Dredged Marine Sediments Geotechnical Characterisation for Their Reuse in Road Construction

A large Research European Interreg IVA Program called "Sustainable Environmental Treatment And Reuse of Marine Sediment" is running in order to better understand the Channel sediment characteristics and to develop and promote sustainable management practices for marine sediments. A total of 13 sediments localized along the Manche channel were sampled and analyzed for SETARMS project. A comprehensive series of laboratory tests were performed to characterize different sediments and to class them from a geotechnical point of view according to the French standard GTR. This will be necessary to evaluate the potential use of treated sediments. Then to determine, with GTS French guide recommendations the appropriate formulation using hydraulic binders in order to improve sediments mechanical properties. This paper presents and discusses results of physical and geotechnical characterization of different sediments sampled from different French ports. Geotechnical characterization results show that sediments are classified as fine and plastic materials with low to high organic matter content. Knowing that the variability of the sediments characteristics is one of the limits to their reuse in geotechnical applications, the results will be presented and put in prospect towards this variability and the reuse of sediment as a subgrade layer

Analyse numérique des écoulements et du transport de contaminants dans les rejets miniers entreposés dans les massifs rocheux fracturés

RÉSUMÉ Le maintien de la qualité de l’environnement et la conservation des ressources naturelles sont essentiels pour l’avenir de l’humanité. L’eau est une des ressources les plus importantes de la planète. La présence de plus en plus fréquente de pollution dans les sols et les eaux souterraines incite à utiliser les outils numériques puissants et adaptés à l’étude et à la prévision de l’écoulement et la migration des contaminants autour des sources de rejets. L’industrie minière, malgré qu’elle joue un rôle important dans l’économie du Canada, génère des eaux contaminées et une quantité importante des rejets qu’il faut bien gérer. Ces rejets miniers peuvent être entreposés dans les fosses à ciel ouvert ou enfouis dans les excavations souterraines. Les écoulements à travers ces rejets, s’ils ne sont pas bien contrôlés, peuvent constituer un risque important pour la contamination de l’environnement. Dans la nature, les roches sont constituées d’un assemblage de minéraux qui forment un squelette solide, et des vides qui permettent les transferts des fluides. Ces vides sont généralement représentés par les pores ou les fractures. Les fractures se produisent lorsque la contrainte locale excède le seuil de rupture de la roche. Dans les massifs rocheux fracturés, souvent caractérisés par une matrice de très faible perméabilité, l’écoulement du fluide est focalisé dans les fractures et il devient donc fortement hétérogène. L’objectif principal de cette thèse porte sur l’analyse numérique des écoulements et du transport de contaminants autour des rejets miniers lorsqu’ils sont entreposés dans les massifs rocheux fracturés. Le code HydroGeosphere (Therrien et al., 2005) a été utilisé pour cette fin. Ce code 3D permet de simuler l’écoulement variablement saturé et le transport de contaminants dans les milieux fracturés. Un couplage hydromécanique indirect entre les codes HydroGeosphere et Phase2 (Rocscience, 2003) et le modèle CSDS (Simon, 1999) a été développé et appliqué afin d’étudier l’effet des contraintes et de la pression d’eau sur le comportement des fractures et le changement de leur ouverture.Les simulations réalisées pour une fosse axisymétrique sous des conditions d’un écoulement non saturé et en régime transitoire ont montré que l’écoulement de l’eau et le transport de contaminants dépendent essentiellement du type du matériau de la fosse, des conditions initiales et aux limites fixées ainsi que de la nature du massif rocheux avoisinant (homogène ou fracturé). La présence des fractures affecte l’écoulement et le transport de contaminants de façon significative. Dans certains cas, l’écoulement important à travers les fractures produit une désaturation du système. La migration des contaminants est nettement plus prononcée lorsque le massif rocheux est fracturé.Les résultats des simulations présentées au chapitre 5 ont mis en évidence l’effet du gradient hydraulique régional lorsque les rejets sont entreposés dans une fosse symétrique. L’effet du gradient est plus prononcé en présence des fractures dans le roc, et la migration des contaminants est plus significative. Les contaminants atteignent alors des distances plus élevées. On montre aussi (chapitre 6) que les excavations souterraines perturbent l’écoulement et modifient la distribution des charges hydrauliques. Il n’y a pas une perte de charge dans la zone d’influence du chantier remblayé même lorsque celui-ci est remblayé avec des rejets. La présence d’une fracture horizontale à proximité du chantier influence beaucoup les écoulements et le transport des contaminants, surtout lorsqu’elle est située juste à la surface du chantier.Enfin, les résultats obtenus avec la méthode de couplage hydromécanique indirect dévéloppée durant la thèse reflètent l’effet du changement des contraintes et de la pression d’eau autour des fractures sur le changement de leur ouverture. Cette variation d’ouverture le long des joints influence l’écoulement et la migration des contaminants.Toutes les simulations réalisées à l’aide du code HydroGeosphere ont mis en évidence le rôle primordial des fractures dans le contrôle de l’écoulement et le transport de contaminants dans les rejets miniers. Ainsi, il s’avère très important de considérer les fractures ou le système de fractures présent dans le roc de façon discrète afin de ne pas sous-estimer la migration de contaminants. ----------ABSTRACT Environment quality control and natural resources conservation are essentials for humanities’ future. Water is one of the most important resources of our planet. The increase of soil and groundwater pollution incite to use powerful and adapted numerical codes for studying and predict water flow and contaminant transport around waste storage sites. Mining industry, despite its important role in the Canadian economy, produce contaminated water and a great quantity of mining wastes that must be managed. Mining wastes can sometimes be disposed into open pit or into underground excavations. In nature, rock is composed of assembled minerals forming the solid matrix, and voids enhancing fluid transfer. These voids are usually pores or fractures. Fractures are produced when local stress exceeds the local strength. In fractured media, characterized by very low matrix permeability, water flow is focalized in fractures.The principal aim of this project is numerical analysis of water flow and contaminant transport through mining wastes disposed into fractured rock mass. Different cases were considered depending on the mode of mining wastes disposal and the type of filling material. Numerical simulations using HydroGeosphere code were realized. This code allows simulation of saturated – non saturated water flow and contaminant transport through fractures and fractured media. An indirect hydromechanical coupling methodology was developed between HydroGeosphere, Phase2 and CSDS model. This methodology allows us to study the effect of water pressure and applied stresses on fracture behaviour and change of its aperture.Numerical simulations realized for an axisymmetric open pit under non saturated and transient flow conditions showed that water flow and transport of contaminants depend on filling material, initial and boundary conditions and also nature of roc mass (homogeneous roc or fractured roc). Presence of fractures has a great effect on water flow and transport of contaminants. Contaminant migration is more pronounced when roc is fractured.Results of numerical simulations realized in chapter 5 highlights the effect of hydraulic regional gradient when mining wastes are disposed into a symmetric open pit. Regional gradient effect is more pronounced in presence of fractures. Contaminant migration was more significant with fractures than for homogeneous roc and contaminants could reach more important distance.In chapter 6 of this thesis we showed that when mining wastes are disposed into underground excavations, backfilling a stope modifies water flow and hydraulic heads distribution. Also, presence of a single fracture in the vicinity of excavation has affected results of water flow and contaminant transport, especially when it is localized near excavation surface.Finally, results obtained with indirect hydromechanical coupling methodology highlighted stress and water pressure effects around fracture on its aperture change. This aperture variability along fracture could influence water flow and contaminant transport.All simulations realized with HydroGeosphere code highlighted fracture key role on control of water flow and transport of contaminants through mining wastes. Thus, it is very important to consider discretely fractures of system of fractures present in the roc to avoid contaminant migration underestimation

Use of the HydroGeosphere code to simulate water flow and contaminants transport through mining wastes disposed in a symmetric open pit within fractured rock.

Mining wastes are usually disposed into open pits or underground excavations. The adjacent rock mass is often fractured with single fractures or fracture network. These discontinuities control flow of water and transport of contaminants from mining wastes. Numerical simulations have been carried out to assess the influence of joints on underground flow in and around symmetric mine openings. Hydraulic regional gradient influence is also analyzed and discussed. HydroGeosphere, a 3D numerical flow and transport model (Therrien and al., 2005) was used to perform contaminant transport and unsaturated flow modelling. A parametric analysis was conducted by simulating various 2D cases using experimentally obtained material properties and controled boundary conditions. The effects of material hydraulic properties (i.e. the water retention curve and hydraulic conductivity function), fracture network characteristics, variable recharge rates and saturated hydraulic conductivity of the joints are investigated. The parametric analysis illustrates how water and contaminants may migrate around waste disposal areas created in fractured rock at mine sites

Essais d’aptitude au traitement des sédiments de dragage marins en vue de leur valorisation en techniques routières

International audienceIn this paper, results for an European project called SETARMS which aims to find innovative and sustainable solutions for marine dredged sediments in order to reuse them in road construction. After a first stage of a geotechnical characterization of sediments according to the GTR, the GTS recommendations were adopted to treat sediments with hydraulic binders. Hence, a formulation composed of 3% of quicklime and 6% of cement was applied for height different sediments. Specific ability tests were conducted in order to measure volumetric swelling and indirect tensile strength. Obtained results show that even if raw sediments belong to the same GTR class (A1 or A2), the treated samples respond differently to the adopted treatment formulation. Results of mechanical performance with the cure age show that most sediments don’t reach the needed criteria for reuse as sub-grade layer.Les résultats présentés dans cet article s’inscrivent dans le cadre du projet de recherche Européen SETARMS dont l’un des objectifs consiste à trouver des solutions innovantes et durables pour la gestion des sédiments marins dragués en Manche (France-Angleterre) pour une application en techniques routières, plus particulièrement en couche de forme. Après une 1ère étape de caractérisation géotechnique des sédiments de dragage selon le GTR, les recommandations du GTS ont été utilisées pour le traitement des sédiments aux liants hydrauliques. Ainsi une formulation à 3 % de chaux et 6 % de ciment est appliquée à huit sédiments. Des essais d’aptitude au traitement comprenant des mesures de gonflements volumiques (Gv) et de résistances à la traction indirecte (Rit) ont été réalisés sur les huit sédiments traités en adoptant les normes standards en vigueur en France. Les résultats obtenus montrent que malgré une même origine des sédiments et des classes GTR assez proches (A1 et A2), les sédiments traités répondent différemment aux essais d’aptitude. Ces premiers résultats, utiles à l’avancement du projet, permettent une meilleure compréhension de la problématique de traitement des sédiments aux liants hydrauliques et leur valorisation en techniques routières

Caractérisation géotechnique des sédiments de dragage marins en vue de leur valorisation en techniques routières

International audienceIn order to receive modern ships with more important size and to avoid different harbours entry siltation, significantly dredging operations are constantly required ever y year. These ports activity generate a great quantity of dredged marine sediments. In France, this quantity exceeds 45 Mm3/an. Immersion is usually adopted with respect to the national and international regulations. However, marine sediment management is facing legal, financial, technical and social difficulties that need innovative, economical and sustainable solutions and more restrictive environmental regulations.This paper presents and discusses the first results of physical and geotechnical characterization of sediments sampled from different French ports. Knowing that the variability of the sediments characteristics is one of the limits to their reuse in geotechnical applications, the results will be presented and put in prospect towards this variability and the reuse of sediment as a subgrade layer.The different sediments are classified from a geotechnical point of view and treated with hydraulic binders. Even if the sediments belong to the same geotechnical class, they show different responses in terms of mechanical behavior and in particular, swelling and tensile strength.Afin de pouvoir recevoir des navires modernes d’une taille de plus en plus importante et d’empêcher l’envasement de ports, des dragages significatifs sont constamment requis chaque année afin d’élargir et de maintenir les accès aux ports à des profondeurs suffisantes. Ces activités génèrent des volumes importants de sédiments qui, dans certains cas peuvent contenir des éléments polluants. En France, plus de 45 Mm3/an de sédiments sont dragués annuellement. Les sédiments sont généralement reargués en mer mais, vus les coûts et les réglementations de plus en plus restrictives, de nouvelles filières de gestion des sédiments doivent être appréhendées qui visent à trouver des solutions innovantes, économiques, environnementales et durables quant aux pratiques de gestion des sédiments de dragage.Dans cet article, les résultats des essais au laboratoire sont présentés et discutés. Ces essais permettent de caractériser les différents sédiments d’un point de vue physique et géotechnique. Les résultats obtenus montrent que les sédiments, malgré leur même origine, présentent des caractéristiques différentes. À la lumière de ces résultats et en se basant sur le guide français GTR, une classification des différents sédiments étudiés est établie. Cette classification nous a permis d’identifier le type et le dosage de produits de traitement à adopter

Numerical simulations of water flow and contaminants transport near mining wastes disposed in a fractured rock mass

A numerical tool, called Hydro-Geosphere, was used to simulate unsaturated water flow and contaminants migration around an open pit filled with mining wastes. Numerical simulations had been carried out to assess the influence of various factors on water flow and solute transport in and around the surface openings including recharge, properties of the waste material and presence of fractures in the surrounding rock mass. The effect of the regional hydraulic gradient was also investigated. The analyses were conducted by simulating various 2D cases using experimentally obtained material properties and controlled boundary conditions. The effects of the hydrogeological properties of the filling material (i.e., water retention curve and hydraulic conductivity function), fracture network characteristics and conductivity of the joints were assessed. The results illustrate that fractures control water flow and contaminants transport around the waste disposal area. A fracture network can desaturate the system and improve the regional gradient effect. Keywords: Hydro-Geosphere, Numerical modelling, Unsaturated water flow, Contaminants transport, Tailings, Waste rock

Simulations numériques de l’écoulement de l’eau et du transport de contaminants autour de rejets miniers entreposés dans un massif rocheux fracturé

Des simulations numériques de l’écoulement de l’eau souterraine et du transport de masse ont été réalisées pour étudier l’influence des fractures présentes dans un massif rocheux sur l’écoulement souterrain autour de dépôts miniers entreposés dans une mine à ciel ouvert. Les simulations de l’écoulement et du transport de contaminants ont été effectuées à l’aide du modèle numérique HydroGeosphere. Les analyses présentées ici ont été réalisées en deux dimensions. Les simulations incluent la zone non saturée et utilisent les propriétés des matériaux obtenues expérimentalement. Elles considèrent différentes conditions aux limites. Les effets des propriétés hydrogéologiques des matériaux (c.a.d la courbe de rétention d’eau et la fonction de conductivité hydraulique), des caractéristiques du réseau de fractures (fractures verticales seulement, réseau de fractures orthogonales) et de la perméabilité des fractures ont été étudiés. Les simulations montrent que l’écoulement de l’eau et le transport de contaminants sont fortement affectés par le type de dépôts placés dans la fosse (stériles miniers ou rejets de concentrateurs), la nature des conditions initiales et aux limites imposées et la fracturation du massif rocheux avoisinant. La présence de fractures perméables cause une migration plus rapide des contaminants provenant des rejets et le panache de contamination peut alors atteindre des distances plus élevées, ce qui peut augmenter le risque de contamination des eaux souterraines ou des eaux de surface. La perméabilité de fractures du massif rocheux autour d’une fosse de rejets miniers devrait donc être caractérisée pour améliorer la prédiction de la migration de contaminants à partir de la fosse.Produced mining wastes can be placed in open pits or underground excavations. The adjacent rock mass is often fractured and the discontinuities may control the flow of water and transport of contaminants from the wastes. Numerical simulations have been carried out to assess the influence of joints on underground flow and mass transport in and around a surface mine opening. The influence of a regional hydraulic gradient was also analyzed. To conduct these investigations, contaminant transport and unsaturated flow modelling was performed using the HydroGeosphere numerical model. Analyses including the vadose zone were conducted by simulating various 2D cases using experimentally obtained material properties and controlled boundary conditions. The effects of material hydrogeological properties (i.e., the water retention curve and hydraulic conductivity function), fracture network characteristics and joint conductivity were also investigated. The simulations show that water flow and contaminant transport are significantly affected by the type of filling material (tailings or waste rock material), the nature of initial and boundary conditions and the degree of rock mass fracture (vertical fractures or an orthogonal fracture network). Fractures significantly influence the water flow network and contaminant concentrations. In fact, the presence of joints induces a more rapid migration of contaminants from mining wastes, and the contaminant plume can reach greater distances that can increase the risk of surface and ground water contamination. The effect of the regional hydraulic gradient can be additional to that of the fracture network. Thus, the level of fracture of the rock mass must be characterized to better predict contaminant migration from open pits