Transport en fracture et interaction avec la matrice : une expérience analogique

Mémoire du CAREN, n°26, 255 p., ISBN : 2-914375-69-7We characterize in the laboratory the solute transport in a single fracture, as well as the fracture-matrix interaction during transport. Our experimental setup consists in a 100x5x0.5 cm3 synthetic plexiglass fracture, the lower wall of which is either an impervious plane, or the top boundary of a glass bead piling. A controlled volumetric rate corresponding to fluid velocities in the mm/s range is imposed through the fracture. A localized source of contaminant is simulated in the setup using a custom-made injection setup, and an optical measurement system is used to monitor in time the two-dimensional concentration field inside the fracture. This setup proves to be well-suited to the study of the coupling between flow and transport through density effects in the pre-asymptotic regime. Measuring at regular time intervals the advective mass flux field inside the fracture allows us to determine the mass m(x) that passes through a section of the fracture transverse to the flow, at position x along the fracture. An amount of solute that is trapped at the piling's surface, even without penetration of the solute inside the porous medium, is “seen” by the measurement system as lost-, and therefore, exchanged-, solute mass. Mass losses significant compared to our experimental uncertainty are measured in a geometrical configuration for which the porous wall exhibits a quasi-sinusoidal roughness: in such a configuration, low velocity zones make superficial solute trapping (up to 30% of it) possible. Gravity plays a major role in this process.Nous caractérisons en laboratoire le transport de solutés dans une fracture unique à paroi inférieure poreuse et l'interaction fracture-matrice durant ce transport. Notre dispositif expérimental en Plexiglas est constitué d'une fracture synthétique (100 cm de long, 5 cm de large, 0,5 cm de haut) présentant une interface inférieure imperméable (Plexiglas) ou perméable (couche de billes de verre). Un flux d'eau est imposé à travers la fracture à des vitesses moyennes contrôlées (~1 mm/s). Un système d'injection de colorant simule au centre de la fracture une source ponctuelle de contaminant, dont la migration est décrite par l'évolution spatio-temporelle de la concentration grâce à un système de mesures optiques. Le dispositif s'est révélé bien adapté à l'étude du couplage densitaire entre écoulement et transport dans une fracture imperméable en régime pré-asymptotique. La mesure à intervalles réguliers du flux massique advectif bidimensionnel associé au panache de soluté permet d'établir des profils de la masse m(x) qui traverse une section de fracture transverse à l'écoulement à la position longitudinale x. Une quantité de soluté piégée à la surface du milieu poreux, même sans réelle diffusion dans le milieu, est « vue » par le dispositif de mesure comme de la masse perdue, et donc échangée. Des pertes de masses significatives par rapport à notre incertitude expérimentales sont mesurées pour une fracture dont la paroi inférieure poreuse présente une rugosité ondulée. Cette configuration géométrique crée des zones de faibles vitesses permettant le piégeage superficiel d'une partie du soluté (jusqu'à 30%). Les effets gravitaires jouent un rôle prépondérant dans ce processus