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

Traduction anglaise : Storm water retention/infiltration trench

Dernière mise à jour : 8/5/2020

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 de tranchée filtrante.

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

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

Forme et structure des tranchées de stockage et d'infiltration des eaux pluviales

Les tranchées de rétention/infiltration ont généralement des profils en travers de forme rectangulaire ou 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 (porosité 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).

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

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 4). Elles occupent peu de foncier.

Elles peuvent être recouvertes de terre et végétalisées, recouvertes de dalles, ou non couvertes ; l’eau peut être apportée par ruissellement sur la surface (si le revêtement de surface est perméable) ou introduite par une canalisation (voir figure 1 et figure 3)

Figure 3 : Structures possibles pour une tranchée de rétention/infiltration.

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

• si elles sont situées en bordure de voirie elles peuvent être alimentées latéralement par ruissellement direct à travers leur surface.
• si elles sont en contact avec les des surfaces imperméables qu’elles drainent par une extrémité, il est préférable de les doter d’un drain pour faciliter la répartition de l’eau dans l’ouvrage
• si elles sont éloignées des surfaces imperméables, il est préférable d’utiliser un ouvrage de surface (noue, caniveau) ou souterrain pour les alimenter.

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. Il est préférable d’aménager les pentes de façon à amener l’eau latéralement à la tranchée et sur toute sa longueur pour faciliter sa répartition dans l’ouvrage.

Figure 4 : Exemple de tranchée séparant deux espaces de stationnement ; crédit photo : Bernard Chocat.

Fonctionnement des tranchées de stockage et d'infiltration des eaux pluviales

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 (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).

Fonctionnement hydraulique des tranchées de rétention/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, adaptée 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

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.

Modélisation de l'infiltration dans les tranchées de rétention/infiltration

La principale question posée par le calcul des débits d'infiltration dans les tranchées concerne les surfaces qui doivent être prises en compte. 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 4).

Figure 5 : 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.

Dimensionnement des tranchées d'infiltration

Les méthodes simplifiées de dimensionnement (comme la méthode des pluies ou la méthode des volumes ) suppose 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).

Efficacité de dépollution des tranchées de rétention/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.

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 ; 371 p.
• Chocat, B. (2020) : Généralisation de la méthode des pluies ; note de travail (copie envoyée sur demande)

Pour en savoir plus :

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