EFEITO DA ÁGUA EM MINAS A CÉU-ABERTO

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1 EFEITO DA ÁGUA EM MINAS A CÉU-ABERTO redução da resistência ao cisalhamento em superfícies potenciais de ruptura devido à poropressão ou mesmo a mudanças no teor de umidade do material; o aumento das forças instabilizadoras devido à poropressão (em fendas de tração, por exemplo); a aceleração de processos erosivos em rochas alteradas por percolação de águas superficiais e em materiais de preenchimento de baixa resistência por fluxo de águas subterrâneas. custos associados ao rebaixamento de aquíferos, quando a profundidade é superior ao nível d água.

2 CICLO HIDROLÓGICO A água da terra que constitui a hidrosfera distribui-se por três reservatórios principais: os oceanos, os continentes e a atmosfera, entre os quais existe uma circulação contínua chamada ciclo da água ou ciclo hidrológico. Este ciclo é responsável pela renovação da água no planeta. Na atmosfera, o vapor de água que forma as nuvens provoca a precipitação.

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4 Volume total estimado de água na Terra: 1,5x10 9 km 3 (1bilhão e 500milhões). Aproximadamente 97% da água na Terra é salgada. Dos 3% restantes, a água doce, distribui-se da seguinte maneira: 2% congelada nas calotas polares, apenas 1% livre. De 1% de água livre metade está nos níveis profundos (mais de 800m) e a outra metade nos níveis superficiais: 47% nos aquíferos, 0,8% na umidade do solo, 0,7% do ar e 1,5% nos rios e lagos.

5 CONCEITOS BÁSICOS Porosidade: relação entre o volume de vazios (poros) e o volume total de uma rocha. Pode ser granular ou de fraturas. n V V V

6 Classificação granulométrica de solos utilizada no Brasil

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8 A água no solo Desenvolvimento de poropressões, alterando a tensão efetiva:, u A poropressão ou pressão neutra pode ser positiva ou negativa (sucção). A água pode estar em movimento ou não (condição hidrostática). A água atua como agente no processo de intemperismo.

9 Sob condição hidrostática e solo saturado, a pressão de água é triangular (cresce com a profundidade).

10 Determinar as tensões totais, pressões neutras e tensões efetivas nos pontos A, B, C e D.

11 O fenômeno de ascensão de fluidos através de tubos capilares é conhecido como capilaridade. Os vazios do solo são pequenos e podem ser comparados a tubos capilares, ainda que irregulares. Um tubo capilar inserido numa superfície líquida forma um menisco, cujo raio de curvatura e altura de ascensão (h) são inversamente proporcionais ao diâmetro do tubo. Esse fenômeno físico é consequência da tensão superficial, que ocorre em interfaces líquido-gás.

12 Em solos não saturados a água preenche parcialmente os vazios e as tensões no fluido são negativas. Nessas zonas a poropressão é negativa e é denominada sucção (efeito das forças capilares e de adsorção). Já na zona de saturação (abaixo do nível d água) a poropressão é positiva.

13 As forças de adsorção também contribuem para a existência de pressões neutras negativas. Para solos arenosos as forças de adsorção são pequenas. É possível associar a sucção somente a forças capilares. Alguns solos argilosos sofrem retração por secagem, originada por uma diminuição considerável do raio de curvatura dos meniscos capilares, o que leva a um aumento das pressões de contato e à aproximação das partículas.

14 CONCEITOS BÁSICOS Permeabilidade: maior ou menor facilidade com que a água se move no interior do terreno. Depende do número, tamanho e forma dos poros. Aquífero: rocha da qual se pode extrair água em quantidades satisfatórias para consumo. Implica capacidade de armazenamento e transmissão de água. Aquíferos livres ou freáticos: limitado na base por uma camada impermeável ou semi-impermeável e no topo pela superfície livre da água (nível freático). Aquíferos confinados ou artesianos: limitado no topo e na base por camadas impermeáveis. O nível d água define uma superfície imaginária chamada superfície piezométrica.

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16 Calcular as tensões totais e as tensões efetivas na Figura

17 AQUÍFERO LIVRE SEÇÃO VERTICAL ESQUEMÁTICA

18 ZONA DE AERAÇÃO Poros parcialmente preenchidos com água. A água ocorre na forma de películas aderidas aos grãos do solo. Na zona de aeração podemos distinguir três regiões: 1) Zona de umidade do solo: É a parte mais superficial, onde a perda de água de adesão para a atmosfera é intensa. Estado inferior ao de saturação, exceto em período chuvoso ou por irrigação. 2) Franja de capilaridade: Região mais próxima ao nível freático. Em solos mais finos, as forças de adesão e a ascensão por capilaridade são mais intensas, resultando numa maior espessura dessa região. Exemplo: silte argiloso 2,5m areias grossas 2cm 3) Zona intermediária: Região compreendida entre as duas anteriores, onde a água se move por efeito gravitacional. Também ocorre água pelicular (retida por forças capilares e higroscópicas).

19 ZONA DE SATURAÇÃO É a região abaixo do nível freático, onde os poros estão totalmente preenchidos por água. É onde se formam os reservatórios de água subterrânea; portanto é a água que pode ser aproveitada. Em aquíferos freáticos o nível de água varia conforme a quantidade de chuva. Em épocas chuvosas o nível freático cresce. Em épocas de seca um poço perfurado nesse aquífero só fornecerá água se penetrar na zona saturada além dessa variação do nível d água. O nível de água nesse aquífero (lençol freático é a superfície superior da zona de saturação. Em aquíferos confinados a água se encontra à uma pressão maior que a pressão atmosférica, o que faz com que a água suba no poço além do nível freático. Se a pressão for muito alta a água pode jorrar do poço (superfície piezométrica acima da superfície do terreno), caracterizando um poço jorrante ou surgente.

20 LEI DE BERNOULLI Princípio de conservação de energia g v z u g v z u H w w H z u z u H w w

21 FLUXO LAMINAR E TURBULENTO As bases teóricas sobre o regime de escoamento foram estabelecidas por Reynolds, em Essa experiência consistiu em permitir o fluxo de água através de uma tubulação transparente e, por meio de um pequeno funil instalado no reservatório superior, introduzir um corante no fluxo. Se o corante escoasse segundo uma trajetória retilínea, as partículas teriam trajetórias paralelas e o Regime de escoamento seria laminar. Caso contrário, o regime seria turbulento. O diâmetro D do tubo, o comprimento L do tubo e a diferença de nível h entre os reservatórios foram variados. Foi medida a velocidade de escoamento.

22 LEI DE DARCY (1856) Q ka h l Q kai A permeabilidade mede a facilidade com que a água se move no interior do terreno sob a ação da gravidade. A permeabilidade depende do tamanho, número e forma dos poros.

23 Ardósia Arenito Arenito (n=29%) Arenito siltoso Arenito de grão fino Calcário (n=2%) Calcário (n=16%) Granito Granito alterado MATERIAL Maciço com fraturas abertas de 0,1mm e espaçadas de 1m Maciço com fraturas preenchidas por argila Maciço moderadamente diaclasado Maciço muito diaclasado Maciço extremamente diaclasado COEFICIENTE DE PERMEABILIDADE (cm/s) (laboratório) 10-7 a 10-5 (laboratório) 2x10-3 (laboratório) 2x10-6 (laboratório) 2x10-7 (laboratório) 8,5x10-8 (laboratório) 10-4 (laboratório) 5x10-11 a 2x10-10 (laboratório) 0,6 a 1,5x10-5 (laboratório) 8,0x10-4 (in situ) 10-5 (in situ) 10-4 a 10-2 (in situ) 10-2 a 10 (in situ) 10 a 10 2 (in situ)

24 DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE PERMEABILIDADE EM LABORATÓRIO H

25 k d 80 cm cm/s Calcule a vazão através do solo. Calcule as cargas hidráulicas e piezométricas nos pontos A, B e C. Calcule a pressão neutra num ponto situado a 50cm acima do ponto C. Considere o peso específico da água igual a 10kN/m 3.

26 DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE PERMEABILIDADE EM LABORATÓRIO

27 DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE PERMEABILIDADE IN SITU: ENSAIO DE BOMBEAMENTO Ensaio de bombeamento num aquífero freático: Em (a) é mostrada a disposição dos poços. Em (b) a seção através do poço de bombeamento.

28 Movimento de fluidos através de meios permeáveis Generalização da Lei de Darcy a 2D e 3D: v ki k onde: dh ds s é a distância ao longo dadireção média defluxo v v v x y z k k k x y z dh dx dh dy dh dz

29 Movimento de fluidos através de meios permeáveis Se a permeabilidade é a mesma em qualquer direção: v v v x y z dh k dx dh k dy k dh dz Equação da continuidade para um fluido perfeito: v x x vy y 2 2 h h 2 2 x y vz z 2 h 2 z 0 que é a equação geral de escoamento (equação de Laplace) 0

30 Movimento de fluidos através de meios permeáveis A solução da equação geral de escoamento (equação de Laplace) é dada por: Esta solução pode ser representada por equações cujas raízes definem pontos de superfícies equipotenciais, ou seja, superfícies cujos pontos têm o mesmo potencial h 1,h 2,...h n. constante ),, ( z y x h h n z y x h h z y x h h z y x h ),, ( ),, ( ),, ( 2 1

31

32 Redes de Fluxo Para problemas planos a solução da equação de Laplace é representada pelas redes de fluxo. A rede de fluxo é o conjunto de linhas equipotenciais (carga hidráulica constante) e linhas de fluxo associadas (direção do fluxo, dada pela união dos vetores de fluxo). No caso de problemas homogêneos as linhas equipotenciais são obtidas pela solução da equação: 2 h 2 x 2 h 2 y 0 As linhas de fluxo são perpendiculares às linhas equipotenciais.

33 Regras para o traçado das redes de fluxo As linhas de fluxo são perpendiculares às linhas equipotenciais. As linhas de fluxo nunca se cruzam. As áreas entre as linhas de fluxo e as linhas equipotenciais são quadrados curvilíneos. Os limites das redes de fluxo serão definidos pelas condições de contorno do problema.

34 Rede de fluxo em talude

35 Fluxo sob cortina de contenção

36 Fluxo sob barragem de concreto

37 Queda de potencial entre equipotenciais adjacentes: h H n q, onde nq é o número dequedas de potencial Vazão por canal de fluxo: Q Q n f, onde n f é o número decanais defluxo Mas, Q Q n f e aplicando a lei de Darcy: Q kh n n f q

38 Rede de fluxo em barragem de concreto

39 Rede de fluxo em barragem de terra

40 MEDIDORES DE NÍVEL DE ÁGUA E PIEZÔMETROS O medidor de nível de água é utilizado para determinar a posição do nível freático. O tipo mais comum de instrumento é o piezômetro Casagrande; pode ser utilizado como medidor de nível d água sem todo o selo de bentonita. Consiste em um tubo com uma ponta porosa em seu extremo inferior, instalado em furo. Um fio graduado com um torpedo é introduzido no furo. Quando o nível de água é atingido um circuito elétrico é fechado, emitindo um alarme sonoro que permite a leitura da posição do nível freático.

41 Esquema de medidor de nível d água/piezômetro

42 PIEZÔMETRO CASAGRANDE

43 Ranhuras e furos para passagem de água

44 FASES DE INSTALAÇÃO DE UM PIEZÔMETRO

45 MEDIDORES DE NÍVEL DE ÁGUA E PIEZÔMETROS Apesar da vantagem da simplicidade, o piezômetro Casagrande possui um tempo de resposta muito demorado, o que dificulta sua utilização em terrenos pouco permeáveis. Nestes casos é recomendável a utilização de piezômetros pneumáticos, elétricos ou de corda vibrante, utilizados para medição da poropressão ou das pressões neutras. Estes piezômetros possuem um sensor que detecta a pressão em um ponto mediante um transdutor, que dá sinais proporcionais às mudanças de pressão.

46 O piezômetro elétrico é constituído basicamente de um elemento poroso e um transdutor eletromecânico de pressão. O transdutor transforma uma quantidade física (pressão) em um sinal elétrico. Permite detectar pequenas variações de poropressão.

47 PIEZÔMETROS DE CORDA VIBRANTE A frequência vibratória de um fio de aço tensionado a uma membrana e seu tubo principal é medida por meio de uma bobina eletromagnética. O fio é fixado em duas extremidades e fica livre para vibrar. Movimentos relativos muito pequenos entre as duas extremidades podem ser medidos. A frequência de vibração depende da tensão aplicada na corda.

48 Piezômetro de corda vibrante A medição é feita através da deformação do diafragma.

49 Escoamento em meios fraturados O fluxo em maciços rochosos fraturados ocorre preferencialmente através das fraturas por causa da baixa permeabilidade da rocha intacta. A permeabilidade dependerá das características das fraturas. Se o maciço pode ser considerado um contínuo equivalente, então a lei de Darcy será utilizada para definir o regime de fluxo; o comportamento é de um material granular.

50 CARACTERIZAÇÃO DAS DESCONTINUIDADES

51 CARACTERIZAÇÃO DAS DESCONTINUIDADES Espaçamento: distância entre descontinuidades adjacentes Orientação: atitude da descontinuidade no espaço, medida com bússola Persistência: extensão das descontinuidades Rugosidade: ondulação da superfície das descontinuidades Abertura: distância entre as paredes das descontinuidades Famílias: conjuntos de descontinuidades com orientação próxima Tamanho de bloco: bloco de rocha entre descontinuidades que se interceptam

52 No maciço rochoso representado abaixo há três famílias de descontinuidades: duas verticais de maior persistência e uma horizontal de baixa persistência. A permeabilidade será significativamente maior na direção vertical que na direção horizontal por causa da persistência.

53 Fluxo em descontinuidades planas, sem preenchimento Neste caso pode-se simplificar o problema de fluxo pelo cálculo da permeabilidade equivalente de um arranjo de descontinuidades, planas e sem preenchimento, dada pela equação válida para fluxo laminar: k 3 ge 12 b onde : k é o coeficient e de permeabili dade g é a aceleração da gravidade (9, 81m/s e é a abertura das descontinu idades 2 ) ν é a viscosida decinemática da água (1,01x10 b é o espaçamento das descontinu idades 6 m 2 / s para a água pura a 20 C)

54 Influência da abertura e do espaçamento das descontinuidades na permeabilidade

55 Fluxo em descontinuidades preenchidas k ek b f k r onde : k k f r é a permeabili dade do material depreenchime nto é a permeabili dade da rocha intacta

56 Fluxo em rochas heterogêneas k k

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