Development of a long term monitoring network of sensitive clay slopes in Québec in the context of climate change

The Government of Québec recently initiated the deployment of a vast groundwater pressures monitoring network in postglacial marine clays to document their variations in time and improve our understanding of the relationship between failure initiation and climate in clay slopes. This project aims at evaluating the impacts of climate change on clay-slope stability and how it can be integrated in landslide risk management to improve public safety. Hydrogeological data will be acquired at sites located throughout the Québec Province’s post-glacial clay deposits to create a public georeferenced index of typical hydrogeological conditions. The project goes beyond the characterization of groundwater pressures and their variations in clay slopes. Indeed, slope deformation will be measured at several sites. Also, two sites in flat terrain will be instrumented in order to evaluate mechanical properties of clay layers in simple 1-D conditions and groundwater recharge. The unsaturated clay crust in slopes susceptible to superficial landslides will be characterized and instrumented. The current lifetime of the monitoring project has been set to a period of 25 years.

Stratigraphie du Quaternaire et phoque fossile, région de la Durantaye, Québec

Le squelette presque complet d'un phoque fossile a été découvert près de La Durantaye, Québec, dans des sédiments marins associés à la submersion de la mer de Goldthwait. Une identification préliminaire a révélé qu'il s'agit d'un phoque gris ou d'un phoque à capuchon. Le cadre stratigraphique de la région a été précisé. De la base au sommet les unités suivantes se succèdent: 1) des sables et graviers grossiers (5 m) ; 2) des rythmites de type distal (2 m) ; 3) un till rougeâtre argileux très compact (1 à 2 m) ; 4) des sables et graviers fins biens lités (2 m) ; 5) des rythmites de type proximal (2 m) ; 6) un diamicton glacio-marin à Balanus hameh (2 m) ; 7) une argile silteuse parfois très noire (où fut trouvé le phoque fossile) (3 m) ; 8) des silts sableux très fossilifères contenant parfois des blocs (5 m) ; 9) une argile grise massive (jusqu'à 50 m) ; 10) des sables et graviers littoraux (1 m) ; 11) des sédiments fluviatiles récents (1 m). Les rythmites préglaciaires et postglaciaires sont associées respectivement aux varves de Beaupré et aux sédiments varvés de la rivière Chaudière. L'extension vers l'est de la moraine de Breakeyville est également proposée. Enfin, les silts sableux marqueraient un abaissement du niveau marin caractérisé par une activité glacielle pendant l'épisode marin.The almost complete squeleton of a fossil seal has been found near La Durantaye, Québec, in marine sediments associated with the submersion of the Goldthwait Sea. A preliminary identification has revealed it to be a grey or a hooded seal. The stratigraphie setting of the region has been defined. The following units are, from bottom to top : 1 ) coarse sand and gravel (5m); 2) distal-type rythmites (2m); 3) a reddish, very compact clay till (1 to 2 m); 4) well-bedded fine sands and gravels (2) ; 5) proximal-type rythmites (2m) ; 6) a glacial marine diamicton with Balanus hameri (2m); 7) a silty, sometimes very black, clay (the fossil seal was found here) (3m); 8) very fossiliferous sandy silts occasionally containing blocks (5m); 9) a massive grey clay (up to 50m); 10) littoral sands and gravels (1m); 11) recent fluvial sediments (1m). The pre-glacial and post-glacial rythmites are associated with the Beaupré varves and the varved sediments of the Rivière Chaudière respectively. The extension of the Breakeyville moraine towards the east is suggested. Finally, the sandy silts would mark a lowering of the sea level characterized by floating ice activity during the marine episode.Das fast vollstàndige Skelett eines Seehund-Fossils wurde in der Nâhe von La Durantaye, Québec, in Meeres-Sedimenten entdeckt, die mit der Ùberschwemmung durch das Goldwaith-Meer in Verbindung gebracht werden. Eine vorlàufige Identifizierung zeigte, daB es sich um einen grauen Seehund oder einen Kapuzenseehund handelt. Der Schichtungsrahmen des Gebiets wurde prâzisiert. Von der Basis bis zur obersten Schicht findet man nacheinander die folgenden Einheiten: I) grober Sand und Kies (5 m); 2) Rythmite vom Distal-Typus (2 m); 3) ein rôtliches, sehr kompaktes Ton-Till (1-2 m); 4) feiner, gut geschichteter Sand und Kies (2 m); 5) Rythmite des Proximal-Typus (2 m); 6) ein glazial-marines Diamikton mit Balanus hameri (2 m); 7) schlammiger, manchmal sehr schwarzer Ton (hier wurde das Seehund-Fossil gefunden) (3 m); 8) sandhaltiger, sehr fossilisierter Schlamm, der manchmal Blôcke enthâlt (5 m); 9) grauer, massiver Ton (bis zu 50 m); 10) Kustensand undkiesel (1m); II) neuere Flup-Sedimente (1 m). Die voreiszeitlichen und nacheiszeitlichen Rythmite werden jeweils mit den Warwen von Beaupré und den Bander-Sedimenten des Chaudière-Flusses in Verbindung gebracht. Die Ausdehnung der Moràne von Breakeyville nach Osten wird unterbreitet. Endlich sollen die sandhaltigen Silte eine Senkung des Meeres-Niveaus deutlich machen, charakterisiert durch eine Treibeis-Aktivitàt wâhrend der marinen Episode

Le fjord du Saguenay : une physiographie et un registre exceptionnels

Le fjord du Saguenay est un laboratoire géoscientifique naturel exceptionnel. Sa physiographie et ses caractéristiques géomorphologiques, révélées par les levés multifaisceaux et de sismique-réflexion ainsi qu’une série de carottages, nous fournissent un éclairage nouveau sur l’évolution du fjord du Saguenay à partir du début de la déglaciation du fjord, il y a environ 11 000 ans, ainsi que sur l’enregistrement des différentes catastrophes naturelles majeures qui se sont produites dans la région. De plus, à cause de sa morphologie, le fjord du Saguenay est aussi un endroit de prédilection pour l’analyse des changements climatiques dans cette région du continent nord-américain. À partir de l’analyse morpho-sédimentologique du fjord du Saguenay, nous proposons de le subdiviser en trois parties : le supérieur, le moyen et l’inférieur. Le Saguenay inférieur correspond à la zone comprise entre Tadoussac (kilomètre zéro), à une profondeur d’environ 20 m, et jusqu’à environ 42 km en amont. Ce secteur est dominé par une morphologie glaciaire avec très peu d’accumulations postglaciaires. Le Saguenay moyen comprend la partie profonde du Saguenay comprise entre l’île St-Louis et la confluence de la baie des-Ha! Ha! et du Bras‑Nord. On y retrouve surtout des accumulations hémipélagiques, turbiditiques et des coulées de débris. Finalement, il y a le Saguenay supérieur qui correspond à la zone amont qui inclut le Bras‑Nord et la baie des‑Ha! Ha!. Ce secteur représente une zone d’accumulation et de comblement, surtout dans le Bras‑Nord où on retrouve le delta de la rivière Saguenay. Le fjord, en apparence tranquille, nous a révélé plusieurs traits géologiques intéressants, dont la présence de plusieurs glissements sous-marins, la présence importante de gaz dans la partie profonde et des évidences d’activités sismiques reliées aux séismes de 1663, 1870, et possiblement 1988.The Saguenay Fjord is a natural geoscientific laboratory. Its physiography and geomorphological characteristics, as revealed by multibeam sonar and seismic reflection surveys, and sampling shed a new light on the fjord evolution since the onset of deglaciation in the area, i.e. about 11,000 years ago. It also provides a record of the major natural disasters which have occurred in the area. In addition to its morphology, the Saguenay Fjord is unique for the analysis of climate change for this part of North America. From the morpho-sedimentological analysis of the Saguenay Fjord, we propose to subdivide it into three parts: Lower, Middle and Upper Saguenay Fjord. The Lower Saguenay Fjord corresponds to the sector between Tadoussac (at kilometer 0), at a depth of about 20 m, up to kilometer 42. This part of the fjord consists mostly of glacial sediments with little postglacial accumulations. The Middle Saguenay Fjord encompasses the deeper part of the fjord between Île St. Louis, and the confluence between the Bras-Nord and Baie-des-Ha! Ha!. The seafloor of the fjord, in this sector, consists mostly of hemipelagic, turbiditic and debris flow sediments. Finally, the Upper Saguenay Fjord includes the Bras-Nord and the Baie-des-Ha! Ha!. The seafloor of this part of the fjord is largely made of infilling deltaic sediments. Although apparently quiet, the fjord has revealed interesting geological information including the signature of many submarine mass movements, the presence of gas in the deeper part and evidences of seismic activities linked to the 1663, 1870 and likely the 1988 earthquakes

Field performance of four vibrating-wire piezometer installation methods

Vibrating wire piezometers provide a number of advantages over the traditional hydraulic piezometer design. There are many methods and configurations for installing vibrating-wire piezometers, with the most common being: single piezometers in sand packs (SP), multilevel piezometers in sand packs (MLSP), and fully-grouted multilevel piezometers using either bentonite (FGB) or cement-bentonite grout (FGCB). This study assesses the performance of these four different installation methods for vibrating wire piezometers at a field site possessing complex stratigraphy, including glacial and marine sediments. Pore pressure data recorded between December 2017 and July 2019 were analyzed to accomplish this objective. Data indicate that SP, MLSP, and FGB piezometers performed well. This determination is based on the fact that piezometers installed at the same depth with these arrangements recorded similar pressure variations that were coherent with the hydrogeological setting. Of the two fully-grouted installations using cement-bentonite grout, one installation failed completely due to a hydraulic short circuit, caused either by shrinkage of the grout or flow occurring along the wires of the embedded instruments. While the FGB-type piezometers used in this study worked correctly, the lack of standard methods concerning both the construction of fully-grouted piezometers is concerning. Furthermore, the lack of a standard method for mixing cement-bentonite grout likely contributed to the failure of the FGCB installations. Thus, due to the lack of guidance for both construction and grout preparation, the use of a bentonite grout removes a degree of uncertainty when fully-grouted installation techniques are used

The Saint-Jude landslide of May 10th, 2010, Quebec, Canada : investigation and characterisation of the landslide and its failure mechanism

A landslide occurred on May 10, 2010, along the Salvail River, in the municipality of Saint- Jude, Quebec. Debris of the landslide was formed of blocks clay having horst and graben shapes, typical of spreads in sensitive clays. A detailed investigation was carried out by the Ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l’électrification des transports du Québec in collaboration with Université Laval, with the objective of characterizing this landslide, determining the causes and learning about its failure mechanism. The soil involved is a firm, grey, sensitive lightly overconsolidated clay with some silt. Data from piezometers installed near the landslide indicated artesian conditions underneath the Salvail River. Cone penetration tests allowed to location of two failure surface levels. The first one starting 2.5 m below the initial river bed and extending horizontally up to 125 m and a second one 10 m higher reaching the backscarp. Investigation of the debris with onsite measurements, light detector and ranging surveys, cone penetration tests, and boreholes allowed a detailed geotechnical and morphological analysis of the debris and reconstitution of the dislocation mechanism of this complex spread.Un glissement est survenu le 10 mai 2010 le long de la rivière Salvail, dans la municipalité de Saint-Jude au Québec. Les débris de ce glissement étaient formés de blocs d’argile ayant la forme de horst et de grabens, typique des étalements dans les argiles sensibles. Le Ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l’électrification des transports du Québec et l’Université Laval ont réalisé l’investigation détaillée de ce glissement de terrain, dans le but de le caractériser, d’en déterminer les causes et d’en apprendre d’avantage sur le mécanisme de rupture. Le sol impliqué est une argile sensible grise avec un peu de silt, de consistance ferme, légèrement surconsolidée. Les piézomètres installés à proximité du glissement indiquent des conditions artésiennes sous la rivière Salvail. L’utilisation du piézocône a permis de localiser deux niveaux de surfaces de ruptures. L’un à 2,5 m sous la position initiale de la rivière, s’entendant horizontalement sur 125 m, et l’autre 10 m plus haut, allant jusqu’à l’escarpement arrière. L’investigation des débris par mesures prises sur le terrain, levées de télédétection par laser, piézocônes et forages a permis une analyse géotechnique et morphologique détaillée de ces derniers et la reconstitution du mécanisme de dislocation de ce glissement complexe

L’influence de la granulométrie sur la mesure des carbonates par la méthode du Chittick

Des études récentes sur la composition minéralogique de sédiments argileux de la vallée du Saint-Laurent incluaient l'utilisation de la méthode du Chittick pour la détermination des quantités respectives de calcite et de dolomite. Lors d'essais préliminaires de calibration, il est apparu que la granulométrie de ces phases minérales pouvait grandement influencer les résultats. Afin de quantifier ce problème, plusieurs échantillons de granulométrie variée et contrôlée ont été dosés. La méthode du Chittick s'avéra alors très bonne pour le dosage de la teneur totale en carbonates mais faible pour le dosage individualisé de la calcite et de la dolomite en raison de sa forte sensibilité à la granulométrie des carbonates et à leur surface spécifique. Ainsi, les échantillons de dolomite pure ont montré une teneur apparente en calcite de 15 à 66%, selon leur granulométrie. L'addition d'une analyse chimique de la solution résiduelle obtenue au terme de l'essai permet toutefois d'obtenir les concentrations réelles de ces deux carbonates.Recent work on the mineralogical composition of clayey sediments included the use of the Chittick method for determining the various amounts of calcite and dolomite in sediments. At the stage of preliminary calibration on pure minerals, it appeared clear that the grain size distribution of the particles tested was largely influencing the results. To evaluate this problem, numerous samples of the two minerals were prepared with various and controlled grain size distributions. The Chittick method was found adequate to obtain the total carbonate content but poor for evaluating individual phases, being very sensitive to the grain size distribution and to the specific surface area of the carbonate particles. However, the addition of a chemical analysis of the solution obtained after the test enables an exact determination of both phases

Hydrogeology of a complex Champlain Sea deposit (Quebec, Canada) : implications for slope stability

The thick sequences of marine clayey deposits which blanket the St. Lawrence Lowlands in south-eastern Canada are highly susceptible to landslides. With 89% of the population of the Province of Quebec living in this region, improving our understanding of the mechanisms causing landslides in these sediments is a matter of public security. To accomplish this goal, instruments were deployed at a field site in Sainte-Anne-de-la-Pérade, Quebec, Canada to monitor atmospheric, soil, and groundwater conditions. Field and laboratory measurements of soil geotechnical and hydraulic properties were also performed. Results indicate that the groundwater and pore pressure dynamics at the site cannot be explained using simplified site conceptual models. Further analysis indicates that groundwater dynamics and pore pressures in the massive clay deposits on-site are determined by (i) the highly-heterogeneous nature of the local geological materials (ii) the contrasting hydraulic and geotechnical properties of these materials, (iii) the presence of two unconfined aquifers at the site, one surficial and one at depth, and (iv), the presence of the Sainte-Anne River. These results were used to create a new conceptual model which illustrates the complex groundwater flow system present on site, and shows the importance of including hydrogeologic context in slope stability analysis

Performance des lieux d'enfouissement sanitaire de Laterrière et de Ste-Sophie, Québec, Canada

Ce travail décrit les caractéristiques hydrogéologiques et chimiques de deux lieux d'enfouissement de déchets municipaux localisés au Québec. Le site de Laterrière est en opération depuis 1971 dans une ancienne sablière. Sous les dépôts meubles, la topographie du sotte rocheux est marquée par une vallée qui forme une limite imperméable à l'aquifère de sable et impose un écoulement convergent de l'eau souterraine vers la rivière Chicoutimi. Le site de Ste-Sophie, en opération depuis 1976, repose sur une couche de 3,5 mètres de sables fins saturés recouvrant un lit d'argile marine. La surélévation de la nappe dans les déchets favorise un écoulement divergent vers le périmètre de la zone d'enfouissement.Un réseau de piézomètres installé en bordure des deux sites a permis pendant trente mois de prélever des échantillons d'eau et de les analyser. Dans chaque panache de contamination, l'alcalinité, les ions majeurs Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl¯, le fer, le manganèse, l'azote total et ammoniacal, les DCO et DBO5 montrent des concentrations généralement supérieures à celles de L'eau naturelle ambiante. A proximité des deux Lieux d'enfouissement, les teneurs en cadmium, chrome, nickel et plomb excèdent les normes québécoises de potabiLité de l'eau. Dans chaque cas, ta distribution des contaminants est surtout régie par le réseau d'écoulement. La dispersion hydrodynamique et les réactions géochimiques dans le sous-sol sont des processus importants d'atténuation des contaminants.This paper describes the hydrogeological and geochemical features of two sanitary landfill sites located in the Province of Quebec : Laterriere and Ste-Sophie. The main objective is to evaluate the leachate attenuation performance of each site. For this project, the Quebec Ministry of the Environment chose two sites with contrasting hydrogeological settings.The Laterriere landfill, in operation since 1971, covers an area of about 32 ha. The refuse is deposited in an old sandpit and the landfill boundary is located 400 meters away from the Chicoutimi River, 25 meters above the stream water level. The bedrock topography shows a valley under the landfill which acts an an impervious base for the sand aquifer and induces a convergent groundwater flow towards the river.The Ste-Sophie landfill covers an area of 48 ha and began operating in 1976. The refuse zone is located on flat ground 350 meters away from the Ruisseau-aux-Castors. The refuse is deposited on a 3.5 meter layer of fine sands nearly saturated overlying a marine clay bed. A water table mound is observed beneath the landfill, resulting in diverging low lines outward from the center of the Landfill.For each site, the occurence and migration of contaminants was investigated using networks of piezometers. Sampling was performed monthly over a period of thirty months and thirty parameters were analyzed on each sample. The analytical results were entered in a database and treated by statistical methods.The shape of each contamination plume is controlled mainly by the groundwater flow system. At Laterriere, the plume is restricted to a narrow path between the landfill and the river and inside a bedrock valley. This flow net has been simulated by a two-dimensional finite elements model. At Ste-Sophie, the divergence of flow lines due to groundwater mounding beneath the site causes dispersion of contaminants around the landfill. The use of an analytical solution shows that longitudinal dispersivity is a major process of contaminant migration.For the two landfills, the highest concentrations of contaminants occur directly beneath or close to the boundaries of the landfills. Total alkalinity, Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl¯, iron, manganèse, total and ammoniacal nitrogen, chemical and biological oxygen demand (COD and BOD) are much above background levels throughout the plume. Sulfate is also a major contaminant at Ste-Sophie with concentration of 1100/mg/l. The concentrations of cadmium, chrome, nickel and lead exceed the drinking water standards near the two landfill sites but they decline rapidly in the direction of flow. At Laterriere, the decline in chloride concentration measured at the discharge point S-23 is about 85 % while the decline of reactive contaminants, such as iron and COD, is respectively 98 and 99.7 %.Finally, we discuss hydrogeological criteria for landfill site selection in Quebec

Notes sur la minéralogie des sédiments fins du lac Ojibway, en particulier ceux de la région de Matagami, Québec

La minéralogie des sédiments fins glacio-lacustres du lac Ojibway est revue et commentée à partir d'un certain nombre d'analyses récentes. On constate que la minéralogie de la fraction argileuse est dominée par les minéraux felsiques tels que le feldspath et le quartz. L'illite et la chlorite prédominent parmi les phyllosilicates qui comprennent aussi des minéraux interstratifiés et des traces de vermiculite. La prédominance des minéraux felsiques dans la fraction argileuse traduit le caractère détritique de ces sédiments d'origine glaciaire. En outre, des données tirées des analyses chimiques totales et des amorphes sont aussi compilées. Deux minéraux peuvent être utilisés comme traceurs minéralogiques: la kaolinite et les carbonates. La teneur en carbonates des sédiments est mis en corrélation avec les épisodes glaciaires du Nouveau-Québec et les récurrences de Cochrane I et II. L'étude en microscopie électronique a révélé l'existence d'une structure floculée dans la fraction fine. Les carbonates et le calcium, en particulier, seraient responsables du type de microstructure observée dans les sédiments : le calcium comme agent de floculation et les carbonates comme ciment entre les particules.The mineralogy of Lake Ojibway fine-grained sediments is reviewed and discussed from recent analyses. The mineralogy of the clay fraction is dominated by felsic minerals such as feldspath and quartz. Illite and chlorite are the most abundant clay minerals which are also represented by traces of mixed-layer clay minerals and vermiculite. The dominance of felsic minerals even in the clay fraction reflects the detritic nature of these glacial sediments. Data on total chemical analysis and amorphous material are also compiled. Two minerals can be used as tracers: kaolinite and carbonates. The amount of carbonates has been correlated to glacial episodes of Nouveau-Québec and the Cochrane I and Il readvances. Electron microscopic studies have confirmed the existence of a flocculated structure in the fine fraction of the varves. Carbonates and calcium in particular have affected the microstructure of the sediment. Calcium has acted as a flocculating ion and the carbonates as cementing agent between the particles.Ausgehend von einer gewissen Anzahl neuer Analysen wird die Minéralogie der feinen glazialen Seesedimente des Ojibway Sees neu interpretiert und kommentiert. Es wird festgestellt, dap die Minéralogie der Lehmschicht von den felsitischen Mineralien dominiert wird wie Feldspat und Quarz. Illit und Chlorit sind vor allem unter den phillosilikatischen Mineralien zu finden, die auch zwischengeschichtete Mineralien und Spuren von Vermikulit enthalten. Das Vorherrschen felsitischer Mineralien in der Lehmschicht bezeugt den TrCimmer-Charakter dieser Sedimente eiszeitlichen Ursprungs. Auperdem wurden die Ergebnisse totaler chemischer Analysen und des amorphen Materials kompiliert. Zwei Minérale kônnen benutzt werden zum Aufspuren von Mineralen: Kaolinit und die Karbonate. Der Karbonatgehalt der Sedimente wird in Beziehung zu den Eiszeitperioden von Neu-Québec gebracht und zu den Rùcklàufigkeiten von Cochrane I und II. Die Untersuchung mit dem Elektronenmikroskop hat eine ausgeflockte Struktur inder Feinstruktur der Warwen auf-gezeigt. Die Karbonate und insbesondere das Kalzium kônnten verantwortlich fur den Mikrostrukturentypus, der in den Sedimenten beobachtet wurde: das Kalzium wirkt als Flockungs-lon und die Karbonate wirken als Bindemittel zwischen den Teilchen

Numerical modeling of progressive failure and its application to spreads in sensitive clays

Les étalements sont de grands glissements de terrain survenant dans les argiles sensibles. Les méthodes d’analyse de la stabilité utilisant la méthode à l’équilibre limite donnent des coefficients de sécurité élevés et ne peuvent s’appliquer à ces glissements. Le mécanisme de rupture progressive expliquerait l’initiation et la propagation de la surface de rupture et la dislocation du sol en horst et en grabens, typiques aux étalements. Une méthode numérique est présentée afin d’identifier les paramètres influençant la rupture progressive et de valider son application aux étalements. Cette méthode évalue les contraintes présentes initialement dans le talus et modélise l’initiation et la propagation de la rupture progressive. Il est démontré que les hautes pentes, fortement inclinées ayant un coefficient de pression des terres au repos élevé sont susceptibles à la rupture progressive et que la surface de rupture se propage sur une grande distance. La rupture est favorisée par un sol ayant une grande fragilité lors du cisaillement. Une faible résistance à grande-déformation du sol favorise une grande distance de propagation. Les argiles de l’est du Canada, pouvant présenter une forte sensibilité et une grande fragilité lors du cisaillement, sont donc susceptibles à la rupture progressive et celle-ci explique l’occurrence d’étalements dans ces sols.Spreads are a type of large landslide occurring in sensitive clays. Stability analyses using the limit equilibrium method give factors of safety that are too large and are therefore not applicable to this type of landslide. The progressive failure mechanism is believed to explain the initiation and propagation of the failure surface and the dislocation of the soil mass in horsts and grabens, typical of spreads. A numerical method is presented to identify the parameters influencing progressive failure and to validate the application of this mechanism to spreads. The method evaluates the stresses acting in the slope before failure and models the initiation and propagation of the progressive failure. It is demonstrated that high, steep slopes, with a large earth pressure ratio at rest, are more susceptible to progressive failure and the failure surface propagates over a large distance. Failure is more likely to occur when soil with high brittleness is involved. Soil with low strength at large deformation induces failure propagation over a larger distance. Eastern Canadian clays can exhibit high sensitivity and large brittleness during shear and are susceptible to progressive failure, which explains the occurrence of spreads in these soils