UN CONCEPT...
Pour une canalisation d’adduction d’eau, la sécurité est apparue d’emblée, et d’une manière globale, comme un impératif déterminant la conception et la réalisation d'un réseau et surtout le choix du matériau.
En ce qui concerne l’assainissement, du fait de l’évolution du rôle du réseau et de la prise de conscience du coût de l’épuration, cette notion est devenue progressivement une exigence.
La sécurité : à quelle fin ?
La notion de sécurité en assainissement a évolué parallèlement à la fonction même du réseau.
À l'époque de la fosse étanche, la sécurité consistait à s’assurer que « le torpilleur des rues », ancêtre du camion de vidange, arrive à temps !
Avec l’avènement du tout à l’égout dont la fonction unique était l’évacuation la plus rapide possible des eaux usées et des eaux pluviales hors des zones d’habitation, la sécurité résidait dans le maintien de bonnes conditions d’écoulement gravitaire. Si, pour l’écoulement, la maintenance résidait dans l’élimination, par des curages, de toutes les causes susceptibles d’occasionner une obstruction et une mise en charge du réseau, pour l’aspect gravitaire, il suffisait de laisser faire la nature.
Aujourd’hui, le réseau est conçu comme partie intégrante, avec la station d’épuration, d’un système d’assainissement. À cet égard, le réseau est devenu un des organes de la chaîne de traitement des effluents, dont il conditionne l’efficacité ; la fonction du réseau n’est plus seulement le transit des effluents, mais la collecte de la pollution, l’objectif final étant la dépollution optimale des eaux usées, afin de préserver les multiples usages des eaux de nappe et de rivière.
Cette finalité impose une étanchéité rigoureuse du collecteur et du branchement, et ce à double titre :
- — toute la pollution collectée, parfois à grand frais, doit être acheminée à la station sans qu’il y ait de fuites, car elles seraient non seulement susceptibles de polluer le milieu naturel (et en particulier les nappes) mais pourraient à terme créer des affouillements sous la canalisation, entraînant des casses ou des cisaillements ;
- — seule la pollution doit être véhiculée, à l’exclusion de toutes eaux claires parasites, provenant d’infiltrations d’eaux de nappe dans un réseau non étanche.
De nombreuses études, effectuées en particulier par les S.A.T.E.S.E., ont montré à quel point la non-étanchéité du réseau d’assainissement était la cause majeure du dysfonctionnement de la station d’épuration, illustrant ainsi la place et l’importance du réseau dans la chaîne de traitement. À cet égard, les résultats d'une enquête effectuée par l’Agence de Bassin Seine-Normandie méritent d’être cités (tableau I).
En conclusion, et pour l’essentiel, on constate que l'évolution du rôle du réseau d’assainissement a modifié fondamentalement les données du problème : il y a quelques années, la sécurité se limitait la plupart du temps à curer à l'occasion le réseau, et la durée de vie du collecteur était déterminée par sa tenue mécanique, le remplacement des tronçons défectueux n’étant envisagé que dans le cas d’effondrement ; aujourd’hui, la …
sécurité consiste à obtenir constamment l'efficacité optimale de l'épuration et donc de la collecte, par le maintien d'une étanchéité totale et permanente du collecteur. L'absence de fuites ou d’infiltrations constitue bien la contrainte limite du système qui détermine l’obsolescence du réseau.
Ceci n'est pas sans conséquences sur le coût de l'épuration et de l'assainissement.
La sécurité : à quel prix ?
Si la santé publique et l’environnement sont des biens inestimables, ce qui explique d’ailleurs les efforts entrepris ces dernières années par les collectivités pour se doter d’un système d’assainissement, il n’en demeure pas moins que le coût de l'épuration représente, chaque année, une réalité concrète pour le budget communal. Il importe donc, comme tout outil industriel, d’optimiser un réseau d’assainissement afin d’assurer le meilleur service au moindre coût.
Tant que l’égout rejette directement les effluents dans la rivière, en suivant la pente naturelle du terrain, un dysfonctionnement du réseau entraîne des dépenses supplémentaires pour des opérations de curage ou des réfections ponctuelles, mais qui restent, en général, limitées (ordre de grandeur en 1983 : 7 à 12 F/m pour un Ø < 400, 30 à 50 F/ml pour un Ø 400-500 encrassé à 100 %).
Mais lorsque le collecteur aboutit à une station d'épuration, c’est le coût d’exploitation des ouvrages de pompage et de traitement qui est remis en cause par une mauvaise étanchéité du réseau. Ainsi, des études statistiques ont établi que si le coût de fonctionnement d'une station représente, pour une commune rurale, 4 % du budget communal, l'introduction d’eaux parasites, diminuant de moitié la charge polluante entrante, aura pour effet de doubler le coût unitaire de l'épuration.
Dans ce bilan, il ne faut pas omettre le surcoût d’amortissement des équipements, qui résulte des travaux de réhabilitation indispensables pour restaurer la structure et l’étanchéité du réseau défaillant et des travaux d’extension de la station, qui sont anticipés du fait de la surcharge hydraulique occasionnée par les eaux parasites. À cet égard, il est intéressant de citer à titre d’exemple les résultats de deux études données ci-après :
a) — l’analyse du bilan d’exploitation d’un service d’assainissement d'une grande ville (425 000 habitants) et la détermination des coûts d’exploitation du système d’assainissement (réseaux, postes de relèvement et stations),
b) — une étude diagnostic-réseau, réalisée pour une commune rurale afin de déterminer le surcoût induit par les eaux parasites au niveau de l’épuration.
En conclusion, on constate que depuis quelques années, peut-être du fait de l’augmentation du prix de l'énergie, une réflexion globale sur ces notions de sécurité et de fiabilité des systèmes a été engagée dans tous les domaines (y compris celui de l’assainis…).
… non seulement par les ministères et les administrations, mais aussi par les industriels.
Pour répondre à ce besoin et bénéficiant de l'expérience acquise en adduction d’eau où les contraintes de sécurité et de fiabilité sont draconiennes, Pont-à-Mousson a lancé en 1980 le système « Intégral » de tuyaux et raccords en fonte ductile pour l’assainissement.
… UNE RÉALITÉ :LA FONTE EN ASSAINISSEMENT
Pendant longtemps, l'utilisation de la fonte a été réservée au transport sous pression d’eau potable, d’eaux usées et de fluides industriels.
La grande résistance mécanique du matériau justifiait son emploi dans un domaine où les canalisations sont non seulement soumises en permanence à des pressions de service de plusieurs bars, mais où elles doivent résister à des surpressions ou des dépressions brutales, notamment à l'occasion de « coups de bélier ». À l'évidence, on pouvait se poser la question de l'intérêt de ce nouveau matériau en assainissement gravitaire, domaine où ce type de contraintes n’existe pas.
Par ailleurs, et d'une façon paradoxale, l’emploi de la fonte est né d'une demande des prescripteurs et des entreprises, qui a précédé la conception du tuyau de fonte Intégral, spécifique pour l’assainissement.
Trois ans après le lancement de ce tuyau, il est possible de tirer les premiers enseignements quant au domaine d'utilisation de la fonte, qui a sensiblement évolué au fur et à mesure de la multiplication des chantiers, et aux possibilités de développement, notamment par la conception de nouveaux produits.
La fonte ductile, un nouveau matériau en assainissement gravitaire
La fonte ductile est un alliage ferreux coulé contenant plus de 3 % de carbone. La répartition du carbone, après solidification, sous forme de graphite sphéroïdal, confère à la canalisation en fonte ductile des caractéristiques mécaniques intéressantes, en particulier : résistance à la traction et aux chocs, allongement important, haute limite élastique.
D'une façon classique, en matière d’assainissement, on distinguait jusqu’à présent, en particulier pour le calcul des charges de remblai et des charges roulantes, deux catégories de tuyaux :
- — les tuyaux rigides, qui possèdent une bonne aptitude à la compression mais une faible résistance à la traction, avec pour conséquence une rupture brutale du tuyau lorsque les charges exercées entraînent une certaine ovalisation ;
- — les tuyaux flexibles qui, à l'inverse, supportent sans grand dommage pour la canalisation, mais avec un certain nombre d’inconvénients pour l'écoulement, des ovalisations importantes, en général > 3 %.
À cet égard, l'intérêt des tuyaux en fonte ductile est de présenter un comportement intermédiaire, semi-rigide ou semi-flexible. Par rapport aux autres matériaux, et à contrainte égale, la déformation (allongement ou flèche) est faible, mais la capacité de déformation avant rupture est nettement supérieure aux matériaux rigides cassants (voir tableau II).
Compte tenu de cette spécificité, le calcul de la résistance mécanique aux charges de remblai et aux charges roulantes, qui déterminent la hauteur de couverture admissible, peut s’effectuer d’après la méthode
TABLEAU II
RAPPEL DES PRINCIPAUX MATÉRIAUX UTILISÉS EN ASSAINISSEMENT
| FIBRE-CIMENT | BÉTON | BÉTON ARMÉ | FONTE DUCTILE | GRÈS | PVC | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Composition de base | Ciment Portland artificiel, fibres de cellulose ± 2 % | Béton centrifugé et vibré à haute fréquence | Béton centrifugé comportant du ciment armé | Fonte d’environ 3,2 % de C avec graphite sphéroïdal | Argiles et chamottes (mélange cuit) | Matière plastique de polychlorure de vinyle (CH₂–CHCl)ₙ |
| Masse volumique (kg/dm³) | 2,2 à 2,3 | 2,3 à 2,5 | 2,3 à 2,5 | 7,3 à 7,5 | 2,3 à 2,7 | 1,37 à 1,4 |
| Coefficient de dilatation (10⁻⁶ m/m °C) | 10 | 11 à 12 | 11 à 12 | 11 à 12 | 4,5 | 80 × 10⁻⁶ |
| Résistivité (Ω cm) | 550 × 10³ | matériau poreux donc difficile à mesurer | matériau poreux donc difficile à mesurer | 50 à 80 | illimitée | 10¹⁰ |
| Module d’élasticité (N/mm²) | 1 500 à 2 000 | 3 000 à 3 500 | 3 000 à 3 500 | 17 000 | 5 000 à 8 000 | 260 à 300 |
| Allongement | négligeable | négligeable | négligeable | 10 à 12 % | négligeable | 80 % |
| Résistance à la traction ou pression | 2,25 à 3 daN/mm² | Valeur générale, la résistance à la traction est assurée par les aciers de compression | Valeur générale, la résistance à la traction est assurée par les aciers de compression et par les armatures | 42 à 50 daN/mm² | 0,5 à 0,8 daN/mm² | 4,5 daN/mm² |
spécialement destinée aux tuyaux en fonte ductile, décrite dans la norme américaine ANSI A 21.50/1976.
Les formules de base sont :
\[ Q = \frac{f}{3\,(D - e)^2} = K_x \frac{K_b \times \Delta x}{e} - \frac{8E}{e} + 0{,}732 \frac{E'}{e\left(\dfrac{D}{e} - 1\right)} \; (\text{daN/m}) \]
\[ Q = \frac{\Delta x}{12 + K_x \dfrac{K_b}{e} - \dfrac{8E}{e} + 0{,}732 \dfrac{E'}{e\left(\dfrac{D}{e_i} - 1\right)}} \; (\text{daN/m}) \]
dans lesquelles :
- Q : charge ovalisante par unité de longueur
- D : diamètre extérieur
- e : épaisseur minimale de calcul
- e = eₑ – 2 mm (marge de sécurité)
- eₑ : épaisseur minimale de fabrication (de l’ordre de 5 à 7 mm pour le tuyau intégral)
- eₑ = eₙ – tolérance de fabrication
- eₙ : épaisseur nominale de fabrication
- contrainte de flexion de sécurité (33,7 daN/mm²)
- ovalisation du tuyau ; le taux d’ovalisation Δₓ/D doit rester inférieur ou égal à 3 % pour préserver la bonne tenue du revêtement de ciment, valeur confirmée par la pratique
- E : module d’élasticité de la fonte ductile = 17 000 daN/mm²
- E' : module de réaction des terres ; dépend de la mise en œuvre du remblai et de son degré de compactage
- K_b : coefficient du moment de flexion
- K_x : coefficient d’ovalisation
Ces formules permettent de déterminer la charge Q et donc la hauteur de couverture pour différents types de pose, c’est-à-dire de valeurs d’arc d’appui et de stades de remblaiement et de compactage. À cet égard, le calcul effectué en choisissant, pour les paramètres E', K_b et K_x, les valeurs correspondantes à la pose recommandée dans le fascicule 70 donne, pour les hauteurs minimales et maximales de couverture, les résultats portés sur le tableau III pour le tuyau fonte intégral.
TABLEAU III
Hauteurs de couverture
| Diamètre nominal DN | Maximales sans charges roulantes (m) | Maximales avec charges roulantes (m) | Minimales avec charges roulantes (m) |
|---|---|---|---|
| 150 | 20,6 | 20,6 | 0,30 |
| 200 | 11,8 | 11,8 | 0,40 |
| 250 | 8,9 | 8,9 | 0,50 |
| 300 | 7,7 | 7,5 | 0,55 |
| 350 | 7,0 | 6,6 | 0,60 |
| 400 | 6,5 | 6,1 | 0,65 |
| 450 | 6,2 | 5,7 | 0,65 |
| 500 | 5,9 | 5,4 | 0,65 |
| 600 | 4,6 | 3,8 | 0,90 |
À première vue, on pourrait penser que l’avantage d’utiliser une canalisation qui admet une hauteur de couverture de plus de 11 m, par exemple pour un tuyau de DN 200 mm, est quasiment nul en assainissement gravitaire. En fait, ces valeurs illustrent tout l’intérêt de ce nouveau matériau vis-à-vis de la notion de coefficient de sécurité, qui peut être définie comme le rapport entre les charges qui s’exercent sur le tuyau dans une situation donnée et la charge rendant inutilisable la conduite, en particulier par défaut d’étanchéité.
La valeur du coefficient de sécurité qu’offre un matériau prend tout son sens dans le cas de mouvements de terrain ; en effet, il est fréquent que des conduites d’assainissement soient posées dans des terrains instables dans lesquels peuvent se produire des tassements différentiels ou des affouillements dus à des circulations d’eaux de nappe phréatique. Dans ce cas, les tuyaux subissent des efforts de flexion très importants et peuvent, s’ils ne présentent pas un coefficient de sécurité suffisant, travailler très rapidement au-delà de leur limite d’utilisation et donc subir des casses-cisaillements ou des ovalisations inadmissibles.
Prenons un exemple (voir schéma) :
poids des terres
affouillement
Soit un affouillement de 3 m de long sous un tuyau intégral DN 200 posé à 4,3 m de hauteur de couverture sous charges roulantes ; dans ce cas, les charges exercées sur ce tuyau sont de 2 285 daN/m et, si l’on considère que la limite élastique en flexion est la contrainte principale, le coefficient de sécurité défini par le rapport de la contrainte de flexion à la limite élastique est d’environ 3,5.
Bien que la résistance mécanique soit l’un des principaux attraits de la fonte ductile en assainissement, il
Il est bien évident que son utilisation est largement conditionnée par d'autres facteurs tels que la facilité de pose et le coût.
Domaine d’utilisation de la fonte en assainissement
Si la notion de sécurité a toujours été la motivation principale du choix de canalisation en fonte pour un réseau d'assainissement, on constate néanmoins une évolution sensible du domaine d'utilisation de ce matériau.
D’abord sur les chantiers difficiles...
Au départ, la fonte était réservée à des tronçons limités de réseau pour les chantiers où se posait un problème particulièrement délicat de réalisation du collecteur (pose en nappe, traversée de rivière, grande profondeur...). Dans ce cas, la solution Intégral constitue une alternative en particulier lorsque :
- — il est difficile, voire impossible (dans des conditions économiques acceptables) de mettre en œuvre le type de pose que requiert un matériau classique. Par exemple, la réalisation d'un arc d’appui correct ou d'un compactage poussé du tout-venant pour la tenue des reins des tuyaux flexibles n'est pas toujours évidente lorsque le collecteur est posé en nappe permanente ;
- — les contraintes du terrain (hauteur de couverture importante, sous-sol instable) nécessitent, lors de l'emploi d’un matériau classique, d’avoir recours à une pose sophistiquée et délicate (battage de pieux, dalle de répartition, berceaux, etc.).
Ces premiers chantiers réalisés dans des conditions particulièrement difficiles ont permis de vérifier que la notion de sécurité apportée par la fonte ne réside pas seulement dans un calcul de résistance mécanique, mais également dans l’amélioration des conditions de pose. En effet, le système de joints automatiques (analogues à ceux utilisés en distribution d’eau potable) qui équipe les tuyaux et raccords, ainsi que la gamme complète de pièces du système Intégral, permettent un montage « mécano » qui supprime tous aléas et improvisations sur chantier. Par rapport à une solution traditionnelle utilisée pour ce type de chantier l'intérêt de la fonte sur le plan économique est immédiat, dans la mesure où ce matériau permet de se dispenser d'une pose délicate, de diminuer le coût de certains postes (pompage) et d’améliorer les cadences de pose.
À cet égard, les bilans qui ont été dressés par les entreprises de pose de canalisations d’assainissement ont incité celles-ci à étendre le domaine d'utilisation de la fonte.
Maintenant sur les chantiers « sécurité »
Actuellement, les canalisations en fonte sont de plus en plus employées dans les chantiers où l’on a un besoin impératif de sécurité et de fiabilité de fonctionnement du réseau. La prise en compte de ces exigences ne se limite plus aux considérations immédiates lors de la pose, mais intègre maintenant davantage les notions d’amortissement et d’exploitation du réseau.
À l’analyse des différents chantiers réalisés, on constate que la fonte est employée principalement :
- — lorsqu’un objectif essentiel doit être atteint : protection d'un captage, traversée de nappe, fonctionnement correct d’une station d’épuration ;
- — lorsque le coût et la gêne occasionnés par une réparation éventuelle sont tels que l'on ne peut se permettre d’intervenir fréquemment pour restaurer l'étanchéité ou la structure de la canalisation (site urbain, voie à grande circulation, domaine privé, etc.) ;
- — enfin, partout où ce matériau permet une réalisation facile et plus sûre et donc réduit les risques « humains », dont les conséquences sont toujours délicates et coûteuses.
À titre d’exemple, il nous est apparu utile de décrire en annexe les caractéristiques techniques et économiques d'un chantier qui illustre un aspect du domaine d'utilisation et les multiples intérêts de la fonte assainissement gravitaire : c’est le cas d'un collecteur d’assainissement posé en zone de montage, décrit par le président du SIVOM du Mont-Revard.
UNE POLITIQUE DE L’INNOVATION
Elle est une des composantes essentielles de la sécurité en assainissement dans la mesure où, pour répondre aux nouveaux besoins qui découlent de l’évolution du rôle des réseaux, il est indispensable d’adapter les produits existants et d’en concevoir de nouveaux :
- — dans cette optique, et afin de résoudre les problèmes d’étanchéité, qui ne se limitent pas au collecteur principal, Pont-à-Mousson vient de concevoir une gamme complète de raccords et de pièces en fonte pour l'exécution des branchements sous domaine privé. Ainsi, il est maintenant possible de réaliser, du particulier à la station d’épuration, un réseau entièrement en fonte (tuyaux, boîtes de branchement, regards, voirie), et donc de bénéficier, en tout point du réseau, de la sécurité qu’offre ce matériau ;
- — en matière de produit nouveau, un exemple mérite d’être cité, dans la mesure où il illustre une coopération efficace entre Pont-à-Mousson et des prescripteurs : il s’agissait de résoudre le problème de l'étanchéité des regards de visite, ouvrages dont la fonction principale est de permettre l’exploitation et la visite des réseaux mais qui ne sont guère étanches, dans la mesure où ils n’ont pas été conçus pour cela. Les raisons majeures sont la fissuration de la paroi ou la rupture de la liaison tuyaux-regards, causées par des tassements différentiels ou par l'action des charges roulantes.
La solution fonte : le Té Sûreté, a pour principe original de désolidariser la canalisation du regard tout en assurant la continuité de la conduite dans la traversée de l'ouvrage. Cette pièce résout le problème précité, tout en facilitant l’exploitation et les essais d’étanchéité du réseau.
Pour mener cette politique d'innovation, Pont-à-Mousson dispose des moyens d’un centre de recherche (plus de 200 personnes) et de services techniques dont l'expérience acquise, en particulier dans la conception de systèmes de distribution d'eau potable, constitue un atout pour résoudre les problèmes qui restent à solutionner, et satisfaire les nouveaux besoins qui pourront apparaître, notamment en matière d’étanchéité, de sécurité, de régulation et de gestion...
Nota – La bibliographie pourra être fournie sur demande des lecteurs intéressés.
