L'invention est relative à un piézomètre multiple destiné à être introduit dans un trou de forage.

On rappelle que le terme "piézomètre" désigne un appareil ou un dispositif permettant de mesurer la charge hydraulique en un point du sol. La mise en place du piézomètre peut être réalisée soit par forage, ce qui est le cas pour les piézomètres visés, soit par battage pour d'autres types de piézomètres. Il arrive fréquemment que l'on veuille étudier le comportement de plusieurs niveaux aquifères superposés, et donc déterminer la pression de l'eau dans le sol, à diverses profondeurs, en n'utilisant qu'un seul forage. On met alors en oeuvre, dans ce forage, un piézomètre multiple. Un tel piézomètre est décrit, notam- ment, pages 11 à 13 de l'ouvrage "Les essais d'eau dans la reconnaissance des sols", par M. CASSAN - Editions EYROLLES, PARIS, 1980. Pratiquement, un tel piézomètre multiple nécessite l'emploi de plusieurs tubes de longueurs différentes, introduits dans un trou de forage d'un diamètre beaucoup plus grand que dans le cas d'un piézomètre simple ; il faut en outre réaliser, dans le trou de forage, des bouchons d'étanchéité pour séparer les extrémités des tubes du piézomètre. La réalisation et la manipulation de tels piézomètres multiples sont délicates et le nombre de points de mesure ne peut, en raison des difficultés pratiques de mise en oeuvre et des risques d' intercommunication, dépasser trois ou quatre par forage. On connaît, par ailleurs, des piézomètres continus tels que ceux décrits pages 30 et suivantes de l'ouvrage déjà cité; toutefois, de tels piézomètres ne permettent de réaliser, à un instant donné, qu'une mesure de pression à un niveau déterminé ; il faut ensuite déplacer ce piézomètre dans le trou de forage, pour effectuer une mesure à une profondeur différente. Il ne s'agit donc pas d'un piézomètre multiple. L'invention a donc pour but, surtout, de fournir un piézomètre multiple qui permet de déterminer,

simultanément, la pression de l'eau dans le sol, à différentes profondeurs (avec, à titre indicatif, cinq voire dix points de mesure), et qui ne présente plus, ou à un degré moindre, les inconvénients rappelés ci-dessus ; en particulier, l'invention a pour objet de fournir un piézomètre multiple qui soit d'une construction simple et robuste, et d'une mise en oeuvre rapide et sûre, en évitant au maximum des intercommunications entre les zones de mesure. Selon l'invention, un piézomètre multiple destiné à être introduit dans un trou de forage est caractérisé par le fait qu'il comprend, d'une part, des bagues de mesure rigides destinées à être placées à des distances prédéterminées suivant la direction axiale du trou, le diamètre extérieur de ces bagues de mesure étant inférieur au diamètre du trou de forage, et des moyens d'étanchéité gonflables liés aux bagues de mesure, propres à être appliqués contre la paroi du trou de forage et à déterminer, en combinaison avec les bagues, plusieurs zones annulaires de mesure au niveau desdi es bagues, ces zones de mesure étant limitées dans le sens radial extérieur par la paroi du trou de forage, ces zones étant en outre isolées du volume intérieur du trou et séparées les unes des autres, et, d'autre part, des moyens de mesure prévus pour mesurer la pression dans lesdites zones annulaires, ces moyens de mesure étant reliés à la surface par des canalisations ou analogues, et des moyens d'amenée d'un fluide sous pression reliés aux moyens d'étanchéité pour assurer le gonflage de ces derniers. Ce nouveau piézomètre multiple est conçu pour être fabriqué en usine, avec tests préalables en laboratoire avant l'installation in situ et n'est donc plus réalisé sur le terrain selon l'art antérieur. Sa conception et les matériaux utilisés sont, de ce fait, tout-à-fait différents. Les moyens d'étanchéité peuvent comprendre une membrane souple, notamment caoutchoutée, ou analogue,

s 'étendant suivant toute la longueur du piézomètre et les bagues de mesure sont montées autour de la membrane.

Le piézomètre peut comporter un tube équipé sur sa paroi extérieure, des moyens d'étanchéité gonflables qui entourent le tube, lesdites zones annulaires de mesure étant isolées du volume intérieur du tube, les susdites canalisa¬ tions traversant de manière étanche- la paroi extérieure du piézomètre et s 'étendant à l'intérieur jusqu'à l'extrémité de celui-ci destinée à se trouver en surface. Les moyens d'amenée du fluide sous pression peu¬ vent comprendre des ouvertures de passage prévues dans la paroi du tube et communiquant avec des chambres définies par les moyens d'étanchéité, le gonflage de ces moyens d'étanchéité pouvant être obtenu en envoyant dans le tube, du fluide (notamment air, gaz, eau...) sous pression, ou encore un coulis de scellement à prise ultérieure.

Les bagues de mesure sont avantageusement équipées d'un capteur de pression, ce capteur étant relié en surface par une canalisation telle qu'un conducteur électrique ou un conduit, traversant, de manière étanche, la membrane, et/ou la paroi du tube.

Des moyens de fixation ou de blocage sont prévus sur la surface extérieure de la membrane, comme par exemple, des bourrelets, notamment collés ou vulcanisés, de part et d'autre des bagues, suivant la direction axiale, pour assurer le maintien en position de ces bagues.

Lesdites bagues peuvent être entourées, extérieurement, d'une enveloppe filtre, par exemple en matière non tissée, anticontaminante, notamment en géotextile propre à laisser passer l'eau, tout en arrêtant les particules solides, notamment l'argile.

De préférence, la membrane extérieure gonflable entoure le tube.suivant toute sa longueur.

Le tube peut être équipé, à son extrémité destinée à être introduite la première dans le trou de forage, d'un sabot, l'autre extrémité du tube destinée à se trouver en

surface étant équipée d'un bouchon traversé, notamment, par les canalisations ou conduits de liaison des moyens de mesure, ainsi que par une canalisation d'amenée de fluide sous pression, pour le gonflage des moyens d'étanchéité, et, si nécessaire, un tube évent.

Le tube est avantageusement en une matière semi- rigide, notamment en matière plastique semi-rigide, et peut être enroulé.

Un tel piézomètre peut être implanté à demeure dans le sol, en vue de mesures fréquentes ou permanentes de pressions hydrauliques dans le sol ; pour une telle applica¬ tion, le gonflage des moyens d'étanchéité est avantageuse¬ ment assuré à l'aide d'un coulis de ciment ou d'une matière analogue faisant prise. L'invention consiste, mises à part les disposi¬ tions exposées ci-dessus, en certaines autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après, à propos d'un mode de réalisation particulier décrit avec référence aux dessins ci-annexés, mais qui n'est nullement limitatif. La figure 1, de ces dessins, est une coupe axiale d'un trou de forage équipé d'un piézomètre multiple selon 1'invention;

La figure 2 représente, à plus grande échelle, la zone de 1'extrémité du piézomètre destinée à se trouver en surface, et située, par exemple, à l'extrémité supérieure du trou de forage;

La figure 3 représente la zone de l'extrémité inférieure du piézomètre, située au fond du trou de forage;

La figure 4 représente, à plus grande échelle, et en coupe longitudinale, une partie du piézomètre au niveau d'une zone de mesure;

La figure 5, enfin, est un schéma illustrant une mise en oeuvre d'un piézomètre en galerie selon l'invention.

En se reportant aux dessins, et plus particulièrement à la figure 1 , on peut voir un piézomètre multiple 1 comprenant un tube 2 introduit dans un trou de

forage 3 qui traverse plusieurs couches géologiques N1 , N2, N3... Nn dont on souhaite étudier la charge ou pression hydraulique, ces couches étant séparées les unes des autres et de la surface du sol, par d'autres couches telles que C1 , C2... Sur la figure 1, l'axe du trou de forage 3 a été des¬ siné vertical descendant, mais il est clair que l'orientation de l'axe du trou de forage peut être différente, comme représenté d'ailleurs sur la figure 5.

Le tube 2 est équipé, sur sa paroi extérieure, de moyens d'étanchéité gonflables E entourant le tube, propres à être appliqués contre la paroi du trou de forage et à déterminer plusieurs zones annulaires de mesure m1 , m.2, m.3... mn réparties suivant la longueur du tube, de manière à se trouver au niveau des couches N1 , N2... que l'on veut étudier.

Les zones de mesure m1 , m.2... mn sont limitées dans le sens radial extérieur par la paroi 4 du trou de forage; ces zones de mesure sont en outre isolées du volume intérieur 5 (voir plus particulièrement figure 4) du tube et sont séparées les unes des autres.

Les moyens d'étanchéité E comprennent avantageuse¬ ment une membrane souple 6, caoutchoutée (ou une membrane équivalente) entourant le' tube, de préférence sur toute sa longueur, à la manière d'un manchon. La membrane 6 est maint _* enue, à ses deux extrémités longitudinales, respective- ment 7 et 8 (figure 1) sur le tube 2 de manière étanche. Lesdites extrémités 7, 8 peuvent être, par exemple, collées sur le tube ou serrées sur ce dernier par des colliers ou bagues appropriés. Des bagues de mesure b1 , b2... sont montées autour de la membrane 6 et disposées, suivant l'axe du tube 2, à des distances prédéterminées correspondant aux zones de mesure m1 , m2... mn. Les bagues de mesure peuvent être enfilées autour de la membrane 6, à l'état non gonflé, et amenées à leurs emplacements par coulissement, suivant la direction de l'axe du tube.

Les bagues de mesure b1 , b2... peuvent être maintenues en place par des bourrelets 9, 10 (figure 4) entourant la membrane 6 et fixés sur cette dernière, notam¬ ment par collage ou vulcanisation. ^' Ces bourrelets sont prévus à chaque extrémité axiale des bagues. Selon une autre possibilité, les bagues b1 , b2... pourraient être fixées directement sur la membrane par collage ou autre liaison.

Ces bagues b1 , b2... sont, de préférence, métalliques et peuvent comporter, dans leur paroi, des trous (figure 4) tels que 11 traversant totalement cette paroi. La longueur axiale h (figure 4) des bagues est faible par rap¬ port à la distance L séparant deux bagues. On peut indiquer que le rapport h/L est de préférence inférieur à 1/5 voire 1/10. Généralement, la longueur axiale h est de l'ordre de 30 à 50 centimètres.

Chaque bague de mesure b1 , b2... est munie d'un capteur de pression 12, de préférence logé dans une cavité 13, de la paroi de la bague, sensiblement à mi-longueur de cette bague. Le capteur 12 peut être un capteur pneuma- tique, hydraulique ou électrique.

Chaque capteur tel que 12 est relié, à la surface du sol, par une canalisation 14, notamment un conducteur ou un conduit, propre à chaque capteur, comme visible sur la figure 1, de manière à pouvoir transmettre, par cette canal- isation ou ce conduit, les informations recueillies par le capteur. La canalisation ou conduit 14 traverse, de manière étanche, la membrane 6. Les moyens permettant de réaliser la traversée étanche de la canalisation 14 peuvent être constitués par des joints d'étanchéité non représentés sur le dessin.

Il convient de noter que, de préférence, un jeu annulaire 15 de dimension radiale réduite subsiste entre la surface extérieure du tube 2 et la surface intérieure de la membrane 6, suivant toute 1' étendue axiale de chacune des bagues; ce jeu annulaire permet d'établir une communication entre les deux chambres 16, 17 situées axialement de part et

d'autre de la bague et comprises entre la membrane 6 et la paroi extérieure du tube 2. Une telle communication permet¬ trait d'assurer le gonflage de toute la membrane 6, à partir d'une seule arrivée du fluide sous pression dans l'une des chambres ; dans ce cas, un tube 2 dont la paroi cylindrique serait fermée, et dépourvue d'ouvertures, pourrait être utilisé. Les jeux annulaires tels que 15 peuvent donc être considérés comme appartenant aux moyens d'amenée d'un fluide sous pression dans lesdites chambres. Toutefois, pour faciliter le gonflage de ces chambres, notamment lorsque le fluide sous pression utilisé est un liquide ou un coulis de ciment, on prévoit des ouvertures de passage 18 (figure 4) traversant totalement la paroi du tube 2 et faisant communi¬ quer 1'intérieur de ce tube avec 1 'extérieur et notamment les chambres telles que 16 et 17. Ces ouvertures 18 sont réparties régulièrement sur toute la longueur du tube, la distance entre deux ouvertures 18 étant notablement inférieure à la longueur L d'une chambre. Dans l'exemple de réalisation de la figure 4, la distance entre deux ouver- tures 18 successives est sensiblement égale à la moitié de la longueur h d'une bague de mesure. Le diamètre des ouver¬ tures 18 est choisi de telle sorte qu'il permette un écoule¬ ment suffisamment rapide du fluide sous pression utilisé pour le gonflage des moyens d'étanchéité. Les bagues b1, b2... sont avantageusement entourées, extérieurement, d'une enveloppe 19 en matière non tissée anticontaminante, notamment en géotextile, propre à laisser passer l'eau, telle un filtre, tout en arrêtant les particules solides, notamment d'argile. II est clair que la distance L entre bagues suc¬ cessives n'est généralement pas constante, le long du tube 2; en effet, les écartements entre les bagues successives sont choisis par l'utilisateur de manière que les bagues de mesure se trouvent au niveau des couches que l'on souhaite étudier, comme expliqué précédemment.

Le tube 2 est équipé, à son extrémité destinée à

être introduite la première dans le trou de forage, d'un sabot 20 en forme de cône, dont la paroi peut comporter une valve ou soupape 20a commandée, notamment pour l'ouverture, depuis la surface, à l'aide de moyens de commande (non représentés) tels qu'un mécanisme à câble ou analogues. La zone de mesure la plus profonde ji est située au niveau de ce sabot 20, entre le fond du trou de forage et la région de la membrane 6 voisine de son extrémité in érieure 7. L'extrémité conique du sabot de forage 20 peut se prolonger par une partie cylindrique 21 comportant, à sa périphérie, une gorge 22, correspondant à une zone de diamètre plus fai¬ ble de la surface extérieure, dans laquelle est logé le cap¬ teur de pression 12 correspondant à cette zone de mesure. Ce capteur est situé à 1'extérieur de la paroi du sabot et la canalisation 14, reliant le capteur à la surface, traverse de manière étanche ladite paroi. Une bague de protection en matière poreuse 23 peut être placée dans la gorge 22, de manière à entourer le capteur 12 et à le protéger. La partie cylindrique 21 du sabot est raccordée de manière étanche à l'extrémité inférieure de la membrane 6.

L'extrémité en surface du tube 2 est équipée d'un bouchon 24 (figure 2) traversé, notamment, par les canalisations ou conduits 14 de liaison, ainsi que par une canalisation. 25 d'amenée de fluide sous pression, notamment d'air comprimé, eau ou coulis de serrage.

Le tube 2 est avantageusement en matière plastique semi-rigide, de manière à pouvoir être enroulé, par exemple sur un enrouleur 26 (figure 5). Le diamètre d'enroulement peut être de l'ordre de 1 mètre. Le nombre des zones ou points de mesure ml, ...mn est notamment supérieur à 5 et peut atteindre, voire dépasser, 10 points de mesure par forage. La chaîne de mesures correspondant au piézomètre de 1'invention peut être entièrement préfabriquée en atelier à la demande. Ceci étant, la mise en oeuvre et l'utilisation d'un piézomètre conforme à l'invention sont les suivantes.

On réalise, tout d'abord, le trou de forage 3 dans le sol. On lave ce trou de forage, puis on le vide par pom¬ page.

On introduit ensuite dans le trou de forage 3 le piézomètre 1 préfabriqué en atelier et comportant autant de bagues de mesure b1 , b2... que souhaitées. La figure 5 illustre, schématiquement, l'enfoncement du piézomètre 1 dans un trou de forage 3 incliné par rapport à la verticale, par déroulement de ce piézomètre et du tube 2, à partir de l'enrouleur 26.

Au cours de 1'enfoncement du piézomètre dans un trou de forage 3 descendant, en cas d'une présence abondante d'eau souterraine percolant vers ce trou (de l'eau peut, en effet, s'être écoulée dans le trou de forage depuis le moment où ce trou a été vidé), on peut laisser pénétrer l'eau dans le tube 2 et/ou effectuer un pompage à l'intérieur de ce tube 2, l'eau pénétrant par les ouvertures et la valve du sabot 20.

Lorsque le sabot 20 bute dans le fond du trou de forage 3, on procède au gonflage des moyens d'étanchéité obturateurs formés par la membrane 6 en envoyant, par exem¬ ple, de l'air comprimé par la canalisation 25 (figure 2). L'air comprimé va s'écouler dans le tube 2 et passer par les trous 18 pour gonfler la membrane 6 entre les diverses bagues de mesure b1 , b2... (bien entendu, lors de l'introduction dans le trou 3, la membrane 6 n'est pas gonflée) .

Le gonflage peut être obtenu à l'aide d'un autre gaz comprimé que l'air ou d'un liquide sous pression, si l'on souhaite démonter le piézomètre.

Le gonflage peut être réalisé à l'aide d'un coulis sous pression faisant prise, notamment un coulis de ciment, si le piézomètre est destiné à rester en place définitivement, pour permettre d'étudier en permanence la distribution des pressions de l'eau dans le sol, par exemple au voisinage d'un ouvrage hydraulique, notamment d'un

barrage, d'une pente ou d'une côte ou dans tout milieu aquifère.

Le gonflage des chambres telles que 16, 17 situées entre les bagues de mesure b1 , b2... est réalisé sous une pression nettement supérieure aux pressions hydrauliques à mesurer, de telle sorte que la membrane 6 soit appliquée fermement et de manière étanche contre la paroi du trou de forage 3. Les zones de mesure se trouvent ainsi isolées et indépendantes les unes des autres. La pression de gonflage peut dépasser 0,3 MPa et même 1 MPa et ce en restant toujours plus élevées que les pressions hydrauliques à mesurer.

Le fluide du terrain se met alors en place contre les capteurs 12 et les mesures peuvent alors être réalisées à l'aide d'un appareillage de lecture ou d'enregistrement en tête de forage.

Selon l'invention, pour équiper des forages des¬ cendants plein d'eau, on peut distinguer deux types de piézomètres : - un premier type simple de piézomètre est celui destiné à être installé à demeure dans un forage,- dans ce cas, la poussée d'Archimède exercée par l'eau du trou • de forage sur le piézomètre, lors de son introduction, est compensée par un remplissage partiel de coulis de scelle- ment; ce remplissage est insuffisant pour appliquer les moy¬ ens d'étanchéité E contre la paroi 4 et ne gêne donc pas l'introduction. Le sabot 20 d'un tel piézomètre ne compor¬ tera pas de valve 20a. Lorsque le piézomètre est en place, on complète le remplissage en coulis de scellement, sous pression, pour appliquer la membrane 6 de manière étanche contre la paroi 4. La prise du coulis a lieu ensuite.

- un second type de piézomètre est celui destiné à être récupéré et sorti du trou de forage après une campagne de mesures. Pour ce second type, le sabot 20 est équipé d'une valve 20a. qui est fermée lors de l'introduction du piézomètre dans le trou de forage plein d'eau. Pour

introduire le piézomètre dans le trou, on compense l poussée d'Archimède en remplissant d'eau, depuis la surface, l'intérieur du tube 2. Quand le piézomètre est en place, o gonfle la membrane 6 par une surpression de gaz ou d'eau l'intérieur du tube 2; on effectue les mesures. Puis, pour retirer le piézomètre, on dégonfle la membrane et on com¬ mande, depuis la surface (par des moyens non représentés tels qu'un mécanisme de traction à câble), l'ouverture de la valve 20a,. Lors de l'extraction du piézomètre, l'eau conte- nue dans le tube 2 pourra s'échapper vers le trou de forage, ce qui évite, au cours de la remontée du piézomètre, une surpression à l'intérieur du tube 2 et de la membrane 6 et tout risque de blocage et de détérioration de la membrane 6 contre la paroi 4 du forage. Le premier type simple de piézomètre (sans valve

20a.), évoqué cisavant, permet en général, à lui seul, d'équiper les forages ascendants même en présence de venues d'eau. L'eau de percolation peut en effet s'évacuer du forage par gravité. II est à noter que, selon la représentation des figures 1 et 2, la tête du forage est située en haut, au niveau du sol. Dans le cas d'un forage en galerie, cette situation pourrait être inversée et la tête de forage se trouverait au niveau de la paroi de la galerie et éven- tuellement, à un niveau inférieur à celui du fond du trou de forage. Autrement dit, le terme "surface" utilisé dans des expressions telles que "reliés à la surface" ou "se trouver en surface" doit être compris comme désignant la paroi ou surface où se trouve la tête du trou de forage. Cette sur- face peut être la surface du sol, ou bien la surface d'une voûte de galerie, ou bien la surface de parois d'une excava¬ tion, etCa a a

On peut disposer de systèmes de mesure automa¬ tiques (mesures séquentielles ou continues) avec enregistre- ment. L'ensemble peut ainsi être interprété à l'aide d'un système automatique de traitement des données.

On voit que le piézomètre multiple conforme à l'invention est d'une utilisation simple et rapide. Il per¬ met d'effectuer des mesures en de nombreux points d'un trou de forage. Dans le cas où les capteurs de pressions 12 sont des capteurs hydrauliques ou pneumatiques, les références 14 désignent des conduits dans lesquels l'eau peut circuler.

Dans le cas où les capteurs de pression 12 sont électriques (notamment capteurs à quartz piézo ou à cordes vibrantes ou similaires...), les références 14 désignent des canalisations ou conducteurs électriques.

Il est clair que le tube 2 peut être supprimé, les bagues b1...bn, le sabot 20. et la tête étant fixés sur la membrane 6, qui dans le cas d'un forage descendant, descen- drait par gravité. Cette membrane 6 pourrait, le cas échéant, être semi-rigide tout en étant gonflable, ceci pour faciliter l'introduction du piézomètre dans les forages inclinés ou ascendants.

La membrane 6 pourrait être multicouche et les canalisations 14, conducteurs électriques ou conduits, pour¬ raient être noyées dans cette membrane.

Il est à noter que les bagues b1...bn pourraient être formées de deux parties cylindriques fixées l'une à l'autre de manière étanche, mais démontables. Un tronçon de membrane, entre deux bagues, serait alors équipé, à chaque extrémité, d'une partie (en forme de manchon cylindrique) de bague; chaque partie de bague serait raccordée, notamment par vissage, ou au moyen de rampes de serrage, à une partie de bague complémentaire portée par le tronçon de membrane voisin. Le piézomètre formerait alors une sorte de tuyau "type pompier" fermé à une extrémité par le sabot 20.

On peut noter enfin qu'en cas de gonflage par coulis ou liquide, on peut prévoir, en plus du tube 25, un second tube (non représenté) allant jusqu'au fond du piézomètre et servant de tube évent pour permettre aux gaz emprisonnés dans le fond de s'échapper à l'atmosphère. Ce

sera le cas notamment pour les piézomètres placés en remon tant (par exemple à partir d'une galerie). Le tube 25 ser¬ vira de tube d'injection et le second tube de tube évent, ou vice versa selon les cas.