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Proceedings of the 18
th
International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Paris 2013
conductivité hydraulique supérieure à celle de l'aquifère
environnant pour empêcher tout contournement du système
(Starr et Cherry 1994). Afin de répondre aux contraintes
hydrauliques et limiter les pertes de charges dans les filtres, un
nouveau concept de filtre radial pouvant être mis en œuvre dans
les caissons a été développé à l’École Polytechnique de
Montréal. Sur le plan théorique, ce filtre permet, à volume de
réactifs égaux, de diminuer les pertes de charges par rapport à
un filtre classique et d’en améliorer les performances chimiques
(Courcelles 2012). Toutefois, des expérimentations étaient
nécessaires pour vérifier la principale hypothèse du filtre radial,
à savoir la parfaite verticalité des équipotentielles dans le filtre.
Les résultats d’essais de laboratoire visant à vérifier cette
hypothèse sont présentés dans la suite du document.
Figure 1. Principe des Barrières Perméables Réactives :
(a) configuration en mur continu, et (b) configuration « funnel-and-
gate » ou en caisson, d’après Roudier (2005).
.
2 PRINCIPE DU FILTRE RADIAL
La conception du nouveau filtre repose sur l’application directe
de la loi de Darcy, qui énonce que le débit traversant une
section d’un milieu granulaire est proportionnel au gradient
hydraulique et à sa surface. Ainsi, à débit et volume de filtre
constants, les pertes de charges sont moindres lorsque la section
du filtre est augmentée et sa longueur proportionnellement
réduite. Le filtre radial est ainsi un cylindre réactif ou
l’écoulement peut se faire de son axe central vers la périphérie
ou inversement. De fait, la longueur de filtration se limite au
rayon du cylindre, ce qui est très intéressant compte-tenu des
dimensions classiques des filtres, qui peuvent être
particulièrement élancés avec des diamètres compris entre 0,5 et
1 m et des longueurs pouvant atteindre plusieurs mètres.
Comme illustré sur la Fig. 2, le filtre cylindrique est
composé de trois matériaux coaxiaux : un matériau grossier
inerte au centre, entouré un matériau réactif et d'un autre
matériau inerte à l’extérieur. Les matériaux grossiers au centre
et à la périphérie du filtre constituent les zones d’entrée ou de
sortie d’eau dans le filtre, selon les pertes de charges appliquées.
Les avantages d’un tel filtre sont multiples comparativement à
la configuration classique et touchent l’hydraulique, mais
également les performances chimiques des filtres.
Considérant que le filtre radial et le filtre classique de la
Fig. 2 ont des longueurs identiques et un même volume de
matériau réactif (
R
ext
2
-R
int
2
=R’
2
), les pertes de charges sont, à
débits égaux, plus faibles dans le filtre radial car la longueur de
filtration est réduite (
R
ext
-R
int
comparativement à
L
dans une
filtration classique). Un filtre radial permettrait ainsi
d’augmenter la durée de vie hydraulique des BPR, puisqu’il
permet de limiter les contraintes sur la conductivité hydraulique
minimale du matériau réactif.
Sur le plan chimique, les temps de contact des deux filtres de
la Fig. 2 sont identiques puisque les volumes des vides sont les
mêmes. Par ailleurs, même si l’écoulement dans un filtre radial
peut être centripète ou centrifuge, l’étude théorique a permis de
démontrer qu’un écoulement centripète améliore les
performances chimiques des filtres des BPR. En effet, la vitesse
relative de l’eau contaminée par rapport aux grains réactifs est
plus faible à la périphérie, c’est-à-dire là où les concentrations
en contaminants sont les plus fortes dans le cas d’un écoulement
centripète (Courcelles 2012). Dans le cas d’une rétention par
adsorption des contaminants, la percée du filtre peut ainsi être
retardée.
Figure 2. Concept de filtre radial
3 MATÉRIEL ET MÉTHODE
Afin de vérifier les conditions d’écoulement dans les filtres
radiaux, des essais de laboratoire ont été réalisés sur un filtre
miniature. Les conditions d’essais sont précisées dans la
présente section.
3.1 Géométrie de filtration
Le filtre possédait une hauteur de 30 cm et un rayon de 15 cm.
Tel que représenté en axisymétrie sur la Fig. 3, il comprenait un
cylindre de matériau grossier de 15 mm de rayon au centre et un
autre matériau grossier sur 15 mm d’épaisseur à la périphérie.
La filtration a été réalisée de manière centripète, soit du
matériau grossier extérieur vers le matériau grossier intérieur.
L’exutoire du filtre radial se situait au sommet de ce matériau
grossier central.
Les charges hydrauliques ont été mesurées à l’aide de
piézomètres implantés dans le matériau réactif sur une section
verticale. Ces piézomètres constituent un maillage réparti selon
trois rayons, de 15, 75 et 135 mm, et trois hauteurs de mesure, à
6, 15 et 24 cm. Chaque piézomètre est identifié par son rayon (1
à 3), suivi de son niveau (a à c).
Figure 3. Localisation des mesures de pression sur une section verticale
de filtre radial
3.2 Matériaux réactifs et solution filtrée
Le matériau réactif sélectionné pour les essais est de l’oxyde de
magnésium, FlowMag
®
PWT de la compagnie Magnesia
Specialties. Habituellement utilisé pour le traitement de l’eau
potable, ce matériau permet de relever le pH de la solution
filtrée et de retenir les contaminants métalliques par
précipitation d’hydroxydes. Durant les essais, le pH est resté
constant à une valeur de 9.8, particulièrement propice à la
précipitation d’hydroxydes à partir d’ions métalliques divalents
(Zn, Mn, Cu, Pb, Ni, Co ou Cd). La granulométrie du matériau
