Fiche descriptive : Barrière gelée

De : Services publics et Approvisionnement Canada

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Description

Le principe de la barrière gelée consiste à faire geler artificiellement l’eau contenue dans les pores du sol. Son gel provoque une diminution de la perméabilité et permet de former une barrière imperméable. Cette barrière prévient la migration des contaminants.

Pour ce faire, un système de tuyauterie constitué de tubes frigorifiques, à l'intérieur desquels circule un réfrigérant comme le dioxyde de carbone liquide, est aménagé dans la zone où la migration doit être limitée. Les tubes sont installés à même des forages réalisés en aval du secteur contaminé, et perpendiculairement à la direction d'écoulement de l'eau souterraine dans le but d'empêcher la migration des contaminants. Ces forages pour le gel des sols sont appelés des thermoprobes ou sondes réfrigérantes.

Ce dispositif permet d'atteindre des températures de -20 à -40 °C dans les conduits. Par conduction thermique, l'eau souterraine présente dans les pores du sol, au pourtour des tubes frigorifiques, gèle sur une épaisseur pouvant atteindre jusqu'à 20 m. L'eau du sol ainsi gelée agit comme barrière et permet de contenir la contamination dissoute. L'installation de ce type de barrière ne requiert pas d'excavation et elle peut s'étendre jusqu'à une profondeur maximale d'environ 300 m. Le gel du sol peut aussi être réalisé à l’aide d’un thermosiphon (un dispositif de transfert de chaleur passif utilisé pour la stabilisation du pergélisol), si les températures ambiantes sont suffisamment froides.

Liens Internet :

Mise en œuvre de la technologie

Une barrière gelée implique la mise en place de puits et de tuyauterie permettant la circulation de réfrigérant dans les sondes réfrigérantes placées dans le sol afin de faire geler l’eau contenue dans le sol et produire une barrière.

La mise en œuvre d’un tel système peut inclure :

  • la mobilisation, l’accès au site et la mise en place d’installations temporaires;
  • la réalisation de forages et l’installation des sondes réfrigérantes et de la tuyauterie du système de réfrigération;
  • l’installation de sondes de température dans les sols;
  • la mise en place d’une surface ou membrane isolante et imperméable à la surface de la zone ciblée;
  • l’aménagement de l’unité de réfrigération et son raccordement à la tuyauterie;
  • la réalisation de tests de pression dans les conduites et l’injection du réfrigérant.

Matériaux et entreposage

  • La mise en place des équipements est réalisée à l’aide d’équipements traditionnels/courants facilement disponibles;
  • L’unité de réfrigération doit être préassemblée et acheminée vers le site dans un conteneur ou sur remorque fermée;
  • L’opération de l’unité de réfrigération nécessite de l’énergie et doit inclure une source d’énergie d’urgence.

Résidus et rejets

La mise en place et l’opération d’une barrière gelée génèrent peu de résidus et de rejets, à l’exception des déblais de forage résultant de la réalisation des puits pour la mise en place de la tuyauterie.

Analyses recommandées dans le cadre d’une caractérisation détaillée

Analyses physiques

  • La teneur en eau du sol
  • L'analyse granulométrique
  • La conductivité thermique du sol
  • La température de l'air ambiant
  • Le point de congélation du contaminant

Essais recommandés dans le cadre d’une caractérisation détaillée

Essais hydrogéologiques

  • Essais avec traceur

Remarque : Des essais sur le terrain pour mesurer la conductivité hydraulique au niveau de la barrière gelée ainsi que le rayon d'influence des tubes frigorifiques sont nécessaires avant de procéder à l'installation d'une barrière gelée.

Autre information recommandée pour une caractérisation détaillée

Phase II

  • La profondeur et l'étendue de la contamination
  • La présence de récepteurs :
    • la présence de récepteurs potentiels
    • la présence d'infrastructures de surface et souterraines
    • le risque de migration hors site
  • Les conditions climatiques régionales (précipitations, température, etc.)

Phase III

  • La stratigraphie du sol
  • La détermination des voies préférentielles de migration des contaminants
  • Une modélisation hydrogéologique
  • La connaissance détaillée de la géologie et de l'hydrogéologie incluant :
    • la direction d'écoulement des eaux souterraines
    • la conductivité hydraulique
    • les fluctuations saisonnières
    • le gradient hydraulique

Remarques :

Des essais sur le terrain pour mesurer la conductivité hydraulique au niveau de la barrière gelée ainsi que le rayon d'influence des tubes frigorifiques sont nécessaires avant de procéder à l'installation d'une barrière gelée.

Applications

  • Permet de contenir et de limiter la migration de la contamination située dans la zone saturée, mais son traitement doit être réalisé en association avec un système de captage de l’eau souterraine;
  • Permet le confinement de l’eau souterraine contaminée sous et autour des réservoirs et infrastructures.

Applications aux sites en milieu nordique

La mise en place d’une barrière gelée est possible dans les milieux nordiques, mais demande une bonne alimentation électrique et un suivi constant des températures du sol pour valider l’intégrité de la barrière. Ce type de milieu favorise l’utilisation de thermosiphons de façon passive en raison des températures froides de l’air ambiant. Ces dispositifs ne requièrent pas d’alimentation électrique.

Type de traitement

Type de traitement
Type de traitementS’applique ou Ne s’applique pas
In situ
S’applique
Ex situ
Ne s’applique pas
Biologique
Ne s’applique pas
Chimique
Ne s’applique pas
Contamination dissoute
S’applique
Contamination résiduelle
Ne s’applique pas
Contrôle
S’applique
Phase libre
Ne s’applique pas
Physique
S’applique
Résorption
Ne s’applique pas
Thermique
Ne s’applique pas

État de la technologie

État de la technologie
État de la technologieExiste ou N'existe pas
Démonstration
N'existe pas
Commercialisation
Existe

Contaminants ciblés

Contaminants ciblés
Contaminants ciblésS'applique, Ne s'applique pas ou Avec restrictions
Biphényles polychlorés
S'applique
Chlorobenzène
S'applique
Composés inorganiques non métalliques
S'applique
Composés phénoliques
S'applique
Explosifs
S'applique
Hydrocarbures aliphatiques chlorés
S'applique
Hydrocarbures aromatiques monocycliques
S'applique
Hydrocarbures aromatiques polycycliques
S'applique
Hydrocarbures pétroliers
S'applique
Métaux
S'applique
Pesticides
S'applique

Remarques:

Permet le contrôle de la contamination dissoute seulement.

Durée du traitement

Durée du traitement
Durée du traitementS’applique ou Ne s’applique pas
Moins de 1 an
Ne s’applique pas
1 à 3 ans
S’applique
3 à 5 ans
S’applique
Plus de 5 ans
S’applique

Remarques :

Permet le contrôle de la contamination dissoute seulement.

Considérations à long terme (à la suite des travaux d'assainissement)

Pendant l’opération de la barrière, un suivi des températures du sol et des niveaux de la nappe d’eau souterraine est requis, en amont et en position de la barrière. De plus, un suivi de la qualité de l’eau souterraine en aval de la barrière doit aussi être réalisé.

Une maintenance du système, tant qu’il est en activité, et la présence d’une source d’énergie d’appoint en cas de panne électrique, sont aussi recommandées surtout si la contamination est très mobile.

Produits secondaires ou métabolites

La barrière gelée n'engendre pas de produits secondaires puisque cette technologie permet seulement le contrôle de la migration et non le traitement de la contamination.

Limitations et effets indésirables de la technologie

  • Des risques de fuite de fluide frigorigène sont possibles dans l'environnement
  • Des sols très poreux et secs pourraient limiter la mise en place d’une barrière gelée;
  • Des conditions hydrogéologiques complexes et la présence d’infrastructures souterraines pourraient limiter la vérification de l’intégrité de la barrière;
  • La technologie est énergivore;
  • La mise en place d’un système d'approvisionnement d'appoint est nécessaire si la contamination est très mobile ou si le site se trouve en région éloignée;
  • Les eaux souterraines pourraient avoir tendance à contourner la barrière;
  • Des composés cryogéniques qui produisent des températures plus basses que – 150 °C peuvent devenir nécessaires en présence de certains contaminants (exemple : trichloréthylène), mais leur utilisation implique des coûts élevés.

Technologies complémentaires améliorant l’efficacité du traitement

Une barrière gelée ne permet pas de traiter l’eau souterraine, mais seulement de limiter sa migration. Ainsi, la contamination dissoute située en amont de la barrière doit être pompée et traitée par un système de captage et de traitement de l’eau souterraine.

Traitements secondaires requis

Aucune information disponible

Exemples d'application

La technologie de la barrière gelée a été testée, certifiée et documentée sur le terrain par le « US DOE Innovative Technology » (rapport DOE/EM-0273).

Les sites suivants fournissent des exemples d'application :

Performance

Une barrière gelée a été efficace pour le confinement hydraulique de la zone ciblée sur le site d'Oakridge Tennessee (U.S. EPA, 2004). Une fois implanté, l'apport d'électricité nécessaire au maintien de la barrière gelée était d'environ 288 kW/h.

Mesures pour améliorer la durabilité de la technologie et/ou favoriser l’assainissement écologique

  • Le nombre de visites sur le terrain pourrait être limité en utilisant la télémétrie pour la surveillance à distance des conditions du site;
  • L’utilisation d’énergie renouvelable et d’équipement à faible consommation d’énergie serait à privilégier;
  • L’utilisation de thermosiphons est à évaluer, si les conditions le permettent.

Impacts potentiels de l'application de la technologie sur la santé humaine

Poussière

Ne s’applique pas

S. O.

Émissions atmosphériques/de vapeur – sources ponctuelles ou cheminées

Ne s’applique pas

S. O.

Émissions atmosphériques/de vapeur – sources non ponctuelles

Ne s’applique pas

S. O.

Air/vapeur – sous-produits

Ne s’applique pas

S. O.

Ruissellement

Ne s’applique pas

S. O.

Eau souterraine – déplacement

S’applique

Modélisation des effets de la barrière requis et surveillance à l’aide de capteurs de pression

Eau souterraine – mobilisation chimique/géochimique

S’applique

Modélisation des effets de la barrière requis et surveillance à l’aide de capteurs de pression

Eau souterraine – sous-produit

Ne s’applique pas

S. O.

Accident/défaillance – dommage aux services publics

S’applique

Vérification des dossiers et obtention des permis préalables aux travaux de forage, élaboration de procédures de forage et d’intervention d’urgence

Accident/défaillance – fuite ou déversement

S’applique

Examen des risques, élaboration de plans d’intervention en cas d’accident et d’urgence, surveillance et inspection des conditions dangereuses

Accident/défaillance – incendie/explosion

Ne s’applique pas

S. O.

Autre – gestion de déblais de forage

S’applique pour la gestion de déblais de forages résultant de la réalisation des puits pour la mise en place de la tuyauterie

Examen des risques, élaboration de plans d’intervention en cas d’accident et d’urgence, surveillance et inspection des conditions dangereuses

Références

Auteur et mise à jour

Fiche rédigée par : Mahaut Ricciardi-Rigault, M.Sc., MCEBR

Mise à jour par : Karine Drouin, M.Sc., Conseil national de recherches

Date de mise à jour : 20 juillet 2018

Dernière mise à jour par : Nathalie Arel, P.Eng., M.Sc., Christian Gosselin, P.Eng., M.Eng. and Sylvain Hains, P.Eng., M.Sc., Golder Associés Ltée

Date de mise à jour : 22 mars 2019

Version :
1.2.2