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Dimensionnement des pompes de puits d'eau des quartiers residentiels de Kolwezi( Télécharger le fichier original )par Junior Tshikmas Institut superieur technique et commercial - geologie et mines 2016 |
II.4.2. Les eaux souterrainesLes eaux dans le sol et le sous-sol sont appelées généralement eaux souterraines. Elles proviennent des eaux météoriques qui s'infiltrent et qui peuvent former des nappes phréatiques ou, si la structure géologique le permet, atteindre la profondeur plus importante. Elles peuvent se constituer en nappe libre ou en nappe en charge. Elles peuvent aussi provenir des eaux connées qui sont des eaux situées à des très grandes profondeurs de la croûte terrestre (1 à 2 Km). Souvent ces eaux sont Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
21 salées et existent depuis les formations des roches. Les eaux souterraines peuvent aussi provenir des eaux juvéniles qui sont directement libérées dans le processus magmatique en profondeur. Elles emprisonnent souvent le gaz carbonique [cours de géologie de l'ingénieur, P 66, 2016]. II.4.2.1. Aquifère et nappe d'eau souterraine Un aquifère est une couche de terrain ou une roche suffisamment poreuse (qui peut stocker de l'eau) et préalable (où l'eau circule librement), pour contenir une nappe d'eau souterraine. Une nappe d'eau souterraine est donc un réservoir naturel pouvant être extraite (les sources, puits, sondages). II.4.2.1.1. Types d'aquifères On distingue trois types d'aquifères à savoir :
Dans ce type d'aquifère, la circulation des eaux se fait au travers les fissures c'est-à-dire les diaclases, les juins de stratification et les failles. Il faut noter que pour que ces fissures puissent être utiles, il faudra qu'elles soient ouvertes. Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017 3. Aquifère karstique
22 Sont des systèmes complexes particuliers associant une zone superficielle plus ou moins fissurées et insaturées (en eaux) servant des zones d'infiltrations, et une zone inferieure fissurées, présentant également des conduites des grottes etc. II.4.2.1.2.Type des nappes
Ou aquifère a nappe captive, emprisonnée entre deux formations imperméables, l'eau est sous pression hydrostatique, et cette pression est équilibrée par la pression des pores. Lorsqu'un sondage perce le toit de l'aquifère, il se produit une chute de pression dans l'aquifère qui expulse l'eau en remontant du trou de sondage, on parle alors de nappe aquifère jaillissante. Ce phénomène d'artésianisme est fréquent lorsque le niveau piézométrique se situe au-dessus de la surface du sol et surtout dans les formations synclinales.
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23 Figure II-1 : recharge des aquifères II.4.2.2. Types des nappes à Kolwezi Comme définit ci-haut, l'hydrogéologie de la ville de Kolwezi est fonction de la géologie locale. On distingue deux grandes unités à savoir la série des mines et le plateau de la MANIKA. On retrouve les grands et profonds aquifères dans la série des mines selon que la géostructure et la stratigraphie le permet on peut rencontrer des nappes captives et des nappes libres. Toute la ville de Kolwezi est quadrillée de l'Est à l'ouest et du Nord au Sud par les différentes écailles de la série des mines dont seules les RGS et les RAT sont peu perméables pour ne pas dire imperméable. Les autres formations du Roan sont toutes très perméables et constitue de la sortes des aquifères capables selon que leurs différentes profondeurs le permet. En dehors des nappes rencontrées dans le Roan, Kolwezi seul a eu le grand privilège de se trouver aux pieds du plateau de la MANIKA dont les formations sablonneuses constituent un véritable réservoir d'eau. A la différence avec les aquifères de la série des mines qui peuvent atteindre de centaine des mètres de profondeur, la grande nappe du plateau de la MANIKA ne peut dépasser 100m de profondeur du moins dans toutes les zones ou les captages ont été faits. Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
24 II.4.3. Paramètres hydrogéologiques Le débit souterrain régi par la loi de DARCY (1856), est fonction de la perméabilité ou de la transmissivité, ces caractéristiques peuvent être déterminées au laboratoire ou sur le terrain. A cela nous pouvons ajouter d'autres paramètres tels que le gradient hydraulique, la porosité, le coefficient d'emmagasinement, qui permettent la détermination du volume d'eau que les aquifères peuvent libérer ou le débit permettant un rabattement déterminer. 1. Porosité « ? » C'est le rapport entre le volume des vides et le volume total de la roche. C'est une caractéristique à connaitre car la teneur en eau ne dépend de la composition de l'aquifère et donc directement de la porosité. ???? ? = ???? . ??????; [%] Avec : - Vv : volume de vide - Vt : volume de l'échantillon Il est plus intéressant d'utiliser la porosité efficace « ?e » qui détermine le volume d'eau extractible de la formation aquifère. Elle se traduit par la relation suivante : ???? ???= ???? ?? ??????; [%] Où : - ?e : porosité efficace ; [%] - Ve : volume de vide efficace ou volume d'eau extractible - Vt : volume de l'échantillon Ces paramètres exprimés en pourcentage permettent de calculer le volume d'eau extractible de l'aquifère, le volume de l'aquifère étant connu. Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017 Tableau II-2 : valeurs des porosités dans les formations géologiques
2. Perméabilité « k » La perméabilité est l'aptitude d'un matériel de se laisser traverser par un fluide sous l'effet d'un gradient hydraulique. Elle traduit le volume d'eau s'écoulant pendant l'unité de temps à travers l'unité de section de l'aquifère, sous un gradient hydraulique égal à 1 et à la température de 20°C. Elle est fonction du diamètre des grains (selon l'expressionK = 100 . ??102) et de la porosité. DARCY a déduit expérimentalement, en connaissant la section d'écoulement A, le gradient hydraulique"??", et le dedit "Q" la perméabilité de la manière suivante. Q=??.??=>??= ?? ?? ; Sachant que : ?? = ??h ???? = ??1-??2 ???? et K = V?? Q K = ??.?? Avec : - Q: debit [m3/??] ;
25 - ??: section de l'écoulement [m2] ; - ??: gradient hydraulique. Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017 Le tableau suivant donne d'après G. CASTANY (1967), les valeurs approximatives de la perméabilité des différents terrains ainsi que leurs qualifications. Tableau II-3 : valeurs approximatives de K suivant le type de terrain
3. coefficient d'emmagasinement « S » C'est le rapport entre le volume d'eau libéré et stocker par unité de surface, et la différence de la charge hydraulique dh se mesure par un essai de pompage (sert à documenter le comportement hydraulique des aquifères). Il peut être déterminé sur terrain par des essais de pompage dans les puits. ???
- ?v : volume d'eau libère pour un abaissement ?H de la surface piézométrique. Tableau II-4 : variation de S suivant le type de nappe (CASTINY, 1967) matériaux S Gravier Sable grossier 20-30% 25-30%
26 Sable moyen Sable fin Sable très fin Sol argileux 20-30% 15-20% 10-15% Moins de quelques % Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017 4. la transmissivité
27 C'est la capacité d'un aquifère à donner de l'eau. Elle est également fonction de son épaisseur « H » (nappe libre) ou « e » (nappe captive). Elle est déterminée par le produit : T = K. H ; Ou encore T = K. e ; [m2/s] Avec : - K : coefficient de perméabilité [m/s] ; - H : épaisseur de la nappe libre [m] ; - e : épaisseur de la nappe captive [m] La transmissivité permet de calculer rapidement le débit Q traversant une section transversale d'une nappe de puissance « e » et de longueur « L » sous un gradient « H ». Q = T. L grad H II.4.4. nature des terrains géologiques traversés Il convient d'apprécier la stabilité des formations concernées (roches meubles, roches dures), elle présente des discontinuités (fractures, cavités). Pour des terrains alluvionnaires peu stables, on choisira une technique de forage à l'air avec tubage à l'avancement [DETAY 1993]. Dans des cas particuliers, on pourra utiliser le forage rotary à boue (moins recommandée). Pour des terrains consolidés, on choisira un forage à l'air avec possibilité de tuber s'il existe des cavités par exemple. II.4.4. Profondeur finale de l'ouvrage 1. Model d'un ouvrage de captage Cet ouvrage est situé dans le site de MUTOSHI. Le site de captage de MUTOSHI se trouve sur le lambeau de Kolwezi représenté par les formations géologiques anciennes du katanguien de la série du Roan. Les Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017 formations sont principalement siliceuses et carbonatées. Il revient de signaler que ce site vu son potentiel hydrogéologique, constitue le deuxième site de captage après celui de NYOKA. Les anciens sondages Ruwe sur cette écaille mettent en évidence des formations géologiques aquifères constituant de la sorte un grand réservoir d'eau sur le versant d'un synclinal dont les couches ont une pendaison du Nord vers le sud. Voici comment se présentent le log géologique :
Le suivi de forage et la description des boues de forage nous amène à établir le log géologique réel du terrain transverse lequel a décrire la répartition des tubages entre les crépines et les aveuglés [commission eau potable ville de Kolwezi, 2010]. Ci-dessous le log géologique et le log de forage. Tableau II-5 : log géologique et de forage
3 - 106m 106 - 138m 138 - 150m SD2a RSC RSF 150 - 180m 180 - 201m D'STRAT RAT
28 Dans les parois périphérique du puits, des barbacanes sont ouverts, de la traverse de la zone noyée jusqu'au substratum imperméable afin de solliciter toute l'épaisseur de la nappe et d'améliorer la productivité de l'ouvrage. On prend soin de Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
29 disposer un massif de gravier jouant le rôle de filtre à sable en périphérie de la zone de captage contre les entrées d'eau superficielles par une cimentation annulaire. Lorsque la puissance (capacité) de la zone perméable est limitée, il est fréquent que le puits soit foncé avec un cuvelage étanche jusqu'au terrain imperméable, puisque des drains horizontaux rayonnants soient forés dans la tranche la plus productive. Chaque drain est obturé par une vanne ce qui facilite l'épuisement de l'ouvrage durant l'exécution des travaux.
30 Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
Figure II-2 : log géologique final du puits P36 Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
31 Tubage et gravier
- Casings : - Tubage acier lisse 18» : de 0 à 81m - Tubage acier nold 16» : de 81m à 181m - Tubage acier lisse 16» : de 181m à 201m - Gravier - Diamètre : de 0 à 70m - Diamètre : 2/10 de 70m à 201mm II.4.4. Captage des eaux Les captages d'eau ont pour fonction de permettre un approvisionnement en eau de meilleure qualité (et quantité selon le cas) possible des eaux s'écoulant dans le sous-sol, tout en limitant le plus les risques de pollution provenant essentiellement des cours d'eau superficiels et des eaux de ruissellement de la surface. Les principaux type de captage se distinguent du fait qu'il s'agit des captages réalisés à l'émergence et ceux qui sont exécutés en pleine nappe. 1. Captage à l'émergence Les sources et les eaux souterraines sont traditionnellement les ressources en eau privilégiées pour l'eau potable, car elles se retrouvent plus à l'abri des pollutions que les eaux de surface. Il n'existe pas de modèle standard de captage des sources. Car chaque source possède ses caractéristiques propres à elle. Néanmoins, le captage d'une source doit comporter les aménagements suivants : ? Une chambre de captage permettant de collecter les filets d'eau. Elle doit être en maçonnerie dans le cas d'un captage sur terrain rocheux, et elle doit Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
32 être constituée d'une cavité propre et isolée par un lit d'argile dans le cas d'un captage sur terrain meuble.
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33 GH viendra s'ajouter pour améliorer le dessert a la cité MUTOSHI. La cité la plus vaste de toutes les citées GECAMINES a Kolwezi. ? La cité GECAMINES KOLWEZI alimenté par deux fronts celui de la mine à ciel ouvert de Kolwezi et des puits de NYOKA ; ? Les installations GECAMINES à savoir KZC, AO, DGK, HOPITAL, complexe Manika par les puits de KZC ; ? Le quartier industriel, le quartier ville commerciale et la cité Manika qui n'étaient pas des cités GECAMINES devraient se faire alimenter par la REGIDESO. Cependant les captages ci-hauts cités donnaient suffisamment de l'eau en grande quantité au point que le supplément était jeté dans la nature. Ainsi la REGIDESO fera une négociation avec la GECAMINES afin que celle-ci lui donne de l'eau quand à elle-même de la distribuer. Ces cités non GECAMINES obtiendront donc de l'eau produites par la GECAMINES mais distribuée et commercialisé par la REGIDESO. ? C'est cette situation qui malheureusement continue à gérer la production et la distribution de l'eau dans la ville de Kolwezi. II.4.5. Notions de puits filtrant 1. Diamètre Un puits filtrant est un ouvrage dont le diamètre est à déterminer en fonction du débit escompté et du type de la nappe aquifère à traverser (degré d'altération). Normalement un puits filtrant a un diamètre variant de 0,25 à 0,80. Pour un débit de : V' = 300m3/h correspond un diamètre optimal du puits de 36" V' =200 à 300m3/h correspond un diamètre optimal du puits de 22" ; V' = 200m3/h correspond un diamètre optimal du puits de 20". Le puits filtrant est foré en rotary et revêtu d'un tubage avant d'être équipé, ensuite on y place une pompe verticale avec un moteur immergé ou pas. Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017 2. Profondeur
34 La profondeur d'un puits filtrant est définie d'après le projet d'exploitation élaboré et suivant le niveau de rabattement à atteindre sous le niveau d'exploitation. La profondeur du puits filtrant peut atteindre 500m. II.4.5.1. Equipement technique d'un puits filtrant
Il s'agit d'une partie captant comportant une crépine et un filtre. La crépine ou tube crépine est le dernier tubage qu'on descend dans le puits filtrant le filtre est perforé sur le tiers de sa longueur totale d'ouvertures des formes diverses à travers lesquelles l'eau pénètre dans le sondage. L'espace annulaire est rempli du gravier calibre qui constitue le massif filtrant. Ce gravier doit être siliceux, lavé et à grains roulés. Le rôle de la partie captant est double : V' Les filtrent relient les éléments fins et augmentent la perméabilité au voisinage du sondage. Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
35 ? Les soutènements des terrains. Le calibrage des éléments du filtre sera déterminé en fonction de l'analyse granulométrique des formations de la nappe aquifère. L'efficacité du filtre supérieur à 3" ne donnera pas une augmentation de rendement du puits filtrant et un meilleur contrôle de passage des sables. Une épaisseur dépassant 8" entrainera des difficultés lors du développement. II.4.5.2. développement d'un puits filtrant Le développement est une opération dont dépendra le rendement des puits filtrants. Il est acquis au préalable que les conditions d'exécution du forage et de l'équipement des puits soient optimales. Le développement d'un puits doit aboutir aux résultats suivants : Evacuation des débris de forage et des dépôts de fluides d'injection. C'est donc un nettoyage de la paroi et du filtre qui peut être débuté lors de l'équipement ; Amélioration de la perméabilité et de la transmissivité de la nappe aquifère entourant le puits par élimination des sables fins, des argiles ; Classement et stabilisation des formations situées dans le rayon d'influence du puits. Ces résultats atteints, la production du puits filtrant correspondra à sa capacité spécifique. Plusieurs méthodes de développement des puits filtrants existent parmi lesquelles, on pourra citer : L'agitation de la colonne d'eau ; Le lavage au jet d'eau (lavage sous-pression) ; Le pompage alterné et sur pompage ; L'agitation par pistonnage ; L'agitation par air sous-pression (ai-lift) Dans le cadre de cette étude, nous parlerons de l'agitation par air sous- pression (air-lift) à cause de ses avantages. II.4.5.2.1. Agitation par air sous-pression (air-lift) Cette méthode excellente réunit les effets de pompage et du lavage dans toutes les nappes aquifères. Elle consiste à plonger à l'intérieur du tube NOLD 16" crépine Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
36 un tube 8"5/8 ou tube d'eau allant de la surface jusqu'à une certaine profondeur. Descendre ensuite un tube d'air 3" de la longueur inférieure de 0,30 m du sabot du tube d'eau. Ces deux derniers tubes d'air sont raccordées a une tête dite « air lift ». Dans le tube d'air, on y souffle de l'air comprimé (20bars), de l'eau chargée de sable remonté à travers le tubes à eau et cette opération sera répétée plusieurs fois jusqu'à ce que l'eau devienne claire et sans sable sur toute la hauteur de la crépine. Ce procéder permet de déterminer à partir de l'eau récoltée dans le déversoir le débit du puits filtrant, le niveau hydrostatique rabattu, le niveau hydrostatique de départ (original), le temps de remontée des eaux dans le puits, éléments indispensables dans le choix de la pompe et de la profondeur à laquelle il faut la placer et le dimensionnement de la tuyauterie. II.4.5.3. Hydraulique d'un puits filtrant Le pompage dans un puits, exploitant l'épaisseur « h » de l'aquifère, abaisse le niveau d'eau dans l'ouvrage et dans le terrain, créant « un cône de dépression » de rayon « R ». La différence entre le niveau piézométrique et le niveau dynamique « Z0 » obtenu en cours de pompage est la dépression ou rabattement « s ». La hauteur d'eau dans l'ouvrage mesurée à partir du substratum, étant « h », on a : S = h - Z0. Le rabattement est plus important à l'intérieur du forage qu'en n'importe quel autre point.
Figure II-3: Modèle de rabattement d'une nappe libre de DUPUIT Ecoulements permanents vers un puits de captage (approche simplifiée de DUPUIT) Rabattement par puits en nappe libre Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
37 DUPUIT a admis en 1863 que, pour un pompage a débit constant « Q », les dimensions du cône de dépression (rabattement « S » et rayon « ?? ») sont constantes. C'est le régime d'équilibre ou d'écoulement permanent. L'objectif est de calculer le débit « Q » d'un puits de rayon « r » de sorte à maintenir une hauteur d'eau « z0 » constante dans le puits, lorsque le régime permanent est atteint. Le débit à extraire à travers une surface cylindrique de rayon « x » et de hauteur « z » concentrique au puits vaut : 2??.??.?? Q = (h - Z0) II.4.4.1.2. Les ouvrages et sites de captage de la ville de Kolwezi Il existe plusieurs ouvrages de captage, mais nous allons ici nous intéresser aux seuls ouvrages des captages des nappes profondes. C'est notamment les puits forés dans les formations géologiques. En rapport avec l'historique de la naissance de la ville de Kolwezi, les sites de captages ont été définis par la principale activité de la ville. Dans sa politique d'exploitation minière, la GECAMINES alors seule société minière à Kolwezi à son temps avait le devoir de donner de l'eau à ses travailleurs... Choix du site de captage Les éléments suivants ont guidé la commission d'eau potable de la ville de Kolwezi à porter son choix sur le site de MUTOSHI par rapport à celui de NTYOKA. ? Le site de MUTOSHI est favorable du point de vu distance pour le raccordement des nouveaux quartiers actuellement en extension. ? Le site de MUTOSHI se trouve à l' abri des érosions lesquelles affectent déjà plus de six ans le site de NYOKA. ? Le site de MUTOSHI se trouve loin des usines de traitement métallurgique susceptibles des crées dans le temps des pollutions chimiques ; ? Le site de MUTOSHI dispose d'un tank relai de capacité 1000 m3 en surface (en hauteur) facile à entretenir et nettoyer contrairement au tank souterrain de la centrale thermique du site de NYOKA difficile à nettoyer. Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
38 ? Existence d'une ligne électrique et installations électriques appropriées au pompage [commission d'eau potable ville de Kolwezi 2010]. II.4.5.4. Foration d'un puits Le choix de l'emplacement du forage est une opération très délicate car il constitue un voyage vers l'inconnu. Deux éléments interviennent ou guident les hydrogéologues pour opérer ce choix, c'est notamment : ? La prospection géophysique ; ? La prospection géologique. Dans les prévisions, l'objectif était de doubler les capacités du pompage de MUTOSHI qui tournait autour de de 600m3/h (dans lesquels le P36Bis donnait 330m3/h, le P26 200m3/h et le P34 100m3/h). c'est dans cet ordre d'idées qu'il a été arrêté de forer quatre puits de 200m de profondeur devant débiter 150m3/h pour un total de 600m3/h qui accroitraient la capacité totale à 1200m3/h. le forage étant toujours émaillé de péripéties, l'entreprise n'a pas pu terminer avec succès tous les quatre puits pour avoir rencontré une faille dans laquelle se perdaient toute la boue de forage qu'on injecte pour remonter les résidus du forage (cuttings) et stabiliser les parois du puits. Néanmoins le but poursuivi lors des essais de pompage étant de déterminer la perméabilité et le coefficient d'emmagasinement, données dont la GECAMINES dispose à partir des essais qui avaient été faits dans les puits existants. Il reste juste à interpréter les données recueillies à l'air lift pour avoir le débit maximal approximatif et la profondeur en dessous de laquelle sera placée la pompe. Par rapport à l'accroissement de la capacité du pompage de MUTOSHI, seulement 75% (450m3/h) a été atteint avec un retard sur le programme de 3 mois ayant lui-même enduit un retard sur le placement des commandes des pompes qui sont faites en fonction des résultats des essais de pompages pour chacun des 4 puits. Il apparait donc que d'autres forages devront être faits dès qu'il y aurait financement pour arriver à couvrir les besoins de la population qui est en pleine extension, que ce soit à kasulo, quartier latin ou du coté joli site à l'entrée de la ville en allant vers l'aéroport. Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
39 Pour les 4 nouveaux points de forage l'entreprise ne disposait, en dehors des trois puits qui existent déjà (P36Bis, P26 et P34), que de quelques données de 6 sondages séparés entre eux de plusieurs centaines de mètres et dont la géologie était très différente d'un sondage séparé à l'autre. C'est ainsi qu'ils ont localisé dans un premier temps deux points de forage dont les éléments techniques s'offraient le mieux. Il s'agit du P37 (coordonnées X :447 284,005 Y : 314 713,374 Z : 1466,314) et le P38 (coordonnées X : 447 078,141 Y : 315 160,977 Z : 1473, 408) qui devraient en même temps servir de complément pour récolter les informations complémentaires sur la prospection géologique pour permettre ensuite de décider sur l'emplacement des deux autres puits, le P39 et le P40. Déroulement du forage Le forage a été d'abord foré au tricône 17"1/2 les parties superficielles des deux forages P37 et P38 que l'entreprise a tubées et bétonnées en attendant de poursuivre les travaux en profondeur. Au P38, le fait de n'avoir pas réuni les outils de forage à temps a entrainé une rupture mêlée un calage de la garniture 13"3/4 dont le sauvetage à retarder la fin des travaux de plus de deux mois. Pour le P37, plusieurs incidents consécutifs au manque d'expertise, d'expérience et de rigueur des opérateurs ont émaillé ce forage. Néanmoins, le forage du P40 qui n'a pas traversé la faille (perte d'injection) a pu à atteindre la profondeur prévisionnelle autour de 200m. pour ce qui est du P39, le puits qui a été pourtant bien positionné du point de vue de la géologie a été complètement raté suite à l'insuffisance des produits polymères (viscosifiants) utilisés et l'inadéquation des techniques et du matériel de forage par rapport au fait qu'ils devaient ici aussi évoluer en dessous de la faille qu'ils ont rencontré plut tôt autour de 80m. ils ont connu un calage autour de 111m qu'ils ont débloqué en soufflant dans le puits avec un grand débit d'air comprimé a plus de 20 bars, ce qui a eu comme conséquence de fissurer toute la zone au point qu'un dangereux éboulement a failli emporter les ouvriers et la machines elle-même[commission d'eau potable, 2011]. II.5.3.2.1. les principales étapes d'un forage ? Installation du chantier: mise en place de la foreuse; ? début de la foration; Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
40 + les déblais (cuttings) sont expulsés en surface; + Le train de tiges est constitué au fur et a mesuré; + le forage termine, les tiges sont remontées, une à une; + l'outil de forage est remonté en surface ; + Un échantillon (cuttings) est prélevé à chaque mètre foré; + l'observation permettra d'établir une coupe géologique; + les tubes en PVC sont préparés avant la mise en place; + les tubes crépines (fonte) seront disposés en face de l'aquifère. + la base du tubage est équipée d'un bouchon de fond; + mise en place des tubes (vissés un par un); + des centreurs sont ajoutés autour du tube (ils permettent de garantir un bon espace inter annulaire); + une canne d'injection est descendue avec le tubage (elle permettra l'injection du coulis de ciment); + injection du gravier dans l'espace inter annulaire (face à la crépine); + un nettoyage est réalisé a l'air lift (injection d'air comprimé); + vérification de la profondeur du gravier; + mise en place de billes d'argile (bouchon d'étanchéité); + préparation du coulis de ciment et injection dans l'espace inter annulaire; + préparation de la dalle en béton; + finition de la dalle : elle garantit l'étanchéité en tête d'ouvrage; + évacuation des déblais et nettoyage du site. II.4.5.5. Nature de l'ouvrage réalisé A la fin de ces travaux de forage, la GECAMINES a homologué les 2 puits, le P38 et le P40 qui ont respecté toutes les conditions pour que les pompes qu'ils recevront travaillent dans l'environnement du pompage de MUTOSHI. Le puits P37 de faible profondeur n'a pas permis d'y placer une pompe conséquente sous peine de la faire fonctionner au-dessus du niveau rabattu dans le puits aux risques de bruler la pompe. Le puits n'ayant pas atteint le coeur de l'aquifère, le débit obtenu est très faible (autour de 50m3/h) pour l'associer à la conduite principale qui relie les autres puits à fort débit au tank relais. Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
41 Le P39 n'a pas été accepté car un éboulement a affecté le terrain et les instabilités dans celui-ci restent permanentes face au tubage en PVC. Il est ici important de signaler que lors du positionnement de ces 4 puits, le terrain était dégagé. Cependant avant la fin des travaux tout le terrain a été envahi par un lotissement anarchique. Malgré l'interpellation de la GECAMINES a la population et les visites faites par les autorités rien n'a pu arrêter ce mouvement. Le lotissement s'est fait jusque dans les puits (P40 et P39) avec risque de polluer l'aquifère par l'activité humaine. A ce jour, pas seulement que les puits peuvent être contaminés mais aussi il n'existe plus d'espaces pour un accroissement en forage. II.4.5.6. Aménagement d'un puits Il est possible de creuser un puits, si la nappe d'eau souterraine se situe à moins de 25m de profondeur. Si par contre il faut descendre plus profondément pour trouver l'eau, c'est la technique de forage qui est limité par la profondeur de la nappe. Dès qu'elle est atteinte, il devient difficile de poursuivre la fouille du sol, mais par contre le forage peut se poursuivre même en dessous de la nappe. Un puits aménagé comprend deux parties : ? Le puits proprement dit qui se situe dans le sol. ? Le captage qui s'enfonce dans le sol sous le niveau de la nappe phréatique et à travers lequel l'eau suinte pour remplir le fond. Le puits est donc une construction fixe et définitive, installée dans le sol et dont le captage, qui est la base mobile, glisse dans l'orifice du puits et s'enfonce dans le sol au fur et à mesure que l'on creuse le fond du puits. La hauteur du captage dépend aussi de la configuration du terrain et de l'épaisseur de la nappe à exploiter pour avoir un débit suffisant. Cette hauteur peut varier avec le temps puisqu'il est possible, en cas de nécessite, de surcreuser le puits et d'ajouter un ou plusieurs buses perforées qu'au sommet du captage, qui le fera descendre au fur et à mesure du surcreusement sous l'effet de son propre poids. Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
42 II.4.5.7.Méthodes de développement de puits Le développement d'un puits forage consiste, entre autre, à améliorer la perméabilité de la formation aquifère située autour de la crépine et à stabiliser cette formation. Il faut savoir que la mise en production immédiate d'un forage sans développement aurait des conséquences fâcheuses : ? Elle ne permettrait pas d'obtenir le débit optimal pouvant être fourni par l'aquifère. ? Elle entrainerait très certainement d'importantes venues des sables (risques de dommages à la crépine et à la pompe, de colmatage, de tassement du massif de gravier). Le développement est donc destiné à parfaire le nettoyage du trou de la crépine et de massif de gravier et à améliorer les caractéristiques hydrodynamiques de l'aquifère autour de la crépine, dans le but d'augmenter le débit exploitable et de produire une eau propre. La perméabilité du terrain près de la crépine est ainsi améliorée, notamment par élimination dans cette zone du maximum d'éléments fins et par restriction et stabilisation du massif de gravier. II.4.5.8. Equipement de forage Un forage d'eau est destiné à permettre l'extraction de l'eau contenue dans une formation aquifère. C'est pourquoi quel que soit la méthode de forage retenue, l'équipement comporte toujours une colonne d'exploitation maintenant le terrain dans la partie supérieur non aquifère proprement dite. Il ne faut pas perdre de vue que l'exploitation doit se faire dans les meilleures conditions possibles tant du point de vue qualificatif (pas de pollution de l'eau au droit de l'ouvrage et pas d'entrainement des éléments solides), que de point de vu quantitative( obtention de plus fort débit compatible avec les caractéristiques de l'aquifère et la recherche de plus fort débits spécifique possible, débit par unité de rabattement). Trois éléments essentiels constituent l'équipement de forage d'exploitation : ? Les tubages pleins (ou aveugles) ; Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
43 ? Les crépines ou tubages perforés ; ? Le massif filtrant. a. Tubages Les débits d'exploitation espérée et la profondeur finale à atteindre consistent à déterminer les caractéristiques des outils de forage et le diamètre de tubage à utiliser. D'autres parts, en fonction des débits souhaités, le choix de la pompe immergée imposera le diamètre de tubage. Quelques règles de base doivent être respectées : ? Prévoir de laisser au moins un pouce (25,4mm) de jeu entre la pompe et le diamètre intérieur du tubage. Celui-ci sera donc 5Cm environ plus grand que le diamètre intérieur de la pompe. ? Prévoir de laisser du jeu entre les parois nues du trou et le tubage pleins, notamment en prévision de cimentation de l'espace annulaire. Le diamètre de tubage sera en fonction du débit espéré, le choix du type de tubage sera en fonction de la résistance aux diverses sollicitations : effort de traction, effort d'écrasement, effort d'éclatement et effort de flambage. Il existe deux matériaux principaux de tubage lisse : Les tubages en acier doivent respecter des normes de qualité liées à leur résistance mécanique. Ils sont résistants mais ils peuvent être corrodés par l'eau. Les aciers inoxydables ont un coût élevé. On doit veiller à l'homogénéité de l'acier utilisé pour les tubages et les crépines sous peine de voir apparaître un effet de pile pouvant entraîner des dommages importants au matériel tubulaire et à terme la destruction du forage. Les éléments de tubages et/ou crépines sont soudés ou vissés. Les tubages en PVC sont très utilisés en raison de leur résistance à la corrosion, du coût plus faible que pour l'acier, de la facilité de manipulation et d'assemblage des éléments de tubage ou de crépine. Les éléments sont vissés ou collés. Cependant, ils ne peuvent pas être utilisés pour les forages profonds. Leur flexibilité exige l'utilisation de centreurs. Au-dessus du niveau de l'eau, le PVC vieillit ; il peut se fendre Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
44 et son diamètre légèrement diminuer. Les cimentations annulaires peuvent donc ne plus assurer une étanchéité satisfaisante.
Figure II-4 : relation entre les diamètres des outils rotary et les diamètres de tubage Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
45 Dans le tableau suivant on trouve les caractéristiques des principaux diamètres de tubage : Tableau II-6 : caractéristiques des principaux
diamètres de tubage (API), d'après
Les caractéristiques de tubage les plus courantes sont les suivantes : ? Longueur des éléments (3 à 6m) ? Epaisseur (2 à 11mm en acier, 4 à 16mm en PVC) ? Diamètre (100 à 2500mm en acier, 60 à 315mm en PVC) ? Raccordement : manchon soudé, embouts filetés (acier filetage, PVC).
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46 Figure II-5 : PVC pour puits b. Les crépines La crépine, c'est l'élément principal de l'équipement d'un forage d'eau. C'est une pièce de précision qui doit être construite après l'établissement de la courbe granulométrique. Les crépines doivent : V' Permettre la production maximale d'eau claire sans sable V' Résister à la corrosion due à des eaux agressives V' Résister à la pression d'écrasement exercée par la formation aquifère en cours d'exploitation. V' Avoir une longévité maximale V' Induire des pertes de charge minimales.
Figure II-6 : images des crépines Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017 c. Gravier filtrant (additionnel)
47 Ce sont des matériaux meubles formés d'éléments calibré (graviers, granulats), disposé dans l'espace annulaire entre la crépine et les parois de puits pour empêcher l'érosion souterraine (sufosion) et prévenir le colmatage et la réduction conséquente de l'efficacité de puits. Le gravier filtre doit être assez uniforme, calibré, propre, rond et siliceux de préférence. Il ne doit pas être calcaire ni concassé. Par ailleurs, il faut savoir qu'un gravier additionnel de granulométrie surdimensionné dans une formation sableuse fine, peut provoquer un ensablement de l'ouvrage. Par contre, un massif filtrant de granulométrie trop fine peut conduire à une exploitation partielle de la nappe et rendre difficile l'élimination de la boue de forage.
Figure II-7 : massifs filtrants II.4.6. Synthèse L'hydrologie et l'hydrogéologie sont très importantes dans la quantification des eaux et précipitations sur la ville de Kolwezi, source d'eau pour l'élaboration d'un réseau d'alimentation. Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
48 CHAPIII : NOTIONS SUR LES POMPES III.1. Introduction Lorsque l'alimentation gravitaire n'est pas possible, les appareils élévatoires à mettre en oeuvre sont essentiellement les pompes qui peuvent se diviser en deux grandes classes : ? Les pompes roto dynamiques (centrifuges, hélico-centrifuges, hélices). ? Les pompes volumétriques. Les pompes les plus couramment utilisées dans les installations de pompage d'eaux claires appartiennent à la première de ces deux classes. Ce présent chapitre ne traitera en conséquence que des pompes roto dynamiques permettant de dimensionner les Puits (forages) appropriés à notre domaine d'utilisation. III.2. Définition Une pompe est une machine qui consiste à transformer l'énergie mécanique de son moteur d'entrainement en énergie hydraulique tout en transportant du courant liquide qui le traverse avec une certaine puissance. La réserve d'énergie lui permet : ? D'assurer la circulation du liquide d'un point à un autre à travers la conduite ; ? De vaincre les pertes de charges et d'élever le liquide à une hauteur donnée. III.3. Différents types de pompes Comme signalé ci-haut, les pompes se subdivisent en deux catégories principales à savoir : Les pompes volumétriques : dont l'écoulement résulte de la variation d'une capacité occupée par le liquide (cette appellation indique que ces machines donnent un volume constant à n'importe quelle hauteur de refoulement). Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017 Les pompes centrifuges : dont le mouvement du liquide résulte de l'accroissement de l'énergie qui est communiquée par la force centrifuge. Pour le forage d'eau, on utilise souvent les pompes centrifuges sauf dans le cas où celles-ci montrent leur limite qu'on utilise les pompes à piston ou volumétrique.
1 2
49 Figure III-1 : images correspondant aux pompes centrifuges(1) et volumétrique(2) L'utilisation d'un type de pompes ou d'un autre dépend des conditions d'écoulement du fluide. De manière générale, si on veut augmenter la pression du fluide on utilisera plutôt les pompes volumétriques, tandis que si on veut augmenter le débit on utilisera plutôt les pompes centrifuges III.3.1. pompes centrifuges Ces pompes donnent des débits qui varient en raison des hauteurs de refoulement. Cette caractéristique les distingue donc nettement des pompes dites volumétriques. Ce sont, actuellement, les plus employées, surtout en forage d'eau. Leur fonctionnement exige des vitesses de rotation élevées qu'on trouve aujourd'hui bon marché avec les moteurs électriques. Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017 Principe
50 L'eau, introduite par l'orifice d'aspiration, arrive au centre du corps de pompe. Elle est entrainée en rotation par les aubes de la roue tournant à grande vitesse. La force centrifuge projette l'eau à la périphérie du corps de pompe d'où elle s'échappe par l'orifice de refoulement, sa vitesse étant transformée en pression. Le vide partiel, ainsi créé à l'aspiration, assure l'arrivée continue de l'eau sous la poussée de la pression atmosphérique. La hauteur de refoulement est fonction de la vitesse de l'eau à la sortie de la pompe. Cette vitesse est sensiblement égale à la vitesse circonférentielle de l'extrémité des aubes du rotor, laquelle est fonction du diamètre et du nombre de tours par minute de ce rotor. En général, on peut dire que :
- Le débit est proportionnel au rapport des vitesses ; - La hauteur manométrique produite est proportionnelle au carré du rapport des vitesses ; - La puissance absorbée est proportionnelle au cube du rapport des vitesses. Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017 3. Couplage de plusieurs pompes, On peut monter plusieurs pompes en série, ou assembler, sur le même arbre, plusieurs roues ou turbines, de telle sorte que le refoulement de l'une se fait dans l'aspiration de celle qui la suit. Dans ce cas, le débit du groupe est égal à celui du premier élément. La hauteur manométrique, produite par le groupe, est égale à la somme des hauteurs manométriques des divers éléments (cas des pompes multicellulaires à axe verticale qui sont les plus usitées en forage d'eau). Si les pompes sont couplées en parallèle, c'est l'inverse : Le débit du groupe est égale à la somme des débits des divers éléments ;
La hauteur manométrique est égale à la moyenne des hauteurs manométriques des divers éléments. Qv P1 P2 Qv Figure III-2 : couplage en série Pour ce cas de couplage on a : Hmtiserie = Hmt + Hmt2 et Qv = Qvi = Qv2 Le couplage en série permet d'augmenter la hauteur manométrique totale : il convient donc bien pour un réseau présentant des pertes de charge importantes.
Qv1 Qv Qv=Qv1+Qv2 Qv2 P1 P2
51 Figure III-3 : couplage en parallèle Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
52 Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
53 Pour ce cas de couplage on a : Hmt1 = Hmt2 = Hmt parallele et Qv = Qv1 + Qv2 Le couplage en parallèle permet d'augmenter le débit dans le réseau : il convient bien pour un réseau présentant des pertes de charge assez faibles. 4. Amorçage, Une pompe centrifuge ne peut fonctionner que si le corps de pompe est plein de liquide. Il est donc indispensable de remplir, au préalable, la pompe et son tuyau d'aspiration. On y parvient par une ou plusieurs des opérations suivantes :
Figure III-4 : amorçage d'une pompe centrifuge par une pompe manuelle 5. Réglages, Nous avons vu que l'une des principales caractéristiques des pompes centrifuges est que leur débit varie en raison inverse des pressions de refoulement (hauteurs manométriques). Il suffit, donc, de placer une vanne sur le refoulement pour faire varier à volonté le débit. Si l'on ferme complètement cette vanne sans arrêter la pompe, le débit est nul et le rotor brasse l'eau dans le corps de pompe. L'énergie ainsi dépensée se transforme en chaleur, ce qui, au bout de peu de temps, nécessite l'arrêt de la pompe.
Figure III-5 : composition d'une pompe centrifuge 6. Courbes caractéristiques des pompes centrifuges, Cette particularité des pompes centrifuges permet d'effectuer facilement leur réglage et de tracer les courbes de leur fonctionnement afin de définir le régime optimum de débit, de hauteur manométrique et de rendement ainsi que d'économie d'énergie motrice absorbée. Pour une pompe donnée et une vitesse de rotation constante, on trace : ? Une courbe des hauteurs manométriques en fonction des débits ; ? Une courbe des puissances absorbées en fonction des débits ; ? Une courbe des rendements globaux (pompe et moteur) en fonction des débits. Il existe deux types principaux des pompes centrifuges : ? Les pompes centrifuges à axe horizontal ; ? Les pompes centrifuges à axe vertical. Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
54 III.3.1.1. les pompes centrifuges à axe horizontal Leur encombrement horizontal est tel qu'elles ne peuvent être installée qu'en surface. On peut donc les utiliser que sur des forages dont le niveau rabattu en pompage est, au maximum, de 7 à 8 mètres. Dans cette catégorie, on peut citer : > Les pompes centrifuges classiques, corps en volute ; > Les pompes centrifuges à turbines et diffuseurs ; > Les pompes centrifuges auto-amorçantes avec des variantes telles que : > Les pompes à clapet de pied et réservoir d'eau au refoulement ; > Les pompes auto-amorçantes à anneau liquide. > Les pompes centrifuges à flux mixte. III.3.1.2. les pompes centrifuges à axe vertical Cette famille des pompes est plus employée dans les forages d'eau. Leur principe est analogue à celui des pompes centrifuges à axe horizontal. Elles ont toutes un ou plusieurs étages comprenant chacun une roue à flux radial, axial, ou semi-axial, tournant dans un diffuseur ou bol. Pour supprimer tous les aléas dus à l'amorçage, le corps de pompe baigne dans l'eau et se trouve à 0,50 mètre, au moins, au-dessous du niveau rabattu. Ainsi immergée, la pompe est toujours amorcée. Dans cette catégorie, on peut citer : III.3.1.2.1. Les pompes centrifuges à axe vertical avec moteur en surface Dans cette catégorie des pompes on trouve les variantes telles que : a. Les pompes à turbines ; La colonne (tuyauterie de refoulement) renferme l'arbre de transmission tournant dans les paliers avec coussinets semi-élastiques, généralement lubrifiés par l'eau. Le réglage vertical, très important et minutieux, s'effectue par la tête en faisant coulisser l'arbre de transmission à l'intérieur du palier supérieur. Un dispositif de Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
55 sécurité empêche l'arbre vertical de tourner à l'envers au moment de l'arrêt de la pompe, ce qui provoquerait des désordres mécaniques dans les raccords vissés. Les turbines sont du type radial, ou semi-axial. b. Les pompes à hélices, Ces machines ne sont pas exactement des pompes centrifuges : elles comportent un seul rotor en forme d'hélice de bateau. Les paliers de l'hélice produisent donc un flux axial. On peut, exceptionnellement, monter deux ou trois hélices en série pour réaliser de plus grandes hauteurs de refoulement. Leur emploi est, généralement, limité à de très grands débits, jusqu'à 15.000 m3/h, obtenus à des faibles profondeurs (10 à 12 m). Pour cette raison, et à cause de l'encombrement important du corps de pompe, elles ne sont guère utilisable en forage.
Figure III-6 : Pompe verticale à turbine et à hélice Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
56 III.3.1.2.2. les groupes électropompes immergées (ou submergées). Ces groupes constituent le moyen de pompage le plus économique, le plus simple et le plus sûr pour l'exploitation par forages des nappes aquifères souterraines. Depuis que les isolants synthétiques ont remplacés avantageusement le caoutchouc dans la fabrication des revêtements des fils de bobinage des moteurs électriques, on n'a plus hésité à faire pénétrer l'eau à l'intérieur de celui-ci, ce qui a considérablement simplifié la construction des groupes et amélioré leurs performances. Leurs avantages sont :
Les pompes centrifuges utilisent les variations de vitesse du fluide pompé pour obtenir un accroissement de pression. L'énergie mécanique d'un moteur est transmise au fluide. La vitesse donnée du fluide va donner de l'énergie cinétique à celle-ci. L'énergie cinétique est ensuite transformée en énergie de pression.
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57 Figure III-7 : groupe électropompe Les caractéristiques des pompes centrifuges sont : ? Le couple d'entrainement de la pompe est pratiquement nul au démarrage. (Particulièrement intéressant dans le cadre de l'utilisation des modules photovoltaïques car la pompe tourne même par très faible ensoleillement). ? Système extrêmement simple pouvant être couplé directement sur machine tournante. Moteur électrique, essence, diesel, etc. ? Il n'a pas ou presque pas d'aspiration. Elle doit être amorcée pour fonctionner de manière à éviter tout risque de destruction si fonctionnement à sec. Certaines sont auto-amorçantes. Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
58 ? Equiper aussi les pompes immergées que les pompes de surface. ? Plusieurs étages (cages plus roues à ailettes) peuvent être superposées pour obtenir des grandes pressions. III.3.1.3. Critères et choix des pompes centrifuges Une pompe centrifuge doit être choisie en fonction de l'installation dans laquelle elle sera placée et en tenant compte des éléments suivants : + Les propriétés du liquide ; + Le débit souhaité Qs ; + Les caractéristiques spécifiques du circuit, HG et Hmt. Le coût d'une pompe centrifuge dépend aussi directement de sa vitesse de rotation. Plus celle-ci est lente, plus son coût est élevé. La diminution de la vitesse a pour avantage : + La réduction du bruit ; + L'amélioration de la capacité d'aspiration ; + La diminution de l'usure. Le choix de la vitesse de la pompe se fera donc après avoir effectué une étude technico-économique. N.B : lors du choix d'une pompe centrifuge, on doit disposer de son catalogue. III.3.1.4. Rendement Le rendement, rapport entre le travail hydraulique produit et le travail absorbé par la pompe, est extrêmement variable selon les types des pompes, et, pour chacune d'elles, selon sa vitesse de rotation et le réglage de ses vannes. Les meilleures pompes ont des rendements de 0,80 à 0,85 [KAMPASHI DENIS, cours d'exhaure, P25-27,31, 2008-2009]. Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
59 III.3.1.5. Installation d'une pompe centrifuge 1. Pour une pompe de surface, Nous devons raccorder l'aspiration (orifice souvent horizontal sur la pompe) et le refoulement (orifice souvent vertical sur la pompe). Les deux règles de bases pour l'aspiration sont : ? Installer un clapet anti-retour obligatoire et de préférence une crépine au point de pompage. ? Ne jamais réduire le diamètre du tuyau par rapport à l'orifice d'aspiration. Une fois ces deux règles précédentes respectées, l'installation peut démarrer : ? Connecter la crépine au clapet anti-retour puis le raccord à l'ensemble qui convient au tuyau ; ? Une fois la longueur nécessaire de tuyau obtenu pour retourner jusqu'à la pompe, couper celui-ci et connecter le tuyau par l'intermédiaire du raccord adapté à l'orifice d'aspiration de la pompe ? Connecter le raccord et le tuyau également au refoulement jusqu'au ballon de surpression ou au pressostat ou autres. Il est conseillé de mettre une vanne dès la sortie du refoulement avant de connecter le raccord (les raccords doivent être étanches soit par l'intermédiaire de téflon ou fillasse + pâtes sur le filetage pour les raccords mâles ou bien par l'intermédiaire de joint plat ou torique pour les raccords femelles.
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60 Figure III-8 : installation d'une pompe de surface 2. Pour une pompe immergée, C'est beaucoup plus simple! Il suffit de connecter de manière totalement étanche et avec les raccords et tuyaux adaptés au refoulement de la pompe. Puis de plonger celle-ci dans le puits ou la cuve. Attention : une pompe immergée ne doit jamais être suspendue par le câble électrique ou par le tuyau mais par un autre moyen comme par exemple un câble inox qui sera légèrement plus court que le tuyau et le câble électrique afin de leur donner du mou. Sur ce type de pompe bien souvent le clapet anti-retour est intégré, si ce n'est pas le cas il faut en ajouter un dès la sortie de la pompe.
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61 Figure III-9 : installation d'une pompe immergée III.3.1.6. Les caractéristiques des pompes centrifuges 1. La hauteur manométrique totale : Hmt La hauteur manométrique permette de choisir la pompe pour une courbe de réseau imposée. Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017 2. La hauteur géométrique : Hg
62 La hauteur géométrique Hg est la somme verticale de la hauteur de refoulement et la hauteur d'aspiration. H9 = Hréfooulement + H aspiration
III.3.2. Pertes des charges Un circuit d'alimentation est caractérisé par une hauteur géométrique « Hg » (sommation entre la hauteur d'aspiration et celle de refoulement), une longueur « L », le débit du fluide « Q » et des composantes qui le constituent. La longueur de la tuyauterie ainsi que les accessoires du circuit créent des pertes de charges « ?H ». Ainsi donc, au-delà de ma colonne d'eau au refoulement, la pompe doit vaincre ces pertes de charges pour refouler le fluide à l'endroit voulu. Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017 Il existe deux types de pertes de charges : ? Perte de charges continues ou linéaire « ?Hlin » Elles se produisent tout au long de la conduite et se déduisent par la relation suivante :
Avec ?? : Coefficient de pertes de charges continues. Il est fonction du régime d'écoulement traduit par le nombre de REYNOLD « Re » ?? . D Re = ?? - ?? : vitesse d'écoulement [m/s] ; - D : Diamètres de la conduite[m] ; - v : viscosité cinématique du fluide [m2/s]. Pour l'eau v = 10-6 m2 /s - L : La longueur de la conduite [m] ? Si Re < 2300 : le régime est laminaire ; ë = ???? 64 ; ? Si Re > 2300 : le régime est turbulent ; X sera à lire sur l'abaque, présenté dans les annexes, connaissant « Re »et la rugosité relative des conduites « å » : K
63 Avec K : rugosité des conduites[m]. Cette valeur vaut pour les conduites métalliques et PVC respectivement 0,06 et 0,03. Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017 ? pertes de charges locales ?Hloc :
64 Elles se produisent au passage du fluide dans les accessoires de la conduite, tels que les coudes, vannes, les changements de sections, les organes de réglage etc... elles se traduisent par la relation suivante : ??.??.??2 ??????? ?? = ; [ml 2.?? Où : - ?? : nombre d'accessoires de même nature ; - ?? : coefficient de perte de charge de l'accessoire ; - ??: vitesse de circulation de l'eau[??/??]. Connaissant la hauteur géométrique « h?? » et des pertes de charges « ?h?? » nous pouvons déterminer la hauteur manométrique « h???? » du circuit par la relation ci-dessous. h???? = h?? + ?? ?h??, [ml III.3.2.1. Détermination des puissances et consommation d'énergie électrique III.3.2.1.1. Puissance fournie par la pompe : ?????? Elle est obtenue par la relation ci-dessous ??. ??. ??. ???? ??h?? = 3600.1000 ; [????] Avec : - Q : débit de la pompe au point de fonctionnement[??2/h] ; - ?? : masse volumique de l'eau [????/??3] ; - ???? : hauteur manométrique au point de fonctionnement[??]. Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
65 III.3.2.1.2. Puissance effective ou absorbée de la pompe : ???????? C'est la puissance réellement fournie par la pompe, elle est obtenue par la relation ci-dessous : ??h?? ???????? = ; [????] ??? Avec ??? : le rendement de la pompe à lire sur les abaques. III.3.2.1.3. Puissance effective du moteur d'entrainement : ???? ???????? ???? = ; [????] Avec ??? : le rendement mécanique, il est compris entre 0,85 et 0,90 III.3.2.1.4. Puissance électrique à fournir au moteur d'entrainement : ??é?? C'est la puissance électrique à fournir aux moteurs d'entrainement, elle se déduit par la relation suivante : ??é?? = ???? ; [????] ?é?? Avec ?é?? : le rendement électrique, il est généralement égal à 0,90. III.3.2.1.5. calcul de la consommation d'énergie électrique : W La consommation mensuelle de l'énergie électrique est déduite de la relation suivante : ??= ??é??. 365. h?? 12 ; [????h/???? ????] Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017 Avec h?? : les heures de marche des pompes par jour. Tableau III-1 : rugosités absolues Valeurs usuelles indices de rugosité (k) en mm
Ci-dessous tableau illustrant le coefficient des pertes de charges (k) des différents accessoires : Tableau III-2 : coefficient des pertes de charges
Jonction du réservoir a tuyauterie Jonction de tuyauterie
au 0,5 1,0 Coude 45° Coude 90° 0,35 à 0,45 0,50 à 0,75
66 Tés Vannes de contrôle (ouverte) 1,50 à 2,00 3,0 Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
67 III.3.3. Synthèse Les différentes notions vues tout au longue de ce chapitre nous a permis à choisir le type de pompe utilisé dans le forage d'eau ; il serait néanmoins très utile pour une tâche d'utilisation d'une telle pompe ou l'on privilégie la simplicité et la rapidité d'exécution quitte à perdre un peu de précision. Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
68 CHAP IV : DIMENSIONNEMENT DU CIRCUIT D'ALIMENTATION
Il est très important de noter que pour un type de branchement ou pour un autre, il existe quelques paramètres qui entre en jeu pour l'estimation de cette demande et ces paramètres sont : le temps d'utilisation et le coefficient de pointe horaire qui permettent d'évaluer les débits moyen horaire et les débits de pointe horaire. Pour aborder au mieux cette étude quelques définitions peuvent être utiles pour la suite du travail. ? Consommation unitaire et globale C'est le rapport de la production moyenne journalière et de la population desservie. Elle est aussi appelée consommation moyenne. CUG = production journaliere moyenne a l'usine En litres/habitants/jours. population desservie Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
69 ? Consommation moyenne annuelle C'est le volume d'eau consommée pendant un an en m3. ? Consommation journalière moyenne C'est le volume d'eau consommée pendant un an divisé par 365 jours en m3. IV.2.1. Estimation de la consommation Les consommations en eau varient beaucoup selon les conditions locales et reflètent d'une certaine façon le niveau de vie d'une population. L'estimation de cette consommation est basée sur la consommation journalière moyenne et sera suivie d'une étude des variations des consommations pour des périodes de temps plus brèves, par exemple, un jour ou une heure. La demande est le besoin en eau exprimé pour les consommations domestiques, commerciales et industrielles. A côté de ces consommations il y'en a d'autres tels que les usages publics et les pertes. ? Consommation domestique C'est l'eau utilisée dans les résidences, les hôtels et les institutions publiques (hôpitaux, écoles, etc.) pour la préparation des aliments, la boisson, l'hygiène personnelle et les usages domestiques. Les renseignements obtenus auprès de la REGIDESO nous fournissent une consommation unitaire de 0,01 m3/habitant/jour, soit 100 litres/habitant/jour qui sont la valeur utilisée dans nos estimations. Il est à noter que l'OMS a adopté une valeur de 40 l//jour pour assurer l'alimentation de petites agglomérations des pays en voie de développement. Cette estimation prévoit toutefois une marge de 50% pour le gaspillage inévitable quand il y a une certaine distance entre le point d'eau et le domicile du consommateur. Cette valeur de l'OMS est le minimum requis, c'est pourquoi pour mieux se conformer aux réalités du pays, on s'est basé sur les estimations de la REGIDESO. Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017 ? Consommation commerciale
70 C'est l'eau utilisée dans les zones commerciales comme les marchés, les centres de commerce. Généralement, les consommations en eau sont mesurées dans chaque établissement à l'aide de compteurs. Ainsi, pour un marché de quartier, par exemple, concernant notre zone d'étude nous avons supposé une consommation de 11 m3/jour. ? Consommation selon OMS Selon l'organisation mondiale de la santé (OMS), une eau potable est une eau que l'on peut boire sans risque pour la santé. L'OMS la défini comme une eau ayant les caractéristiques microbiennes, chimiques et physiques qui répondent à ses directives ou aux normes nationales relatives à la qualité de l'eau de boisson. En clair une eau potable est celle qui ne contient pas d'agents pathogènes ou chimiques à des concentrations pouvant nuire à la santé. IV.2.2. Variation de la consommation La consommation n'est pas constante tous les jours de l'année; elle subit des fluctuations selon les mois de l'année, selon les semaines du mois, selon les jours de semaine et selon les heures de la journée. Cette variation reflète dans le temps le rythme des activités humaines. Les facteurs généraux affectant la consommation sont: ? Qualité de l'eau: La consommation est moindre si l'eau est de mauvaise qualité. Les consommateurs habituent toutefois à une eau de qualité moindre et l'on peut affirmer qu'il n'est nullement impensable de diminuer la qualité de l'eau pour réduire la Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
71 consommation. Les eaux de consommation doivent être de la meilleure qualité possible pour répondre aux exigences des consommateurs. ? Caractéristiques de la population: Selon qu'il s'agisse d'une cité résidentielle, les consommations reflèteront le comportement et le niveau de vie de la population. ? Climat de la région: Selon que le climat est chaud, sec ou froid, les consommations seront plus ou moins élevées. IV.2.3. Coefficients de pointe pour l'eau potable En tenant compte des habitants et des comportements en matière d'utilisation d'eau potable dans les centres, il est retenu les coefficients de pointe pour l'eau potable suivant : ? le coefficient de pointe horaire (cph) adopté est de 3 a noté que sa valeur est généralement comprise entre 2,5 et 3 pour les centres de moins de 10000 habitants ? le coefficient de pointe journalière (Cfpj) est généralement compris entre 1,55 et 3 dans les zones semi rurale et rurale. Ce qui nous permet d'adopter la valeur de 1,55 comme coefficient de pointe journalière dans notre cas de JOLI SITE. Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
72 IV.2.3. Détermination des maisons à alimenter Le nombre des parcelles se situant sur notre zone d'étude est d'environ : 1385 (parcelles et maisons) d'après la cité. Par des valeurs estimatives, dans chaque maison réside 8 personnes en moyenne. Ce qui nous donne le nombre de population total au départ de notre projet de (2016) de 11080 ; selon le plan cadastrale, urbanisme et l'habitat.
Figure IV-1 : image illustrant le quartier et les maisons à alimenter Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
73 IV.3. Détermination des besoins en pompes et accessoires pour le circuit d'alimentation IV.3.1. Introduction L'installation de pompage est basée sur le réseau d'alimentation des eaux de la station de pompage vers le quartier résidentiel. De ce fait, nous allons à l'aide des calculs qui suivent : ? dimensionner la tuyauterie, ? définir la courbe d'installation, ? choisir les types de pompes et fixer les conditions de son utilisation. IV.3.2. Dimensionnement des réseaux de pompage IV.3.2.1. Dimensionnement du réseau primaire de pompage pour l'alimentation en eau Le besoin en eau pour le quartier Joli Site RVA est fixé à un débit (Qp) = 46,16 m3/h soit 0,012 m3/s. Le diamètre de la tuyauterie est ;
3,14 x 2,2 x 900 = 0,0014m soit 0,056 pouce 1,5 < V = 2,2 m/s Suivant les normes SKM, nous choisissons donc un diamètre standard Dr= 0,2m (Dr=8»).
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74 Figure IV-2 : image montrant la source de pompage et le quartier à alimenter ? Calcul des pertes de charges continues ?hlin On tiendra compte des considérations suivantes: A l'aspiration, la longueur de la conduite (La) = 0 Au refoulement, la longueur de la conduite vers RVA est de 9 Km, la source est à 1521m d'altitude et le niveau à RVA est à 1527m. La longueur totale de la conduite au refoulement (Lr) est de 10778m. La viscosité cinématique : u = 10-6 m2/s (pour la t°= 20°C) Le nombre de Reynold : Re = 2,2× 0,2 10-6 440000 La rugosité relative de la tuyauterie (E??) avec pour une rugosité absolue de 10- 4m (pour une conduite neuve en acier galvanisé) est de : Er = 10-4 0,2 = 0,0005. Les coefficients des pertes de charges continues qui valent ; ?= 0,02 pour la conduite en acier. Ces valeurs ont été prélevées dans les abaques de White et Colebrook (Pour Re= 440000, Er = 0,0005). Ainsi donc, les pertes de charges continues ?hlin le long de la tuyauterie valent : L V2 ?hlin = ? × D × [m] 2 g Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017 Q or V = S
? Calcul des pertes de charges locales ?h?????? ?h???? ?? = IL . ?? 2 . ?? . ??2 x ??2
75 Avec k = 0,25 pour une crépine, Pour 3 coude arrondi à 90° ; k=0,29 Pour 2 coudes à 45° ; k=0,35 1 vanne avec ; k=10,8 Q2 ??????? ?? = (0,25 + 3 X 0,29 + 2 X 0,35 + 10,8) X 2 X 9,81 X 0,03142 = 652,38 X Q2 La sommation des pertes de charge locales et linéaires nous donne ce qui suit : ?HTotale = (652,38 + 55716) X Q2 = 56368,38 X Q2 ??m = 56368,38 .??2 + ??g Hg : hauteur géométrique=158 m ? Caractéristique résistante d'installation En se servant de la relation ci-dessus nous obtenons les valeurs présentées dans le tableau IV-1 qui nous permettent de tracer la courbe caractéristique de la pompe. Entre le fond du puits et la surface nous avons une hauteur de 152 m ; on compte 158 mètres de hauteur géométrique. Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
76 Tableau IV-1 : variation de la Hm
Courbe d'installation 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 Débit (m3/s) 2500 Hauteur manometrique Hm( m) 2000 1500 1000 500 0 Debit Qp (m3 /s)X10-3
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77 Figure IV-3 : courbe caractéristique et de rendement de la pompe immergée choisit La presente courbe stitpule les données etablies par le concepteur sur laquelle nous avons relever les coordonnés en X (debit) et en Y (hauteur manometrique) ce qui a fait l'objet de l'etablissement du point de fonctionnement de notre pompe tracer en EXCEL. Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
78 Tableau IV-2 : caractéristiques de l'installation Carcteristique de six pompes couplées en série 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 Débi(m3/s)
Hm (m) 1400 1200 1000 400 800 600 200 0 débit
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017 Rendement de la pompe 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 Débit (m3/s)
Rendement (%) 40 70 60 50 30 20 10 0
79 Après representation de deux courbes (installation et caracteristique) , nous les superposons afin de determiner le point de fonctionnement . Il nous permet de determiner le debit pratique ou réel et la hauteur manometrique au point de fonctionnement. L'abcsisse au point de fonctionnement sera aussi abaisser sur la courbe de rendement afin de determiner le rendement de la pompe. Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
Hauteur manometrique (m) 2500 2000 1500 1000 500 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 Debit ( m3/s) Superposition de deux courbes: Point de fonctionnement
80 Figure IV- : point de fonctionnement Rendement de la pompe 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 Débit (m3/s)
Rendement (%) 40 70 60 50 30 20 10 0 Figure IV- : rendement pompe Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017 IV.4. Détermination des puissances et consommation d'énergie électrique Nous déterminons les puissances hydrauliques ??hy, les puissances effectives ou absorbées des pompes??eff, puissances mécaniques du moteur d'entrainement ??m et Puissances électriques à fournir au moteur d'entrainement ??él. De cette dernière nous pouvons ressortir la consommation en énergie électrique. Au point de fonctionnement nous avons ; Hm=950m et Qv=0,12m3/s= 461m3/h.
81 P??ec
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017 ? Calcul de la consommation d'énergie électrique W hf = Débit exigé Connaissant les points de fonctionnement des installations et le débit nécessaire nous pouvons déduire les heures de marche des pompes. X 24 Débit point fonctionnement
Nous pouvons déterminer la consommation énergétique mensuelle du circuit de pompage ;
IV.5. synthèse
82 Nous venons de dimensionner de manière pratique le réseau d'alimentation pour chaque affectation. Les deux points d'alimentation sont imposés, la source fournissant l'eau, les débits à fournir ainsi que la qualité des eaux. Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017
83 CHAP V : ASPECTS ECONOMIQUES DE L'ETUDE
L'évaluation du coût sous-entend la détermination des coûts fixes, coûts variables et frais généraux relatifs au temps nécessaire à l'amortissement de la plupart de ces infrastructures. ? Coût fixe Il s'agit d'un coût qui n'est pas affecté par une quelconque variation de la production. Il constitue une charge à consentir même au cas où la production est nulle. Ce coût est composé des frais suivants: V' Frais d'acquisition du matériel d'installation du circuit d'exhaure (pompes plus moteur, conduites et accessoires d'installation) ; V' Frais d'acquisition des matériels électriques ; V' Frais de la main d'oeuvre ; ? Coûts variables Les coûts variables englobent tous les frais qui changent avec des circonstances particulières. Il s'agit essentiellement des frais dû à la consommation d'énergie électrique et à l'entretien.
84 Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji Maseho Junior ISTC 2017 V.3. Evaluation du coût de pompage |
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