la tranchée elle-même (mélange terre-pierre dans le cas des tranchées de Stockholm : voir Massif enterré (HU)) ; il est cependant nécessaire de s'assurer que les racines ne vont pas endommager le géotextile séparant la tranchée du sol encaissant ;
• Le respect d'une distance de 1 à 2 mètres par rapport aux bâtiments ; cette règle, justifiée par la crainte de pénétration d'eau dans les sous-sols, doit être appliquée avec discernement :
  • elle est bien évidemment inutile dans le cas d'une tranchée stockante qui va au contraire jouer un rôle de drainage ;
  • elle est également inutile dans le cas d'une tranchée d'infiltration si la capacité d'infiltration du sol support est suffisante pour évacuer l'eau rapidement en profondeur ; dans ce cas il est d'ailleurs possible d'étancher la tranchée du côté du bâtiment (ce qui divise par deux la surface et donc le débit d'infiltration).

D'une façon générale les bâtiments souffrent actuellement plus du dessèchement des sols que de leur excès d'humidité.

Comme déjà indiqué plus haut, dans le cas d'une alimentation diffuse par la surface, il est nécessaire de protéger la zone d'infiltration, par exemple par une bande enherbée, pour éviter le colmatage de la surface.

Vie de l’ouvrage

De façon générale les tranchées ne nécessitent que peu d'entretien et seuls les dispositifs permettant l'introduction de l'eau ou sa vidange doivent faire l'objet d'une certaine attention :

• Dans le cas d'une alimentation localisée il faut entretenir régulièrement le regard en amont (au moins deux fois par an et autant de fois que nécessaire au moment de la chute des feuilles) en retirant tout ce qui pourrait colmater la tranchée.
• Dans le cas des tranchées recouvertes d’herbe, l'entretien et celui d'un espace vert traditionnel (tonte et nettoyage).
• Dans le cas des tranchées recouvertes de galets un nettoyage régulier est nécessaire.
• Dans le cas tranchées stockantes, il faut contrôler régulièrement le dispositif de régulation du débit.

Bibliographie :

• Argue, J.R. (1994) : A new streetscape for stormwater management in Mediterranean-climate : the concept explored ; Water Science and technology ; vol 32 ; N°1 ; pp 23-32.
• 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.
• Balades, J.D., Berga, P., Bourgogne, P. (1998) : Impact d’une tranchée drainante par temps de pluie ; Novatech 1998 ; pp 551-558 ; disponible sur https://asso.graie.org/portail/novatech-1998-nouvelles-technologies-assainissement-pluvial/
• CASQUA (2003) : California Stormwater BMP handbook - new development and redevelopment : infiltration trench ; California stormwater quality association ; 7p.
• Chocat, B. (2020) : Généralisation de la méthode des pluies ; note de travail (copie envoyée sur demande).
• EPA (1999) : Storm Water Technology Fact Sheet : infiltration trench ; USEPA ; EPA 832.F-99.019, 7p.
• 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

Pour en savoir plus :

• Proton, A. (2008) : Étude hydraulique des tranchées de rétention / infiltration ; Thèse INSA Lyon ; téléchargeable sur http://www.theses.fr/2008ISAL0073