HIDRÁULICA DE POÇOS. Prof. Marcelo R. Barison
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Transcrição
1 HIDRÁULICA DE POÇOS Prof. Marcelo R. Barison
2 Infiltração e Escoamento - as zonas de umidade do solo -
3 Aqüífero Livre; Aqüífero Confinado. TIPOS DE AQÜÍFEROS Representação Esquemática dos Diferentes Tipos de Aqüíferos:
4 AQÜÍFEROS LIVRES OU FREÁTICOS - Pressão do Aqüífero = P atm; - Não há camadas ou limites confinantes; Poço bombeando aqüífero livre(parâmetros hidráulicos):
5 AQUÍFEROS CONFINADOS - Pressão do Aqüífero > Pressão Atm; - TIPOS: AQÜÍFEROS CONFINADOS NÃO DRENANTES - Camadas confinantes impermeáveis Poço bombeando aqüífero confinado não drenante (parâmetros hidráulicos):
6 AQÜÍFEROS CONFINADOS DRENANTES - Camadas confinantes semipermeáveis - Permitem a passagem de água. Poço bombeando aqüífero confinado drenante (parâmetros hidráulicos):
7 REGIME REGIMES TRANSITÓRIO E PERMANENTE - termo relativo ao comportamento evolutivo do cone de rebaixamento durante o bombeamento do poço. REGIME TRANSITÓRIO - O rebaixamento evolui progressivamente com o tempo. REGIME PERMANENTE ou ESTACIONÁRIO - Estabilização do cone de rebaixamento; - Aqüífero deixa de fornecer água; - Aqüífero é um meio de transmissão. Curva rebaixamento x tempo (mostra comportamento dos regimes transitório e permanente):
8 Diferenciação do regime transitório do regime permanente:
9 ESCOAMENTO SUBTERRÂNEO Em meios naturais água percola: - por ação da gravidade; - por ação de pressões externas (bombeamento); A energia total de um fluido perfeito (Equação Bernoulli): z + p/γ a + v 2 p /2g = H = cte sendo: z = altura / carga de posição; p/γ a = carga de pressão / piezométrica; v p = velocidade de percolação intersticial; v 2 p/2g = carga de energia cinética (carga dinâmica); H = carga / energia total
10 PROPRIEDADES HIDRÁULICAS POROSIDADE Grupos de classificação de porosidade em função do tipo de material: 1) Porosidade granular ou de interstícios solos e sedimentos; 2) Porosidade de fraturas, fissuras ou fendas rochas duras e compactas; 3) Porosidade cárstica rochas solúveis (dissolução); - (Porosidade granular + de fratura) rochas sedimentares / Horizontes de transição solo-rocha.
11 Vários tipos de porosidades naturais
12 FATORES QUE INTERFEREM NA POROSIDADE: - Forma e imbricamento de grãos; - Presença de finos argilas e siltes; - Presença de cimento óxidos, carbonatos, sílica e finos; - Temperatura valores de K são expressos p/ 20 o C - Índice de vazios (e)
13 POROSIDADE TOTAL (n) - Relação entre Vv e Vt - n = Vv / Vt expressos em % p/ Fluxo Subterrâneo - Porosidade efetiva grau de intercomunicação entre os poros ne = Ve / Vt onde: Ve = volume ocupado pela água livre; Das Águas Capilares e Moleculares - Capacidade de retenção específica (ns) onde: ns = Vs / Vt Vs = volume da água retida (após escoamento da água livre ou gravitacional) Portanto: n = ne + ns
14 Porosidades Totais e Efetivas de diversos materiais
15 PERMEABILIDADE e LEI DE DARCY - Escoamento em meios porosos e granulares; - Regime laminar: o fluxo que atravessa um meio poroso homogêneo e isotrópico tem velocidade constante
16 Experimento de Darcy: Q = K. A. ( h ) L Q = K. A. i V = K. i V = vazão específica = Q / A; K = coeficiente de permeabilidade exprime a maior ou menor facilidade com que a água percola um meio poroso i = gradiente hidráulico = h / L (adimensional) representa a perda de carga hidráulica por unidade de comprimento Restrições: - Somente válido para meios porosos e granulares; - Fluxo laminar; - Deve-se considerar que os meios naturais são anisotrópicos e heterogêneos.
17 PERMEABILIDADE EM TERRENOS ESTRATIFICADOS Diferentes camadas de solos: - Valores distintos de K (vertical e horizontal); horizontal todas camadas apresentam mesmo i teoricamente Kh > Kv
18 Intervalos de Variação do K K expresso em potência negativa (10 -n cm /s)
19 DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE PERMEABILIDADE Fórmulas que correlacionam com a granulometria - Fórmula de HAZEN areias fofas e uniformes K = C (Def) 2 C=coeficiente de variação (100 a 150) - Fórmula de HONORATO & MACKENA (1975) K = 14,266. D50 2,19735 / (γd) 8,50784 Em Laboratório a) Permeâmetro de Nível Constante - Solos arenosos; - K medido pela quantidade de água que atravessa o solo Q = K.A. h. t L A = área seção transversal L = altura corpo prova h = desnível de entrada e saída d água
20 b) Permeâmetro de Nível Variável - Solos finos; - Vazão Q é medida; - p/ cada dt dh K = 2,3 L. a log 10 h1 A. t h2 a A
21 Em Campo: a) Ensaio de Bombeamento - in situ materiais abaixo NA - Fórmula de Dupuit
22 b) Ensaio de Tubo Aberto crava-se tubo de sondagem no terreno até pouco + ao atingir o NA; - Preenche-se totalmente com água; - Mede-se a velocidade de infiltração da água; - Rebaixamento h intervalo t solos arenosos = 1 a 10 min solos siltosos = 30 a 60 min solos argilosos = 1 a 24 horas
23 Ensaio de perda d água sob pressão (Ensaio Lugeon) - Para rochas porosas ou fraturadas - Executado após a perfuração rotativa - Injeção de água sob pressão (Pm) controlada por manômetro - Q controlada por um hidrômetro - Anota-se Volume injetado por determinado Tempo
24 INTERPRETAÇÃO GRÁFICA - pressões efetivas X Q (l/m) - diagramas característicos
25 Exercícios
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29 TRANSMISSIVIDADE - THEIS (1935) objetivo de avaliar a capacidade de transmissão de água pelo meio através de toda sua espessura saturada. Coeficiente de Transmissividade (T) é a vazão transmitida através de uma parcela vertical do terreno, de largura unitária (Lu), cuja altura é igual à da zona saturada, sob um gradiente unitário (i): T = Q / Lu. i T = K. b b = espessura saturada do meio
30 PERMEABILIDADE E POROSIDADE EM ROCHAS Associação de propriedades físicas, químicas e estruturais: - Propriedades Físicas coeficiente de Dilatação Térmica: quanto > Coef. Térmica > resist. Alteração - Propriedades Químicas composição química das rochas Rochas Carbonáticas carbonatação aumento K e n Rochas Brandas + susceptíveis alteração perda de cimento geração de poros (vazios) Rochas Ígneas e Metamórficas grau de sanidade da rocha teor de minerais Fe-Mg > alteração > absorção de água - Propriedades Estruturais quanto > fraturamento > permeabilidade
31 Escoamento em Meios Fraturados Escoamento permeabilidade da rocha e/ou condutividade das descontinuidades; - Rochas Sedimentares acamamento / estratificações / textura camadas - Rochas Metamórficas planos de fraturas, xistosidade, gnaissificação - Rochas Ígneas diversos padrões de descontinuidades; Intrusivas juntas de tração na superfície; Extrusivas descontinuidades sub-horizontais
32 Principais Parâmetros que influenciam o Escoamento: - Orientação espacial das famílias de descontinuidades; - Abertura das descontinuidades; - Espaçamento entre as descontinuidades; - Rugosidade absoluta das paredes.
33 Modelos de Distribuição da Permeabilidade em diferentes tipos de Maciços, em função da profundidade:
34 LEIS DE ESCOAMENTO EM FRATURAS PRINCÍPIO Mecânica dos Fluidos - condutos de seção circular constantes. APLICAÇÃO Placas paralelas (condutos retangulares) Equação de Poiseuille
35 FLUXO EM MACIÇOS ROCHOSOS - Determinação dos parâmetros hidráulicos dos Maciços Rochosos - Métodos: Amostragem de Fraturas; Ensaios Hidráulicos de Campo. MÉTODO DE AMOSTRAGEM DE FRATURAS - famílias, orientação, abertura, espaçamento, preenchimento; - Tensor de Permeabilidade: Determinação das direções principais de permeabilidade Sistemas Triortogonais Restrições não uniformidade no sistema de fraturas
36 MÉTODOS DE ENSAIOS HIDRÁULICOS DE CAMPO - Ensaio de Bombeamento / Injeção de Água Restrições: determinação do volume elementar representativo. - Para avaliações não tão precisas da Permeabilidade nos maciços: Km = e/i Kf + Kr onde: Km = permeabilidade do maciço rochoso; e = abertura de fraturas; I = espaçamento das fraturas; Kf = permeabilidade das fraturas; Kr = permeabilidade da matriz rochosa (valor desprezível).
37 BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA CAPUTO, H.P. (1981). Mecânica dos Solos e suas Aplicações., Rio de Janeiro, Livros Técnicos e Científicos, 488p. CELESTINO, T.B., Determinação de Propriedades e Parâmetros de Maciços Rochosos. In: Simp. Sul-Americano de Mecânica de Rochas, 2, Porto Alegre, Anais..., v.1, p CUSTÓDIO, E. & LLAMAS, M.R., Hidrologia Subterrânea. 2.Ed. Barcelona:Omega, 2v., il. FEITOSA, F.A.C. & MANOEL FILHO, J. (coord.), Hidrogeologia: Conceitos e Aplicações. Fortaleza:CPRM, LABHID-UFPE, 412p. FETTER, C.W., Applied Hydrogeology. 3 rd Ed., London:Prentice-Hall, 691p. FREEZE., R.A. & CHERRY, J.A., Groundwater. New Jersey: Prentice Hall, 604p. OLIVEIRA, A.M.S. & BRITO, S.N.A.de (ed.), Geologia de Engenharia. São Paulo: ABGE, 586p. QUADROS, E.F., A Condutividade Hidráulica Direcional de Maciço Rochoso. São Paulo, 2v., Tese de Doutorado, EDUSP.