FLUID MIGRATION THROUGH GEOMEMBRANE SEAMS AND THROUGH THE INTERFACE BETWEEN GEOMEMBRANE AND GEOSYNTHETIC CLAY LINER
CONTRIBUTION A L'ETUDE DES TRANSFERTS DE MASSE AU NIVEAU DES JOINTS DE GEOMEMBRANE ET A L'INTERFACE ENTRE GEOMEMBRANE ET GEOSYNTHETIQUE BENTONITIQUE
Résumé
Composite liners are used to limit the contamination migration from landfills. Their successful performance is closely related with the geomembrane as it provides the primary barrier to diffusive and advective transport of contaminants. Critical issues on the performance of the geomembranes are the seams between geomembrane panels and the inevitable defects resulting, for instance, from inadequate installation activities. In landfills, where high density polyethylene geomembranes are usually used, seams are typically made by the thermal-hot dual wedge method. A literature review on quality control of the seams showed that, in situ, fluid-tightness of seams is evaluated in qualitative terms (pass/failure criteria), despite their importance to ensure appropriate performance of the geomembranes as barriers. In addition, a synthesis of studies on geomembrane defects indicated that defects varying in density from 0.7 to 15.3 per hectare can be found in landfills. Defects represent preferential flow paths for leachate. Various authors have developed analytical solutions and empirical equations for predicting the flow rate through composite liners due to defects in the geomembrane. The validity of these methods for composite liners comprising a geomembrane over a geosynthetic clay liner (GCL) over a compacted clay liner (CCL) has never been studied from an experimental point of view. To address the problem of fluid migration through the geomembrane seams, an attempt is made to provide a test method, herein termed as "gas permeation pouch test", for assessing the quality of the thermal-hot dual wedge seams. This test consists of pressurising the air channel formed by the double seam with a gas to a specific pressure and, then, measuring the decrease in pressure over time. From the pressure decrease, both the gas permeation coefficients, in steady state conditions, and the time constant, in unsteady state conditions, can be estimated. Experiments were carried out both in laboratory and in field conditions to study the suitability of this test to assess the quality of the seams in situ. The results obtained suggest that it is possible to assess the quality of the geomembrane seams from a non-destructive test conducted in situ by determining the time constant. To address the problem of fluid migration through geomembrane defects, composite liners comprising a geomembrane with a circular hole over a GCL over a CCL were simulated in tests at three scales. Flow rates at the interface between the geomembrane and the GCL were measured. Correspondent interface transmissivity was estimated based on final flow rates and observation of the wetted area. A parametric study was performed to evaluate the influence of the prehydration of the GCL, the hydraulic head on top of the liner and the confining stress over the liner system, on the flow rate through composite liners due to defects in the geomembrane, as well as to check the feasibility of an extrapolation of the results obtained on small-scale tests to field conditions. It was found that the transmissivity does not seem to be affected by the prehydration of the GCLs when low confining stresses were used. It also does not seem to be influenced by the increase in confining stress when non-prehydrated GCLs are used. Finally, the transmissivity does not seem to be significantly affected by the increase in hydraulic head. The results also suggest that predictions on flow rates though composite liners due to defects in the geomembrane, which are based on transmissivity values obtained in small scale tests, are conservative. Lastly, based on the transmissivities obtained in this study, empirical equations for predicting the flow rate through composite liners consisting of a geomembrane over a GCL over a CCL are proposed. Flow rates calculated using these equations are in better agreement with the flow rates measured experimentally than the empirical equations reported in literature. The new empirical equations provide design engineers with simple and accurate tools for calculating the flow rates through the above mentioned type of composite liners.
Les étanchéités composites sont utilisées pour limiter la migration des lixiviats à travers les barrières d'installations de stockage de déchets. Leur efficacité est étroitement liée à la géomembrane car cette ci agit comme une barrière primaire contre le transport diffusif et advectif des contaminants. Un point essentiel pour une bonne performance des géomembranes est la bonne qualité des soudures entre les lés de géomembranes ainsi que l'absence de défauts. Dans les barrières d'installations de stockage de déchets, où des géomembranes en polyéthylène haute densité sont le plus couramment utilisées, les soudures sont souvent effectuées par la méthode du double cordon. Une synthèse de la littérature sur le contrôle de la qualité des soudures, a démontré que, sur site, l'étanchéité des soudures est évaluée en termes qualitatifs (critères d'admission/défaillance), malgré leur importance pour assurer la performance adéquate des géomembranes en tant que barrières. D'autre part, une synthèse des études sur les défauts dans les géomembranes a démontré que leur densité est comprise en moyenne entre 0,7 à 15,3 par hectare dans les barrières d'installations de stockage de déchets. Les défauts représentent des passages préférentiels d'écoulement pour les lixiviats. Plusieurs auteurs ont développé des solutions analytiques et des équations empiriques pour prévoir l'écoulement au travers des étanchéités composites dus à des défauts dans la géomembrane. La validité de ces équations pour les étanchéités composites comportant une géomembrane associée à un géosynthétique bentonitique (GSB) placé sur une couche d'argile compactée (CCL) n'a jamais été étudiée, du point de vue expérimental. Une méthode d'essai a été élaborée pour évaluer la qualité des soudures effectuées par la méthode du double cordon, ici désignée comme "essais de perméabilité au gaz sur poche". Cet méthode d'essai consiste à pressuriser le conduit d'air résultant de l'élaboration du double cordon avec un gaz jusqu'à une pression spécifique et mesurer la réduction de la pression au cours du temps. A partir de la réduction de la pression on peut estimer les coefficients de perméation au gaz, en régime permanent, ainsi que la constante de temps, en régime transitoire. Des essais ont été effectués à la fois au laboratoire, et en extérieur avec des soudures exposées, pour étudier l'adéquation de cet essai à l'évaluation de la qualité des soudures sur site. Les résultats obtenus suggèrent qu'il est possible d'évaluer la qualité des soudures de géomembrane à partir d'un essai non-destructif effectué sur site moyennant la détermination de la constante de temps. Des essais à trois échelles différentes ont été réalisés avec des étanchéités composites comportant une géomembrane avec un trou circulaire surmontant un GSB pour étudier le problème de la migration des liquides au travers des défauts dans la géomembrane. Les débits à l'interface entre la géomembrane et le GSB ont été mesurés et la transmissivité de l'interface correspondante a été estimée. Une étude paramétrique a été effectuée pour évaluer l'influence de la pré-hydratation du GSB, de la charge hydraulique et de la contrainte mécanique appliquées sur l'étanchéité composite, ainsi que pour évaluer la viabilité de l'extrapolation des résultats obtenus dans des essais à petite échelle aux conditions de terrain. On a observé que la transmissivité ne semble pas être affectée par la pré hydratation des GSB quand des contraintes de confinement réduites ont été utilisées. La transmissivité ne semble pas non plus être influencée par l'augmentation de la contrainte de confinement quand on utilise des GSB, qui n'ont pas été préalablement hydratés. Finalement, la transmissivité ne semble pas être significativement affectée par l'augmentation de la charge hydraulique. Les résultats suggèrent aussi que les prévisions relatives aux débits au travers des étanchéités composites liés à l'existence de défauts dans la géomembrane, et basées sur les valeurs de transmissivité obtenues dans des essais à petite échelle représentent la limite supérieure des débits pouvant être observés. Finalement, à partir des valeurs de transmissivité obtenues dans cette étude, on a développé des équations empiriques pour prévoir le débit au travers des étanchéités composites comportant une géomembrane, un GSB et une CCL. Les débits calculés en utilisant les nouvelles équations proposées sont plus proches des résultats de mesure que les équations empiriques existantes. Ces nouvelles équations empiriques représentent donc pour l'ingénieur un outil validé par l'expérimentation de prévision des débits à travers les étanchéités composites.
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