Qu’est-ce qu’un drain souterrain ?

Un drain souterrain est un tuyau perforé placé dans une tranchée de remblai poreux, qui recueille l’eau située sous une chaussée et la conduit jusqu’à un exutoire. Les textes de la FAA l’appellent aussi sous-drain ou drain souterrain.

Drain souterrain, drain de rive et couche drainante

Trois termes apparaissent ensemble dans les documents de la FAA.

• Drain souterrain ou sous-drain. La circulaire FAA AC 150/5380-6C décrit les sous-drains comme des tuyaux perforés placés dans une tranchée perméable de sable ou de gravier. Un géotextile enveloppe la tranchée, et des tuyaux d’exutoire évacuent l’eau.
• Drain de rive. C’est un drain souterrain le long du bord de la chaussée. La circulaire FAA AC 150/5320-5D place normalement les drains collecteurs le long de l’accotement. Les drains situés sous la chaussée peuvent provoquer un tassement ou un soulèvement. La circulaire demande donc de les éviter lorsque c’est possible. Les grandes chaussées peuvent en avoir besoin. Le concepteur les place alors à l’écart des zones de trafic intense.
• Couche drainante. C’est une couche de la structure de chaussée qui laisse l’eau s’évacuer rapidement vers le côté. C’est aussi une couche structurelle, et elle peut faire partie de la couche de base ou de la couche de fondation. La circulaire AC 150/5320-5D indique que la couche drainante alimente un système collecteur composé de tranchées avec un tuyau de drain, du remblai et un filtre. Une chaussée sans système collecteur a besoin d’une couche de base et d’une couche de fondation qui débouchent sur les accotements. Les couches atteignent alors la surface de l’accotement, et l’eau s’en échappe.

La circulaire AC 150/5320-6G indique que les systèmes de drains de rive fonctionnent mieux associés à une couche drainante. La circulaire AC 150/5320-5D présente un drain de rive en géocomposite manufacturé comme une option, à la place d’une tranchée avec un tuyau. Elle exige une modification des normes FAA. La circulaire demande de ne l’envisager que pour les chaussées sans couche drainante.

Ce que contient un drain souterrain

La spécification de construction FAA pour les aéroports, Item D-705 Pipe Underdrains for Airports, décrit les éléments :

• Tuyau. L’article énumère plusieurs types de tuyaux. Ce sont l’aluminium ondulé, le polyéthylène ondulé, le PVC, le polyéthylène renforcé d’acier, l’acier ondulé, le béton perforé ou poreux et la fibre de verre. L’ingénieur en choisit un. La circulaire AC 150/5320-5D note que la plupart des agences routières d’État utilisent du polyéthylène ondulé ou du PVC.
• Remblai poreux. Il doit être exempt d’argile, d’humus et d’autres matières indésirables. Il doit respecter l’une des deux granulométries du tableau. Lorsque les plans prévoient deux couches, le matériau le plus fin suit le n° 1 et le matériau le plus grossier suit le n° 2.

• Géotextile filtrant. Il doit répondre à la norme AASHTO M288 classe 2 ou à un équivalent. La circulaire AC 150/5320-5D décrit un géotextile non tissé aiguilleté. Il tapisse la tranchée et empêche les fines de pénétrer dans le remblai, sans bloquer l’écoulement vers le tuyau.
• Tranchée, lit de pose et recouvrement. La tranchée est au moins aussi large que le tuyau, plus 6 pouces (150 mm) de chaque côté. Le tuyau perforé repose sur un lit de remblai granulaire de 4 pouces (100 mm). Au moins 12 pouces (300 mm) de remblai granulaire restent au-dessus du drain souterrain. Pour un tuyau en béton, les trous du tuyau perforé sont dirigés vers le bas.
• Exutoires. Le tuyau se décharge dans des exutoires construits aux emplacements indiqués sur les plans. Le remblai poreux n’est pas nécessaire autour ni au-dessus des tuyaux d’exutoire.

Pour un drain collecteur, la circulaire AC 150/5320-5D recommande un diamètre de tuyau minimal de 150 mm (6 in) et une pente minimale de 0,15 %. Le diamètre du tuyau suit le débit de pointe provenant sous la chaussée. La circulaire demande au moins 80 mm (3 in) de granulat sous le tuyau. L’Item D-705 prévoit un lit de 4 pouces (100 mm), sauf indication contraire sur les plans.

Une note d’orientation de l’Item D-705 traite des tuyaux situés dans les aires de sécurité des pistes et des voies de circulation. Ils doivent supporter la plus grande de trois charges : la charge d’une roue simple du plus grand aéronef, la plus grande charge d’équipement d’entretien ou la charge des terres.

Pourquoi les chaussées aéroportuaires en ont

L’eau affaiblit la couche de base et la plate-forme d’une chaussée souple. La circulaire FAA AC 150/5380-6C désigne cet affaiblissement comme l’une des principales causes de défaillance d’une chaussée souple. Dans une chaussée rigide, la circulation force l’eau libre située sous la dalle à sortir par les joints et les fissures. C’est le pompage. Il érode la matière située sous la dalle et crée des vides. Dans les régions gélives, l’eau souterraine provoque aussi un soulèvement lorsqu’elle gèle, puis une perte de portance lors du dégel. Un mauvais drainage souterrain peut aussi contribuer à la fissuration de durabilité (D-cracking) et au gonflement des matériaux souterrains.

La circulaire AC 150/5320-5D désigne deux sources d’eau. L’infiltration est l’eau de surface qui pénètre par les fissures, les joints, la jonction entre la chaussée et l’accotement, et les pores de la chaussée. La circulaire la considère comme la source la plus importante. L’eau souterraine provient d’une nappe haute, des forces capillaires, de la pression artésienne et des cycles de gel et de dégel. Elle compte surtout dans les régions gélives.

Les critères sous les pistes et les voies de circulation sont plus stricts que sous les aires de trafic. Pour une chaussée rigide, le pompage augmente avec le volume et la vitesse de la circulation. Pour une chaussée souple, une circulation à fort volume et à grande vitesse accroît la pression interstitielle et affaiblit la structure.

Quand une chaussée a besoin d’un système de drainage souterrain

La circulaire AC 150/5320-5D, annexe G, donne la règle pour une chaussée que l’eau peut quitter par écoulement gravitaire. Un système n’est pas exigé dans ces deux cas :

• La chaussée est située dans une zone sans gel, et la plate-forme a une perméabilité supérieure à 6 m/jour (20 ft/jour).
• La chaussée est souple, située dans une zone sans gel, et son épaisseur totale au-dessus de la plate-forme est de 200 mm (8 in) ou moins.

Toutes les autres chaussées ont besoin d’un système de drainage souterrain selon l’annexe. Même lorsqu’une chaussée remplit les conditions de l’exemption, le concepteur devrait analyser l’avantage possible. Une chaussée rigide demande un soin particulier pour que l’eau quitte rapidement le dessous de la dalle.

La circulaire AC 150/5320-6G formule une recommandation connexe. Elle recommande une couche drainante pour les chaussées qui desservent des aéronefs de plus de 60 000 livres. La zone doit présenter une humidité souterraine excessive, et les sols doivent avoir une perméabilité inférieure à 20 ft/jour (6 m/jour). Le rapport géotechnique doit justifier le besoin.

Critères de conception

La base de calcul de la circulaire AC 150/5320-5D, annexe G, est la suivante.

• Averse de calcul. Le système gère l’infiltration provenant d’une averse d’une heure de durée et d’une période de retour de 2 ans. Le débit d’entrée est l’indice de l’averse multiplié par un coefficient d’infiltration. La circulaire admet un coefficient de 0,5 lorsqu’une valeur précise est difficile à trouver.
• Temps de drainage. Une couche drainante saturée doit atteindre un drainage de 85 % en 24 heures sous les pistes et les voies de circulation. Pour les aires de trafic et les autres zones à faible vitesse et faible volume, le délai est de 10 jours. La circulaire AC 150/5320-6G donne les mêmes deux délais.
• Matériaux de la couche drainante. La circulaire définit un matériau à granulométrie ouverte comme un matériau granulaire de perméabilité supérieure à 1 500 m/jour (5 000 ft/jour). Une base perméable a une perméabilité de 305 m/jour (1 000 ft/jour) ou plus. Un matériau à drainage rapide a une perméabilité de 300 à 1 500 m/jour (1 000 à 5 000 ft/jour) et est assez stable pour servir de base ou de couche de fondation. La circulaire AC 150/5320-6G admet une couche drainante d’une perméabilité de 500 à 1 500 ft/jour sans calcul.
• Couche de séparation. Une couche située sous la couche drainante empêche les fines d’y pénétrer et fournit une plate-forme de travail. Un géotextile filtrant peut la remplacer lorsque la fondation est déjà ferme.
• Mise en place. Sous une chaussée rigide, la couche drainante est placée directement sous la dalle. Sous une chaussée souple, la circulaire AC 150/5320-6G la place directement au-dessus de la plate-forme, sauf avis contraire de l’ingénieur géotechnicien. Si la structure complète est plus mince que 300 mm (12 in), elle peut être placée directement sous la couche de surface.

Un matériau plus ouvert se draine plus vite, mais il est moins stable et plus sujet à l’ornièrage. La circulaire demande donc de garder le matériau drainant aussi dense que possible.

Exutoires et accès

Les exutoires laissent l’eau s’évacuer et permettent à l’équipe de nettoyer et d’inspecter le système. La circulaire AC 150/5320-5D recommande ces dispositions :

• Des tuyaux d’exutoire latéraux tous les 90 à 150 m (300 à 500 ft) le long du drain de rive. En ajouter un au point bas de chaque courbe verticale.
• Des tuyaux d’exutoire en métal ou en tuyau rigide à paroi pleine. Ils sont placés à environ 45 degrés par rapport à l’écoulement dans le collecteur, et ont une pente de 3 % vers l’ouvrage d’exutoire.
• Une extrémité de rejet située au moins 150 mm (6 in) au-dessus du débit de calcul de 2 ans dans le fossé.
• Des exutoires doubles, pour que les équipes puissent rincer un tronçon du collecteur par ses deux extrémités.
• Un mur de tête affleurant au talus, pour ne pas gêner la fauche, et un grillage anti-rongeurs amovible à la sortie du tuyau.
• Des balises de repérage pour chaque exutoire. La circulaire les dit recommandées mais non exigées.
• Des regards, des bassins d’observation ou des colonnes montantes, à des intervalles de 300 m (1 000 ft) ou moins, avec une colonne de rinçage entre les regards et aux culs-de-sac.

Dans les régions gélives, la circulaire demande de placer le collecteur sous la profondeur de pénétration du gel lorsque c’est possible. Elle demande aussi de placer les tuyaux d’exutoire de façon que la glace et la neige ne les obstruent pas.

Contrôle et maintenance

Un drain non entretenu peut nuire davantage à la chaussée qu’une absence de drain. La circulaire FAA AC 150/5380-6C énumère les défauts : exutoires et tuyaux de drain de rive obstrués ou colmatés, grilles anti-rongeurs manquantes, végétation qui bouche les exutoires et végétation dans les fossés latéraux. Ils laissent l’eau remonter dans la chaussée.

La circulaire AC 150/5380-6C demande un contrôle périodique des drains de rive des pistes et des voies de circulation, par exemple chaque saison, ainsi qu’après une pluie inhabituellement forte. Les signes à rechercher comprennent :

• une accumulation d’eau en surface
• de la terre accumulée au bord de la chaussée
• des fossés érodés
• des exutoires de drainage souterrain obstrués
• des tuyaux cassés ou déformés
• un remblai tassé au-dessus des tuyaux
• une décoloration de la chaussée aux joints ou aux fissures

La circulaire AC 150/5320-5D divise le contrôle en deux parties.

• Inspection visuelle. L’inspecteur mesure la profondeur des fossés. Il recherche les exutoires écrasés, une végétation trop abondante, les débris dans les ouvertures d’exutoire, l’état du mur de tête, l’érosion et les grilles anti-rongeurs manquantes. La circulaire demande cette inspection au moins une fois par an. Elle demande aussi une évaluation de l’état de la chaussée pour les dégradations liées à l’humidité. Il s’agit par exemple du pompage, du désaffleurement et de la fissuration de durabilité (D-cracking) du béton, et de la fissuration par fatigue de l’asphalte. Elle recommande cette évaluation tous les 2 ans, sous forme de relevé PCI complet ou d’aperçu succinct.
• Inspection vidéo. Une tête de caméra fixée sur une sonde souple pénètre dans le tuyau. Elle repère le colmatage, l’intrusion de sol, les tuyaux rompus et les raccords cassés. La circulaire la demande lorsque des indices de problème de drainage existent. Elle repère aussi les défauts de construction avant que le maître d’ouvrage ne réceptionne le projet.

Pour l’entretien, la circulaire AC 150/5320-5D demande de rincer les drains collecteurs et les exutoires à l’eau sous haute pression pour enlever les sédiments. Les exutoires doubles le rendent possible. Gardez fauchée la zone autour des exutoires, et dégagez les fossés et les ouvertures d’exutoire. Remplacez les grilles anti-rongeurs et les balises manquantes, ainsi que les tuyaux et les murs de tête endommagés.

Les orientations de l’EASA demandent à l’exploitant d’aérodrome d’inspecter les systèmes de drainage et de collecte des eaux pluviales au moins une fois par semaine (AMC1 ADR.OPS.B.015). La circulaire FAA AC 150/5380-6C demande aussi aux aéroports de concevoir et d’entretenir les éléments de drainage de manière à ne pas attirer une faune dangereuse. Pour le détail de conception, les deux circulaires FAA sur les chaussées renvoient à l’AC 150/5320-5, Airport Drainage Design.

Ce que fait un drain défaillant

La circulaire AC 150/5320-6G avertit qu’un recouvrement posé sur une chaussée au drainage souterrain médiocre se comporte généralement mal. La correction du drainage peut exiger la reconstruction de toute la structure de chaussée.

Le pompage est le signe visible d’une chaussée rigide. La circulaire AC 150/5380-6C et le manuel PAVER le décrivent comme une éjection d’eau et de matière par les joints ou les fissures. Il laisse des taches en surface et de la matière de couche de base ou de plate-forme près des joints ou des fissures. Le pompage seul ne prouve pas la défaillance d’un drain souterrain. La circulaire AC 150/5380-6C indique qu’un pompage près des joints signale un mauvais transfert de charge, un mauvais scellement des joints ou la présence d’eau souterraine. PAVER ne classe le pompage que lorsque le scellement du joint est défectueux.

Relevés par drone

Plusieurs signes de la liste de contrôle apparaissent en surface : accumulation d’eau, terre accumulée au bord de la chaussée et décoloration aux joints et aux fissures. Un relevé par drone peut les enregistrer. Il ne peut pas voir le tuyau, le remblai ni le géotextile situés sous la chaussée. Il faut pour cela une caméra dans la canalisation ou une fouille.