Étude de l’effet de la matière organique sur les propriétés hydrogéologiques des matériaux naturels (sable et silt)

Djomo Bouyem, Adrien Cabrel (2025). Étude de l’effet de la matière organique sur les propriétés hydrogéologiques des matériaux naturels (sable et silt). (Mémoire de maîtrise). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Depositum. https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1648

Prévisualisation

PDF Télécharger (24MB) | Prévisualisation

Résumé

RÉSUMÉ
Chaque année, les exploitations minières produisent d’importantes quantités de rejets miniers sous forme de roches stériles et de résidus miniers. Généralement entreposés en surface dans des parcs à résidus, les résidus miniers peuvent présenter avoir des instabilités du point de vue géotechniques et chimiques. Ainsi, dans certaines conditions, ces résidus peuvent contenir des minéraux sulfurés qui pourront s’oxyder lors de leur exposition à l’oxygène atmosphérique et à l’eau des précipitations générant ainsi du drainage minier acide (DMA). Ce dernier peut contaminer les eaux de surface et souterraine engendrant ainsi un impact sur l’environnement. Différentes techniques de restauration peuvent être utilisées pour limiter la production du DMA. Il s’agit notamment de couverture avec effet de barrière capillaire (CEBC) et du recouvrement monocouche combinée à une nappe phréatique surélevée (NPS). La performance de la couverture est principalement évaluée à l’aide de teneurs en eau volumiques et de succions. Les teneurs en eau volumiques peuvent être affectées par la minéralisation du sol, la température et les teneurs en matière organique (MO); de ce fait la performance du recouvrement ne peut être évaluée de manière adéquate.

Cette présente étude s’est donnée pour but d’évaluer l’effet de la teneur en MO sur les propriétés hydriques des sols, tel que leur courbe de rétention d’eau (CRE) et leur conductivité hydraulique saturée (ksat). De même que vise à évaluer l’impact de l’ajout de MO sur la performance de certaines techniques de restauration. Pour ce faire, des essais au laboratoire ont été réalisés dans un premier temps sur des matériaux sableux et silteux amendés avec de la tourbe à différentes concentrations (0 %, 1 %, 3 %, 5 %, 7,5 %, 10 %, 12,5 % et 15 %), afin de mesurer les courbes de rétention d’eau et les conductivités hydrauliques saturées (1ère Étape). Puis dans un deuxième temps, une équation prédictive de la CRE a été proposée (2ème étape). Enfin, dans un troisième temps, des simulations numériques ont été réalisées afin d’évaluer également le comportement des matériaux amendés dans différents scénarios en contexte de CEBC (3ème étape).

Les résultats des essais hydrogéologiques réalisés sur les différents mélanges montrent que plus la proportion de tourbe est grande, plus la conductivité hydraulique saturée des mélanges du sable devient faible (10-4 à 10-5 m/s). En revanche, dans le cas des mélanges du silt, une augmentation de la teneur en tourbe engendre une légère augmentation de la ksat jusqu’au mélange à 5 % de tourbe et une faible diminution de la ksat à partir de 7,5 % tourbe.

Les résultats des mesures de la CRE des mélanges du sable font état d’une grande capacité de rétention d’eau pour le mélange à 7,5 % de tourbe et aucun changement pour les autres mélanges. Concernant les mélanges du silt, on note une augmentation de la capacité de rétention d’eau à 3 %, 12,5 % et 15 %. Et presque aucune variation de la pression d’entrée de l’air (AEV – pression à partir de laquelle les matériaux commencent à se désaturer) n’est observée pour les autres proportions de tourbes.

Au regard des résultats obtenus, on peut conclure que la présence de la tourbe diminue la ksat du sable, en plus, on a observé des modifications au niveau des capacités de rétention des matériaux amendés. Pour les mélanges du sable à 7,5 % de tourbe, on a obtenu la plus grande capacité de rétention d’eau. Cependant, pour les mélanges du silt, la plus grande capacité de rétention a été acquise à 3 %, suivit de celle à 15 et à 12,5 % de tourbe. Ces résultats, qui témoignent d’une modification considérable des propriétés hydrogéologiques du sable et du silt, démontrent à certaines mesures que la tourbe contrôle le comportement non saturé à certaines teneurs.

Les résultats de prédiction de la CRE obtenue pour quatorze (14) mélanges, avec sept (7) du sable et sept (7) du silt, disponibles à partir des tests au laboratoire révèlent une excellente correlation entre les courbes de rétention d’eau prédites et celles expérimentales. Les coefficients de détermination (R2) des équations de régression développées et utilisées dans le modèle de Fredlund & Xing (1994), pour prédire la CRE du sable et du silt amendé avec la tourbe, varient de 0,977 à 0,998. Les erreurs introduites par le modèle de prédiction sont du même ordre de grandeur que les erreurs expérimentales.

Les résultats de la simulation numérique montrent que la présence de la tourbe a considérablement affecté les performances de la CEBC, et plus particulièrement celles de la couche de rétention d’humidité (CRH), qui reste saturée à long terme sans aucun apport d’eau et ce fait favorise le maintien de la saturation de la couche de rétention d’humidité. Cela est dû à la grande conductivité hydraulique non saturée de ce sable, qui se draine plus rapidement que le silt et atténue l’effet de la succion à la base du modèle, créé en raison de la position basse de la nappe (5 m sous les résidus).

ABSTRACT
Each year, mining operations yield considerable quantities of mine waste in the form of waste rock and mine tailings. Typically stored on the surface in waste rock piles or tailings impoundments, respectively. However, they can cause geotechnical, chemical and geochemical disturbances, and can even be sources of contaminants in the surface and groundwater, posing risks to the environment. In certain conditions, these tailings may contain sulphide minerals that can oxidize when exposed to atmospheric oxygen and precipitation water, resulting in acid mine drainage (AMD). Various reclamation techniques can be used to limit the production of AMD. These include capillary barrier covers and single layer covers combined with water table elevation. The performance of the cover is mainly assessed based on volumetric water content and suction. Volumetric water content can be affected by soil mineralization, temperature and organic matter content (OMC), and therefore cover performance cannot be adequately assessed.

The aim of this study was to evaluate the effect of organic matter content (OMC) on the water retention curve (WRC) and saturated hydraulic conductivity (ksat) of natural and recycled materials and, consequently, on the performance of certain reclamation techniques (CEBC and NPS). To this end, laboratory tests were first carried out on sandy and silty materials amended with peat at various concentrations (0%, 1%, 3%, 5%, 7.5%, 10%, 12.5% and 15%) to establish water retention curves and saturated hydraulic conductivity (step 1). Then, in a second step, a prediction equation for the WRC was proposed (step 2). Finally, in a third step, numerical simulations were carried out to assess the behaviour of the modified materials in different scenarios in a CEBC context (step 3).

The results of the hydrogeological tests carried out on the different mixtures show that the higher the peat content, the lower the saturated hydraulic conductivity of the sand mixtures (10⁻⁴ to 10⁻⁵ m/s). Conversely, for the silt mixtures, increasing the peat content results in a slight increase in ksat up to the 5% peat mixture and a slight decrease in ksat from 7.5% to 15% peat mixture.

The results of the water-holding capacity measurements of the sand mixtures show a high-water holding capacity for the mixtures with 7.5% peat and no change for the other mixtures. For the silt mixes, there was an increase in water-holding capacity at 3%, 12.5% and 15%. And almost no variation in AEV was observed for the other peat proportions.

The results of the WRC prediction equation obtained from laboratory tests for fourteen (14) mixtures, seven (7) of sand and seven (7) of silt, show excellent agreement between the predicted

and experimental water retention curves. The regression equations developed and used in the Fredlund & Xing (1994) model to predict the WRC of sand and silt amended with peat had coefficients of determination (R2) ranging from 0.977 to 0.998. The errors introduced by the prediction model are of the same order of magnitude as the experimental errors.

From the results obtained, we can say that the presence of peat reduces the ksat of the sand. There were also changes in the retention capacity. The sand mixtures with 7.5% peat had the highest water retention capacity. However, for the silt mixtures, the highest retention capacity was obtained with 3% peat, followed by 15 and 12.5% peat. These results, which show a significant change in the hydrogeological properties of sand and silt, demonstrate that peat at certain concentrations controls unsaturated behaviour.

The results of the numerical simulation show that the presence of peat has significantly affected the performance of the CEBC, and more specifically that of the moisture retention layer (MRL), which remains saturated in the long term without any water input and will favour the saturation of the underlying tailings. This is due to the high unsaturated hydraulic conductivity of this sand, which drains more quickly than silt and mitigates the suction effect at the base of the model, created by the position of the water table at 5 m below the tailings.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Mémoire de maîtrise)
Directeur ou directrice de recherche:	Maqsoud, Abdelkabir
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Belem, Tikou
Mots-clés libres:	Courbe de retention d'eau, conductivité hydraulique saturée, matière organique, succion, couche de rétention d’humidité, pression d’entrée de l’air
Divisions:	Génie > Maîtrise en génie minéral
Date de dépôt:	13 mars 2025 19:41
Dernière modification:	13 mars 2025 19:41
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1648

Gestion Actions (Identification requise)

Dernière vérification avant le dépôt