Démonstration de dragage par pompe EDDY au réservoir de Cresta

par LARRY L. HARRISON 1, Membre ASCE et HARRY P. WEINRIB

Un test de démonstration d’une nouvelle technologie de dragage à lisier respectueuse de l’environnement utilisant la «pompe EDDY», une pompe à lisier à vortex brevetée, a été effectué en 1994 au réservoir Cresta dans le nord de la Californie pour vérifier ses capacités de performance et déterminer les impacts environnementaux potentiels du dragage proposé. Le réservoir, situé sur la North Fork Feather River dans le comté de Plumas, a accumulé environ 2,3 millions de mètres cubes de sédiments, remplissant presque la moitié de sa capacité totale depuis sa mise en service en 1949. Les sédiments compromettent le fonctionnement fiable du barrage et de la centrale de Cresta (70 000 kW) en obstruant les sorties du réservoir. Depuis le milieu des années 1980, le propriétaire a mené un certain nombre d’études approfondies sur les solutions de gestion des sédiments dans le réservoir.

Pour la démonstration de la pompe EDDY, environ 7 833 mètres cubes de dépôts de sédiments sableux près du barrage de Cresta ont été dragués et remis au fond du réservoir 600 mètres en amont. La turbidité, les solides en suspension, l’oxygène dissous, le débit, la densité de la boue et le taux de production ont été contrôlés. Il a été conclu que les performances de la drague dépassaient les spécifications de production du fabricant et se conformaient facilement aux normes restrictives de qualité de l’eau. Des densités de boue supérieures à 70 % de solides en poids ont été maintenues, tandis que des pics supérieurs à 90 % ont été atteints. Des taux de production de plus de 230 mètres cubes par heure ont été observés. La turbidité maximale du panache de décharge n’était que de 12 unités de turbidité néphélométrique (UTN) de plus que la turbidité ambiante.

Contexte

Projet 2017 – Projet de système d’éclusage du canal. La pompe de dragage suspendue par câble de 8 pouces a été utilisée pour enlever le sable pour ce projet d’expansion.

Depuis 1984, le propriétaire du réservoir Cresta a évalué un certain nombre de méthodes pour résoudre les problèmes de sédiments qui s’y trouvent. et au réservoir similaire de Rock Creek situé en amont. On a envisagé le dragage à benne preneuse et le dragage par aspiration hydraulique avec élimination des sédiments par camion, par rail ou par pipeline à boues vers des sites d’enfouissement éloignés. Toutes ces options impliquent des impacts environnementaux potentiels qui pourraient nuire à l’écologie aquatique et terrestre qui préoccupe les organismes de réglementation. Le plan actuel du propriétaire prévoit un dragage limité aux barrages suivi d’un passage contrôlé des sédiments en aval pendant les crues. Pour le dragage de production, le Regional Water Quality Control Board (RWQCB) a proposé de fixer la limite supérieure de la turbidité à 25 NTU au-dessus du niveau de fond et de limiter le total des solides en suspension (TSS) à 80 mg/1 quel que soit le niveau de fond. Le propriétaire, craignant que l’équipement de dragage conventionnel ne puisse répondre à ces normes restrictives, a identifié la technologie de dragage par pompe EDDY comme une alternative qui pourrait à la fois répondre aux normes environnementales et draguer de manière économique de grands volumes de sédiments. (Han-ison, 1995)

La nouvelle pompe EDDY est une machine physiquement simple, qui ne cache pas sa conception et ses performances hydrodynamiques avancées. La pompe se compose d’un rotor dans une volute avec une buse d’aspiration et une sortie de refoulement. Les pompes pour le service de dragage sont construites en aciers alliés à haute résistance, résistant à l’abrasion. Les seules pièces mobiles sont le rotor et son arbre. La puissance rotative peut être appliquée par des moteurs électriques ou hydrauliques, ou par des arbres mécaniques provenant de moteurs diesel ou autres. Les vitesses de fonctionnement typiques sont de l’ordre de 1000 à 2000 RPM. Le rotor, situé à l’intérieur de la volute en face de la buse d’aspiration, imprime une rotation à la colonne d’eau dans la volute et le tube d’aspiration, créant un tourbillon qui aspire l’eau et les solides de la même manière qu’une tornade soulève des objets. Le tourbillon à haute énergie sert également à détacher les sédiments ou autres solides, leur permettant d’être entraînés dans le flux. Cette caractéristique permet de former des boues avec des concentrations de solides très élevées sans avoir recours à des jets d’eau ou à des têtes de coupe. Le rotor se trouve hors du flux d’écoulement, de sorte que le gravier et même les galets peuvent passer facilement dans la pompe et être évacués sans heurter le rotor. La pompe passe également facilement les chiffons, la végétation et les débris ligneux qui bloqueraient d’autres types de pompes. Les pompes sont fabriquées sur mesure par EDDY Pump Corporation dans des tailles (diamètre de décharge) allant de 0,1 mètre à 0,36 mètre pour une variété d’applications en plus du dragage.

La nouvelle technologie de la pompe EDDY promettait : 1) peu ou pas de turbidité ou de remise en suspension à l’aspiration de la drague, 2) la capacité de draguer jusqu’à la profondeur totale des réservoirs, 3) capacité à manipuler un large éventail de matériaux allant de l’argile aux galets et aux débris organiques, 4) capacité à transporter les sédiments sous forme de boue de haute densité, et effluent minimal à traiter sur le site d’élimination. En outre, la densité élevée de la boue a suggéré la possibilité de déposer la boue sous l’eau sans remise en suspension excessive, ce qui pourrait permettre au propriétaire du réservoir d’économiser des millions de dollars par rapport à l’élimination dans une décharge.

Pour vérifier la faisabilité du dragage de la pompe EDDY et du dépôt dans le réservoir, le propriétaire a conclu un accord avec «PB-MK Consultants and Engineers», une filiale de EDDY Pump Corporation, pour effectuer une étude de projet. une démonstration grandeur nature de la technologie au réservoir de Cresta. La démonstration prévoyait qu’environ 7 646 mètres cubes seraient dragués près du barrage et redéposés sur le fond du réservoir 610 mètres en amont. Les paramètres environnementaux de turbidité, de solides en suspension et d’oxygène dissous devaient être surveillés en plus des performances de la drague. Le RWQCB a imposé les mêmes limites restrictives sur la qualité de l’eau pour la démonstration que celles qu’il avait proposées pour le dragage de production.

Description de la drague

Une nouvelle drague innovante a été conçue et construite par PB-MK pour la démonstration. La drague a été construite en modules pour être transportée par camion sur le chantier en tant que chargement sans permis. C’était important pour l’accès au réservoir de Cresta, car plusieurs tunnels routiers restreignaient les dégagements. La conception modulaire a permis d’assembler efficacement la drague sans avoir à ressouder les principaux composants. Une grue a été nécessaire pour placer les principaux sous-ensembles dans l’eau en raison des berges abruptes et de l’eau peu profonde près de la rive dans la zone de mobilisation, ce qui empêchait de faire glisser ou rouler les ensembles dans le réservoir. Autrement, le seul grand équipement nécessaire à la mobilisation était un chariot élévateur à fourche.

La plate-forme principale de la barge de dragage supportant les modules de cabine de puissance et de commande, et la plate-forme de pompage à laquelle la pompe de dragage et le moteur d’entraînement étaient suspendus. Les deux plates-formes étaient reliées par une flèche avec une connexion pivot à la plate-forme principale. Une pompe EDDY avec une décharge de 0,254 mètre de diamètre, entraînée par un moteur électrique submersible à vitesse variable de 224 kW, constituait le cœur du système. L’alimentation électrique principale était assurée par un générateur diesel de 500 kW. Le contrôle de la vitesse de la pompe a été réalisé en faisant varier la fréquence de la puissance à l’aide d’un pilote de fréquence à semi-conducteurs. Une pompe à eau de rinçage de 7,6 mètres cubes/minute, entraînée par un moteur diesel, était montée sur la plate-forme principale et fonctionnait en mode d’attente pour éviter les bouchons de pipeline en cas de dysfonctionnement. Un tuyau flexible de refoulement de la pompe, d’une longueur d’environ 60 mètres, est passé de la plate-forme de la pompe à travers la flèche et sous la plate-forme principale sur un système de rouleaux, permettant à la pompe d’être levée et abaissée selon les besoins. L’équipement a été configuré pour draguer jusqu’à 30 mètres de profondeur. Des entraînements électriques ont été utilisés pour la plupart des équipements motorisés afin de minimiser tout risque de déversement d’hydrocarbures.

Un débitmètre de type induction et un densitomètre nucléaire ont été montés sur une petite barge d’instruments à l’extrémité du tuyau de décharge derrière la plate-forme principale pour surveiller le débit et la densité. Les autres instruments comprenaient une caméra vidéo sous-marine pour observer la zone d’aspiration de la drague, un sonar à balayage latéral, des turbidimètres à lecture continue, des compteurs de demande de puissance et des indicateurs de position. Un ordinateur de bord avec contrôle du système a calculé le taux de production et enregistré les données de production et de qualité de l’eau

Une canalisation en polyéthylène haute densité de 0,254 mètre de diamètre et de 550 mètres de long avec des joints thermosoudés a été prolongée de la barge instrumentée à la plate-forme de déchargement. Des flotteurs ont été attachés au pipeline à des intervalles de 4,5 mètres. À l’extrémité du pipeline, une plate-forme flottante a été conçue pour suspendre un rideau de sédiments et pour supporter un diffuseur à orifices à l’intérieur du rideau. Pour la distance de refoulement de 610 mètres, aucune pompe de surpression n’était nécessaire. Si nécessaire pour des pipelines plus longs, une pompe EDDY pourrait également servir de pompe de surpression efficace.

Malheureusement, la conception du rideau de sédiments de décharge s’est avérée infructueuse et le rideau a été retiré pendant la majeure partie de la démonstration après le démarrage initial. Malgré cela, la qualité de l’eau – les paramètres sont restés bien en deçà des exigences de l’agence. Les auteurs pensent qu’une conception améliorée du rideau aurait pu atteindre des niveaux de turbidité et de TSS encore plus bas et pourrait être nécessaire pour les sédiments à grain plus fin que ceux rencontrés au réservoir Cresta.

Opération de dragage

En fonctionnement, la plate-forme principale était positionnée par des lignes de treuil à chaque angle, attachées à des points d’ancrage à terre et au barrage. En eaux libres, des ancres marines seraient utilisées. Une commande par joystick pour les treuils de ligne d’ancrage permet à l’opérateur de déplacer la plate-forme principale dans n’importe quelle direction.

Alors que la plate-forme principale était maintenue fixe, la plate-forme de pompage était lentement pivotée autour de l’articulation par des commandes de treuil sur un arc allant jusqu’à 2,1 radians (120 degrés).

La pompe était levée ou abaissée à la profondeur de dragage par quatre lignes de treuil, une attachée à chaque coin du cadre de support de la pompe. En faisant varier indépendamment la longueur des câbles de suspension, la pompe et la buse d’aspiration ont été inclinées pour optimiser l’efficacité de l’aspiration. La capacité de contrôler. l’attitude et l’emplacement de la buse sur les trois axes ont permis de draguer le matériau avec une précision chirurgicale par rapport aux autres méthodes de dragage. En outre, la pompe était montée sur des tourillons -. dans son cadre de support afin qu’il puisse être articulé d’avant en arrière par un bélier pneumatique en même temps qu’il était balancé à travers l’arc pour draguer une bande de 2,4 mètres de large. Après chaque balancement, la drague était repositionnée pour le passage suivant.

Un débitmètre de type induction et un densitomètre nucléaire ont été montés sur une petite barge d’instruments à l’extrémité du tuyau de décharge derrière la plate-forme principale pour surveiller le débit et la densité. Les autres instruments comprenaient une caméra vidéo sous-marine pour observer la zone d’aspiration de la drague, un sonar à balayage latéral, des turbidimètres à lecture continue, des compteurs de demande de puissance et des indicateurs de position. Un ordinateur de bord avec contrôle du système a calculé le taux de production et enregistré les données de production et de qualité de l’eau

Une canalisation en polyéthylène haute densité de 0,254 mètre de diamètre et de 550 mètres de long avec des joints thermosoudés a été prolongée de la barge instrumentée à la plate-forme de déchargement. Des flotteurs ont été attachés au pipeline à des intervalles de 4,5 mètres. À l’extrémité du pipeline, une plate-forme flottante a été conçue pour suspendre un rideau de sédiments et pour supporter un diffuseur à orifices à l’intérieur du rideau. Pour la distance de refoulement de 610 mètres, aucune pompe de surpression n’était nécessaire. Si nécessaire pour des pipelines plus longs, une pompe EDDY pourrait également servir de pompe de surpression efficace.

Résultats de la démonstration

Les performances physiques de la drague ont dépassé les attentes. Des densités de boue supérieures à 70 % de solides en poids ont été maintenues, tandis que des pics supérieurs à 90 % ont été atteints. Des taux de production soutenus de plus de 230 mètres cubes par heure ont été observés. Au cours d’un essai de 6,5 heures, environ 1 681 mètres cubes ont été dragués. Le matériau dragué était principalement du sable moyen à fin avec un D-50 de 0,5 mm. La caméra vidéo sous-marine a observé que des quantités de bois flotté et de débris organiques étaient pompées dans le système sans se boucher. Dans plusieurs cas, on a observé que de gros morceaux de bois et des morceaux de béton étaient aspirés dans la pompe et refoulés par la canalisation. Des profondeurs de 15 mètres ont été bordées sans problème. Un dragage plus profond, jusqu’à la capacité de conception de 30 mètres, n’a pas été tenté car le volume d’excavation résultant aurait dépassé le volume approuvé par le permis du US Army Corps of Engineers. La démonstration de dragage a été arrêtée lorsque le volume cumulé a atteint 7 833 mètres cubes.

TABLEAU 1- DONNÉES SÉLECTIONNÉES SUR LA PRODUCTION DE DRAGAGE (PG&E, 1995)

La turbidité, les MES et l’oxygène dissous (OD) ont été mesurés à la station de contrôle en amont, près de l’aspiration de la drague, dans le panache en aval de la décharge, et à la station de conformité établie à la prise d’eau du tunnel électrique. En moyenne, la turbidité autour de la prise d’eau de la pompe. dépassait les niveaux de fond de seulement 1,2 UTN. À aucun moment, les concentrations de turbidité ou de solides en suspension mesurées à la station de conformité de la structure de prise d’eau n’ont approché les limites fixées par les agences. L’augmentation maximale de la turbidité était de 1,9 NTU et la mesure maximale des solides en suspension était de 9,0 mg/1. En aval de la plate-forme de décharge, la turbidité était bien inférieure aux limites spécifiées pour la station de conformité. L’augmentation maximale par rapport à l’ambiance était de 12 NTU. Les concentrations d’oxygène dissous n’ont pas été affectées de manière mesurable par le dragage. (Creek, PG&E, 1995)

Une drague de deuxième génération est actuellement en construction et améliorera le prototype de drague utilisé pour la démonstration de Cresta. La portabilité et la capacité de mobilisation rapide sont les principales caractéristiques de la nouvelle conception.

conclusion

• Le dragage par aspiration de lisier de pompe EDDY fournit une méthode de dragage écologiquement supérieure pour répondre aux normes strictes de qualité de l’eau.
• Très peu de turbidité ou remise en suspension des sédiments à la tête d’aspiration.
• La pompe EDDY est capable de taux de production élevés. Comparable à des dragues suceuses conventionnelles beaucoup plus grandes.
• La drague à pompe EDDY est capable de faire passer de grands volumes de débris ligneux et d’autres matières étrangères dans les sédiments sans colmatage.
• La densité élevée des boues minimise le volume d’effluents à traiter et à éliminer des dépôts de sédiments sur les hautes terres.
• La capacité de la technologie à pomper des boues denses sur de longues distances fournit une alternative au pipeline pour transporter les sédiments vers des sites d’élimination éloignés.
• Suite à la résolution des problèmes de démarrage initiaux, le prototype de drague s’est avéré capable d’un fonctionnement fiable et durable.
• Le rejet de boue de sédiments dans la colonne d’eau a entraîné de faibles niveaux de turbidité et de TSS, bien dans les limites des normes strictes de qualité de l’eau, sans l’utilisation d’un rideau de confinement des sédiments.

RÉFÉRENCES

Creek, Korbin D. et Timothy H.Sagraves, (1995), « Le dragage par pompe EDDY : produit-il
Impacts sur la qualité de l’eau ? », Conférence ASCE Waterpower ’95, p. 2246-2252

Harrison, Larry L., Wing H.Lee et ScottTu, (1995), « Sediment Pass-Through, An
Alternative au dragage des réservoirs », ASCE Waterpower ’95 Conference, p.2236-2245.

• PG&E (Département des services techniques et écologiques de Pacific Gas and Electric Co.) (1995) « Résultats de la surveillance de la qualité de l’eau pendant la démonstration de la pompe EDDY de 1994 sur le réservoir Cresta », rapport n° 402.331-95.23. RÉFÉRENCES

Creek, Korbin D. et Timothy H.Sagraves, (1995), « Le dragage par pompe EDDY : produit-il
Impacts sur la qualité de l’eau ? », Conférence ASCE Waterpower ’95, p. 2246-2252

Harrison, Larry L., Wing H.Lee et ScottTu, (1995), « Sediment Pass-Through, An
Alternative au dragage des réservoirs », ASCE Waterpower ’95 Conference, p.2236-2245.

• PG&E (Département des services techniques et écologiques de Pacific Gas and Electric Co.) (1995) « Résultats de la surveillance de la qualité de l’eau pendant la démonstration de la pompe EDDY de 1994 sur le réservoir Cresta », rapport n° 402.331-95.23.