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Introduction

Depuis 2010, la DREAL Centre-Val de Loire mène une réflexion sur les techniques de réalisation des écrans étanches en corps de digue. Elle s’est traduite en 2013 par une communication sur les différentes techniques de renforcement des levées de Loire utilisées depuis la seconde moitié du XX^e siècle et les perspectives attendues de chantiers expérimentaux d’écrans étanches en corps de digues utilisant plusieurs techniques de Deep Soil Mixing (DSM) (Patouillard et al., 2013). Un premier bilan du suivi expérimental à 5 ans de ces techniques, accompagné par un retour d’expérience de plusieurs chantiers d’écrans étanches sur les levées de Loire, a été présenté en 2019 (Patouillard et al., 2019). Ces publications présentent l’évolution des approches de conception et de réalisation en exploitant la connaissance des sols (de la digue et de ses fondations) et de la nappe alluviale circulant dans les couches perméables du sous-sol. Pour faire suite à ces travaux, il est d’abord proposé de présenter le bilan à 10 ans du suivi des chantiers expérimentaux. Ensuite, l’article complète le retour d’expérience des chantiers de plus grande ampleur (Fig. 1) qui représentent aujourd’hui plus de 32 km de linéaire de digues et qui ont fait évoluer l’application de la technique ainsi que son domaine de validité. Enfin, il est proposé de décrire les attendus et les premiers résultats de l’instrumentation d’une portion d’écran dans la levée protégeant le val de Tours (Montlouis-sur-Loire) menée dans le cadre de travaux de recherche sur la thématique « Vulnérabilité des digues de Loire au changement climatique ».

Fig. 1 Chantier d’écran « deep soil mixing » en tranchée à Varennes/Loire (2021- dreal cvl/detl©drone expertise centre). Deep soil mixing trench at Varennes/Loire (2021- dreal cvl/detl©drone expertise centre).

1 Bilan des chantiers expérimentaux à 10 ans

La technique de Deep Soil Mixing (DSM) telle qu’elle a été proposée dans les chantiers expérimentaux utilise un outil de malaxage de type trancheuse pour désagréger le sol en place en le mélangeant à un liant hydraulique afin d’en améliorer l’homogénéité, l’imperméabilité et la résistance. Le traitement est qualifié VH (voie humide) lorsque le mélange se fait au moyen de procédés permettant l’injection, via l’outil de malaxage, d’un coulis (liant hydraulique et eau) et VS (voie sèche) lorsque le liant est introduit sous forme pulvérulente, l’eau nécessaire étant ajoutée via l’outil de malaxage (Patouillard et al., 2019).

La Figure 2 présente les résultats du suivi à 4 et 8 ans en termes de perméabilité in situ (essais de type Nasberg réalisés dans l’écran) et de résistance à la compression simple (Rc) en fonction de la profondeur. La performance mécanique de l’écran est évaluée au cours de l’exécution afin de s’assurer de la prise (passage de l’état plastique à l’état solide) et du durcissement du mélange sol-ciment (augmentation de la résistance mécanique au cours du temps). Le suivi permet de s’assurer que la performance mécanique ne s’altère pas au cours du temps. Ces mesures ont été effectuées sur des carottes prélevées dans l’écran étanche de Sigloy (S, réalisé par VH) et de Guilly (G, réalisé par VS). Globalement, entre 4 et 8 ans, les perméabilités tendent à diminuer, avec des valeurs qui restent inférieures à 1.10⁻⁸ m/s, et les résistances mécaniques tendent à augmenter, ce qui montre la pérennité des écrans expérimentaux. Les limites indiquées en rouge sur les 2 graphiques correspondent aux valeurs cibles à 28 jours recherchées lors de l’exécution.

Par ailleurs, l’amélioration des connaissances sur le comportement des mélanges sol-ciment a permis d’adapter les techniques de carottages pour le prélèvement d’échantillons intacts, de taille des éprouvettes et de mesures en laboratoire afin d’augmenter le nombre de valeurs lors du suivi.

Fig. 2 Perméabilités (a) et Rc (b) des écrans expérimentaux 4 et à 8 ans. Permeability (a) and Rc (b) of experimental screens at 4 and 8 years.

1.1 Retour d’expérience sur des chantiers de grande ampleur

1.1.1 Présentation synthétique des chantiers et enseignements tirés

Entre 2013 et 2023, la DREAL Centre-Val de Loire a conduit 21 chantiers permettant la réalisation d’écrans étanches en corps de digue sur plusieurs systèmes d’endiguement de la Loire moyenne. Ce sont plus de 32 km d’écrans qui ont été réalisés dans des levées et leurs sols de fondation. Les techniques (VH et VS) de Deep Soil Mixing (DSM) proposées dans les chantiers expérimentaux utilisent le liant CEMIII/C 32,5 N dosé entre 160 et 230 kg/m³ de sol traité. Le dosage dépend fortement des caractéristiques des sols rencontrés. Sa formulation est déterminée en laboratoire puis testée et affinée sur une planche d’essai.

Malgré des géométries et des structures relativement différentes, ces techniques se sont révélées adaptées dans la majorité des cas. Cependant, certains tronçons de digues n’ont pas pu être traités convenablement à partir de ces techniques, soit parce que la prise du mélange ne se faisait pas, soit parce que les caractéristiques attendues de l’écran n’étaient pas atteintes malgré la prise. Cela a conduit d’abord à réaliser des reprises d’écran (mise en place d’un nouvel écran sur l’écran frais dont la prise ne se fait pas) puis à améliorer le mélange par l’ajout de chaux vive au ciment (10 à 50 kg/m³ de sol traité) dès lors que la cause des défauts de prise avait été imputée en partie à la présence d’un taux important de matière organique (Patouillard et al., 2019). Sur certains tronçons ou les caractéristiques mécaniques n’étaient pas atteintes, un dispositif de suivi des écrans a été mis en place pour s’assurer de la pérennité de l’ouvrage (tests de perméabilité) comme à Veuves (41) ou à La Riche (37).

Enfin, ces techniques se sont révélées inadaptées sur certains tronçons (géométrie particulière de la digue, zone de transition avec une écluse, un pont, un quai, etc.) notamment pour des raisons d’encombrement des engins de chantier. Ces cas ont conduit à recourir à d’autres techniques telles que la paroi au coulis bentonite-ciment, les palplanches métalliques voire dans certains cas à abandonner l’écran étanche (intervention au niveau du talus amont). Dans un cas notamment, les mauvais résultats des études de formulation au droit d’une ancienne brèche ont conduit à affiner les investigations géotechniques et découvrir que la levée disposait sur ce tronçon d’un noyau argileux qu’il convenait de ne pas déstructurer. Le Tableau 1 donne une synthèse par grand système d’endiguement de ces éléments à partir de la base de données des chantiers conduits par la DREAL Centre-Val de Loire.

Nous constatons que les techniques DSM sans adaptation particulière ont pu être mise en œuvre dans 76 % du linéaire à renforcer par écran étanche en corps de digue. En effet, la technique sans adaptation n’a parfois pas pu être mise en œuvre avec certains sols à dominante limoneuse et argileuse. Suivant les cas rencontrés, cela peut s’expliquer par la nature des argiles et de leur capacité à adsorber l’eau, la présence importante de matières organiques ou d’une impossibilité de malaxage homogène (déstructuration incomplète du sol avec formation de boulettes d’argiles rendant le mélange sol-ciment localement hétérogène). Pour 19,5 % du linéaire, ces techniques se sont révélées convenir moyennant une adaptation : ajout de chaux dans la formulation (18,3 %) ou reprise de l’écran (1,2 %). Ainsi, les écrans étanches réalisés avec les techniques DSM (avec ou sans chaux) semblent aujourd’hui de bonne qualité pour 96 % du linéaire. Pour 4,3 % du linéaire d’écrans réalisés, les caractéristiques (le plus souvent la résistance mécanique) sont inférieures aux attentes et ont conduit à mettre en place un dispositif de suivi sur au moins 10 ans. L’écran dont les caractéristiques sont les plus préoccupantes est celui du système d’endiguement de Cisse-Vouvray dans la traversée de Veuves. Par ailleurs, pour presque 3,5 % du linéaire prévu initialement, la technique n’a pas été mise en œuvre : abandon ou autre technique mieux adaptée.

1.2 Retour d’expérience du suivi de l’écran de Veuves

L’exécution du chantier d’écran étanche par tranchée de sol mixé (VS) réalisé sur la commune de Veuves en 2014 a été présentée dans une précédente publication (Patouillard et al., 2019), annonçant la mise en place d’un suivi de l’évolution de l’écran à 10 ans compte tenu d’une imperméabilité et d’une résistance mécanique trop faibles mesurées en fin de chantier. Pour mémoire, ces moins bons résultats ont été en partie attribués dans cette publication à un défaut de dosage et de mise en œuvre du malaxage sans que cela puisse être démontré dans la mesure où il n’y avait pas eu d’enregistrement des paramètres de la machine (profondeur, vitesse d’avancement, débit de la pompe pour l’injection d’eau).

Ce suivi a été pris en charge par l’entreprise de travaux sous la forme de 2 protocoles. Le 1^er protocole consiste à réaliser des essais de perméabilité en forage fermé à charge constante dans l’écran et des essais de perméabilité en forage ouvert à charge variable dans le corps de digue (hors écran) comme montré dans la Figure 3. Ces essais sont reproduits sur 3 zones. Les résultats de ces mesures de perméabilité, réalisées entre −3 et −4 m sous la chaussée n’ont pas été concluants sur les 3 zones. L’une d’entre elles ne respecte pas les exigences attendues pour l’écran (k < 1.10⁻⁸ m/s).

Le 2^nd protocole avait pour but de suivre l’évolution de l’écran sur 10 ans, afin d’en vérifier la pérennité, par le biais de mesures de perméabilité Nasberg réalisées dans les réservations faites lors du premier protocole et accessibles par des bouches à clé comme illustré dans la Figure 4.

À partir de la seconde année, si les perméabilités mesurées sont supérieures à celles de l’année précédente, le protocole prévoit de poursuivre les mesures à un rythme annuel. En revanche, si les perméabilités mesurées sont inférieures ou égales la fréquence passe à 2 ans.

Les résultats obtenus lors de la 1^ère campagne de 2015 ont servi de « point zéro » dans l’analyse de l’évolution de la perméabilité de l’écran. Avant chaque essai, il convient de vérifier l’état des gravillons présent sur la hauteur de la lanterne sous le tubage. En cas d’éventuel colmatage, les gravillons sont aspirés puis remplacés par des gravillons propres. Une saturation préalable de chaque tube est effectuée la veille des essais par un remplissage en eau. L’essai débute après une mise à niveau de l’eau. Il est ainsi mesuré la vitesse d’infiltration de l’eau en mesurant la profondeur du niveau d’eau dans le tube en fonction du temps.

La Figure 5 montre les résultats du suivi à 6 ans. La perméabilité de l’écran au cours du temps des deux zones conformes en 2015 (SD-R et SD-U) a augmenté la première année puis est restée relativement constante depuis 2016. La perméabilité de la zone SD-E a également augmenté la première année mais a tendance à diminuer depuis 2016 pour retrouver le niveau de 2015. Ainsi, deux zones sur les trois suivies ont des perméabilités de 1.10⁻⁷ m/s (non conformes aux exigences initiales).

La comparaison avec la perméabilité initiale du corps de digue mesurée à 5.10⁻⁷ m/s (hors zone urbaine R et E) semble confirmer que l’écran (k < 10⁻⁷ m/s) améliore factuellement l’étanchéité de la digue, et cela d’autant plus qu’il a permis de traiter les hétérogénéités de la structure et plusieurs réseaux abandonnés. Cependant, il semble désormais peu probable d’atteindre des perméabilités de l’ordre de 1.10⁻⁸ m/s d’ici 2025.

Fig. 3 Essais pour comparaison dans l’écran (a) et dans le corps de digue (b) (DREAL Centre-Val de Loire). Tests for comparison in the screen (a) and in the dike body (b) (DREAL Centre-Val de Loire).

Fig. 4 Mesures de perméabilité dans l’écran (DREAL Centre-Val de Loire). Permeability measurements in the screen (DREAL Centre-Val de Loire).

Fig. 5 Mesures de perméabilité issues du protocole n° 2 (DREAL Centre-Val de Loire). Permeability measurements from protocol no. 2 (DREAL Centre-Val de Loire).

1.3 Retour d’expérience sur l’utilisation de la chaux en complément du ciment CEMIII/C 32,5 N

Comme évoqué précédemment, les adaptations de formulation de mélange sol-ciment ont conduit parfois à l’utilisation de chaux. Cette utilisation est justifiée en présence de sols dont la teneur en matière organique, mesurée par calcination, dépasse 3 %. L’un des exemples d’utilisation de la chaux est le chantier de réalisation d’écran étanche par tranchée de sol mixé qui a eu lieu à Sigloy en 2018. Un contrôle a été effectué par carottage puis essais de perméabilité et de résistance à la compression simple en laboratoire en 2021.

La Figure 6 présente les résultats du contrôle obtenus sur le matériau constitutif de l’écran étanche. Ses caractéristiques hydrauliques et mécaniques sont satisfaisantes et confirment la pertinence de la formulation retenue.

Fig. 6 Perméabilités (a) et Rc (b) de l’écran de Sigloy à 3 ans. Permeability (a) and Rc (b) of the Sigloy screen at 3 years.

2 L’instrumentation de la levée renforcée par écran étanche à Montlouis-sur-Loire

Afin d’améliorer la connaissance sur le comportement à long terme, des travaux de recherche sur la thématique « Vulnérabilité des digues de Loire au changement climatique » ont conduit à mettre en place une instrumentation lors de l’exécution de l’écran étanche du système d’endiguement de Tours à Montlouis-sur-Loire en 2017 illustrée par la Figure 7. Cette instrumentation permet de mesurer les évolutions de teneur en eau volumique et de température de l’écran (sondes TDR positionnées entre 1,5 et 5,5 m de profondeur dans l’écran), sur plusieurs années, avec pour objectif d’évaluer la sensibilité du mélange sol-ciment aux variations de l’environnement et la pérennité de son comportement. Pour cette évaluation, une mesure de référence est également effectuée à 1 m de profondeur environ dans le corps de digue sablo-limoneux (teneur en eau volumique, température, succion). Par ailleurs, une station météorologique permet de suivre les variations de l’environnement extérieur, à partir de mesures de température et de pluviométrie, et 2 piézomètres sont implantés pour suivre les variations de niveaux d’eau dans le sol de fondation de la levée.

L’instrumentation n’a pas vocation à évaluer les variations de perméabilité et de résistance à la compression simple de l’écran. Pour mesurer ces paramètres, un suivi ponctuel par des sondages destructifs peut-être envisagé (mesure de perméabilité in situ de type essai Nasberg, sondage carotté pour prélèvement d’échantillon intact et mesure de résistance à la compression simple et de perméabilité en laboratoire), tel que cela a été présenté dans le paragraphe précédent.

La Figure 8 présente l’évolution de la teneur en eau massique dans l’écran et dans le corps de digue. Une légère diminution de la teneur en eau est observée dans l’écran au cours du temps (Fig. 8a). L’évolution de la teneur en eau dans le corps de digue montre une bonne corrélation avec la pluviométrie (Fig. 8b).

La teneur en eau de l’écran est assez élevée (25–30 %). Les variations de teneur en eau sont d’autant plus importantes que la mesure est proche de la surface. À 5,50 m de profondeur, les variations de teneur en eau deviennent très faibles.

La Figure 9 présente les variations de température dans l’écran. La Figure 9b présente l’évolution de la succion et de la teneur en eau dans le corps de digue.

Les variations de température montrent les mêmes particularités que celles de teneurs en eau. La variation de température est d’autant plus importante que la mesure est proche de la surface. En surface, il semble que l’écran subit les mêmes variations de température que le corps de digue.

L’écran étanche et le corps de digue subissent des cycles d’humidification-séchage dont l’intensité varie selon les saisons. La succion dans le corps de digue est supérieure à 200 kPa entre août et novembre 2018. Elle est plus faible entre la mi-mai et début août.

Ces observations peuvent servir de référence pour une campagne d’essais en laboratoire intégrant de cycles de vieillissement de matériaux par humidification-séchage ou pour des modèles hygrothermomécaniques dans le but d’établir des modèles de comportement proches des cas réels.

Fig. 7 Schéma de l’instrumentation (coupe transversale). Instrumentation diagram (cross-section).

Fig. 8 Pluviométrie sur le site et évolution de la teneur en eau massique (a) dans l’écran et (b) à 1 m de profondeur dans le corps de digue en fonction du temps. Rainfall at the site and changes in mass water content (a) in the screen and (b) at 1m depth in the dike body as a function of time.

Fig. 9 (a) Température dans l’écran et (b) succion à 1 m de profondeur dans le corps de digue sur une période d’un an. (a) Temperature in the screen and (b) suction at 1m depth in the dike body over a one-year period.

3 Conclusions et perspectives

Les écrans étanches DSM réalisés dans le cadre de chantiers expérimentaux de la levée d’Orléans en 2013 présentent un bon comportement dans le temps avec des caractéristiques hydrauliques et mécaniques satisfaisantes au terme de 10 ans. Les chantiers de plus grande ampleur conduits sur la même période par la DREAL Centre-Val de Loire ont montré que cette technique s’adapte bien à des structures de levées différentes dans la majorité des cas rencontrés. Cependant, la connaissance des sols et de la nappe d’accompagnement du fleuve sont essentiels pour sa mise en œuvre. La réalisation d’un test grandeur nature est aussi nécessaire pour valider la technique au démarrage du chantier ainsi que des contrôles réguliers des caractéristiques de l’écran pendant sa construction (prélèvements pour Rc et perméabilité). Le retour d’expérience de ces chantiers alimente le guide technique pour la réparation des digues publié par le Comité Français des Barrages et Réservoirs (CFBR) (CFBR, 2021).

Dans certains cas, les investigations complémentaires peuvent conduire à préconiser une autre technique (5 % en linéaire étudié). Sur quelques tronçons, les défauts de performance de l’écran ont conduit à mettre en place un suivi dans le temps. Les résultats du suivi sur le chantier de Veuves par exemple montrent que la perméabilité de l’écran semble s’être stabilisée sans amélioration prévisible.

Enfin, l’instrumentation d’un écran DSM Montlouis-sur-Loire dans le cadre de travaux de recherche sur la thématique « Vulnérabilité des digues de Loire au changement climatique » ouvre des perspectives sur la connaissance du comportement à long terme de ce type de structure.

Remerciements

Les auteurs tiennent à remercier tous les acteurs qui ont contribué à l’étude et au suivi de ces écrans DSM ainsi que les entreprises qui les ont construits : Solétanche Bachy, Vinci Construction Terrassement, Botte Fondation, et Keller.

Références

Liste des tableaux

Liste des figures

	Fig. 1 Chantier d’écran « deep soil mixing » en tranchée à Varennes/Loire (2021- dreal cvl/detl©drone expertise centre). Deep soil mixing trench at Varennes/Loire (2021- dreal cvl/detl©drone expertise centre).
Dans le texte

	Fig. 2 Perméabilités (a) et Rc (b) des écrans expérimentaux 4 et à 8 ans. Permeability (a) and Rc (b) of experimental screens at 4 and 8 years.
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	Fig. 3 Essais pour comparaison dans l’écran (a) et dans le corps de digue (b) (DREAL Centre-Val de Loire). Tests for comparison in the screen (a) and in the dike body (b) (DREAL Centre-Val de Loire).
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	Fig. 4 Mesures de perméabilité dans l’écran (DREAL Centre-Val de Loire). Permeability measurements in the screen (DREAL Centre-Val de Loire).
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	Fig. 5 Mesures de perméabilité issues du protocole n° 2 (DREAL Centre-Val de Loire). Permeability measurements from protocol no. 2 (DREAL Centre-Val de Loire).
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	Fig. 6 Perméabilités (a) et Rc (b) de l’écran de Sigloy à 3 ans. Permeability (a) and Rc (b) of the Sigloy screen at 3 years.
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	Fig. 7 Schéma de l’instrumentation (coupe transversale). Instrumentation diagram (cross-section).
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	Fig. 8 Pluviométrie sur le site et évolution de la teneur en eau massique (a) dans l’écran et (b) à 1 m de profondeur dans le corps de digue en fonction du temps. Rainfall at the site and changes in mass water content (a) in the screen and (b) at 1m depth in the dike body as a function of time.
Dans le texte

	Fig. 9 (a) Température dans l’écran et (b) succion à 1 m de profondeur dans le corps de digue sur une période d’un an. (a) Temperature in the screen and (b) suction at 1m depth in the dike body over a one-year period.
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