Transporte de sedimentos Josué Souza de Gois
MOTIVAÇÃO O que aconteceu??
MOTIVAÇÃO Porque ocorre maior deposição na margem interna da curva?
Cota (m) RECORDANDO... HIDROLOGIA... Os cursos d água naturais estão permanentemente agindo sobre os leitos, erodindo, transportando e depositando sedimentos em busca do seu perfil de equilíbrio processo evolutivo que envolve toda a bacia hidrográfica do rio, grande quantidade de material sólido é levado para os corpos d água receptores, que são outros rios, Perfil do talvegue principal lagos ou oceanos 1060 1040 1020 1000 Perfil Longitudinal i1 i2 i3 980 960 940 920 900 880 860 840 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 distância (m)
INTRODUÇÃO Divisão da bacia hidrográfica Alta bacia ou curso superior Alta declividade e velocidades elevadas Sedimentos bem graduados desde argilas a grandes blocos Tendência erosiva forte, vale encaixado e leito retilíneo Média bacia ou curso médio Média declividade e velocidades médias menores que no trecho alto Moderada sinuosidade Escavação das margens Maiores vazões - menores velocidades - formação de bancos ou ilhas Baixa bacia ou curso inferior Baixa declividade longitudinal e baixa velocidade Reduzida ação erosiva, limitada pela proximidade altimétrica do nível de base
INTRODUÇÃO
INTRODUÇÃO Fenômenos hidráulicos com fronteiras fixas formulação analítica bem definida Escoamentos com fronteiras móveis (escoamento bifásico) Fenômenos muito complexos formulação analítica não abrangente FORMULAÇÕES EMPÍRICAS
INTRODUÇÃO Transporte de sedimentos deve ser considerado em projetos de obras hidráulicas, tais como: Estabilidade dos leitos de rios e canais não revestidos tendo em vista a conservação e a navegação Previsão de assoreamento dos reservatórios de barragens Tomadas d água para usos diversos Hidráulica marítima em projetos portuários, melhoramento de foz e de proteção de costas Erosão de margens rio Taquari (MS) Assoreamento - rio Tocantins (TO)
INTRODUÇÃO Retirada de sedimento do reservatório de Pampulha, Belo Horizonte (MG) (04/03/1985) Volume morto... Remoção do sedimento da boca da tomada d água UHE, Mascarenhas/ESCELSA no Rio Doce (ES) (20/08/1991)
RESPOSTA FLUVIAL EXEMPLO: Construção de uma barragem
RESPOSTA FLUVIAL EXEMPLO: Redução de Q e aumento de Qs A redução da vazão líquida e o aumento da vazão sólida podem ser devidos à maior utilização da terra (uso consuntivo na irrigação e desnudamento de terrenos), ou a alterações climáticas. Aumento da declividade elevação do leito e do nível d água, redução da profundidade rebaixar o nível d água. É mais provável que a elevação do leito supere a redução de profundidade, resultando em níveis de enchente superiores aos previstos, e aumentando prejuízos com as inundações. Efeitos opostos ocorrem com o aumento da cobertura vegetal da bacia hidrográfica.
PROPRIEDADES DO ESCOAMENTO EM LEITO MÓVEL Origem dos sedimentos Sedimentos originados na área da bacia hidrográfica e trazidos por lavagem superficial sedimentos mais finos Sedimentos erodidos no próprio leito e margens pelas correntes.
INTRODUÇÃO Escoamento energia suficiente início do transporte sólido (condição crítica) material de fundo começa a se mover e é transportado no sentido do escoamento Vazão sólida estágios de transporte sólido surgem ondulações na superfície do fundo alterações da rugosidade (resistência ao escoamento) afetar a vazão líquida valores suficientemente elevados da velocidade de escoamento as partículas mais finas do fundo podem entrar em suspensão no meio do líquido
MODALIDADES DO TRANSPORTE Arrastamento de fundo: as partículas sólidas deslocam-se junto ao fundo por rolamento ou escorregamento sobre outras partículas, sem perder contato com o fundo Suspensão: as partículas sólidas deslocam-se no meio do escoamento sem entrar em contato com o fundo. Saltitação: as partículas sólidas são alternadamente transportadas por arrastamento e em pequenos saltos (híbridos das outras 2 modalidades)
MODALIDADES DO TRANSPORTE AREIA X ARGILA Não coesivos coesivos
EQUILÍBRIO DOS ESCOAMENTOS COM FUNDO MÓVEL vazões líquidas e sólidas não permanecem constantes condições de fronteiras variáveis Equilíbrio dinâmico ou de regime: situação em que o leito, embora sujeito a variações sazonais, acaba por retornar periodicamente a uma topobatimetria semelhante equilíbrio pode ser rompido por: alterações nas condições de alimentação das vazões líquidas e sólidas, alterações das características do escoamento mudança na geometria dos canais tendência fluvial será sempre de buscar um novo equilíbrio em função das novas condições
PROPRIEDADES DO ESCOAMENTO EM LEITO MÓVEL Perfil de velocidades (v) em profundidade (y crescente a partir do leito) em escoamento turbulento rugoso obedece a uma tendência que pode ser aproximada pela lei logarítmica de velocidades: v u * 2,3 log k y k s 8,5 u * hj v : velocidade local do escoamento à distância y do fundo u * : velocidade de atrito do escoamento (: peso específico da água, : massa específica da água, h: lâmina d água, J: declividade da linha de energia) k: constante de Von Karman (= 0,4 em água límpida / = 0,2 em água muito turva) k s : rugosidade equivalente do leito Esta lei tem sido verificada por diversos autores em observações de campo, sendo que os maiores desvios em relação às medições ocorrem mais próximo da superfície livre, devido ao atrito do escoamento com o ar
PROPRIEDADES DO ESCOAMENTO EM LEITO MÓVEL Quando se sobrepõem dois ou mais sistemas de rugosidades num escoamento as contribuições de cada um dos sistemas podem ser calculadas separadamente e adicionadas para determinar-se o valor total da perda de carga Resistência das margens varia muito pouco com o regime de escoamento Para canais largos resistência de fundo Resistência de fundo pode ser decomposta em: rugosidade dos grãos ou rugosidade superficial rugosidade de forma: devida às conformações de fundo que o leito forma quando há transporte sólido k s k ' s k '' s k s a rugosidade equivalente total ( ' = superficial / "= de forma)
CONFORMAÇÕES DE FUNDO Crescimento progressivo da velocidade do escoamento (e da tensão de arrastamento no leito), o leito móvel passa a apresentar em ordem sequencial as seguintes conformações
CONFORMAÇÕES DE FUNDO Rugas são ondulações sensivelmente regulares, de forma aproximadamente sinusoidal, alturas da ordem dos centímetros e comprimentos de onda da ordem dos decímetros Dunas são ondulações mais irregulares e exibem um talude de montante mais suave em relação ao mais íngreme de jusante, possui alturas da ordem dos decímetros e comprimentos de ondas da ordem dos metros Antidunas são formações aproximadamente sinusoidais com dimensões semelhantes às dunas, apresentando-se sempre em fase a ondas de superfície livre (regime torrencial do escoamento) cuja forma pode se propagar para montante, jusante ou ainda ser estacionária
PROPRIEDADES DO ESCOAMENTO EM LEITO MÓVEL As dimensões dos sedimentos influem tanto na rugosidade superficial de fundo como na mobilidade do mesmo Curva granulométrica de material em suspensão e do leito no Rio São Francisco, em Pirapora (MG).
INÍCIO DO TRANSPORTE SÓLIDO POR ARRASTAMENTO Parâmetros envolvidos Propriedades intrínsecas da água: viscosidade dinâmica () e massa específica () Propriedades do material granular: dimensão (D), massa específica ( s ) e peso específico submerso ( s '), forma dos grãos e da curva granulométrica Dinâmica do escoamento: profundidade (h), velocidade de atrito (u * ) e forma da seção transversal Conceitos de tensão de arrastamento crítica no leito e o de velocidade crítica de erosão, abaixo de cujos valores o movimento dos sedimentos é insignificante correlações empíricas diversas formulações mostra certa discrepância entre os resultados obtidos por vários autores
INÍCIO DO TRANSPORTE SÓLIDO POR ARRASTAMENTO Diagrama de Shields observações experimentais em escoamentos permanentes unidirecionais e próximos do regime uniforme, com água sem sedimentos em suspensão, sobre leito plano de material solto de granulometria uniforme Onde: X2: parâmetro de Shields X1: número de Reynolds de atrito da partícula s ' s u * água 0 água : peso específico submerso dos grãos : velocidade de atrito do escoamento D: Diâmetro característico dos sedimentos (D50) n: viscosidade cinemática da água 0 : corresponde a tensão tangencial que tende a arrancar as partículas sólidas do leito móvel
INÍCIO DO TRANSPORTE SÓLIDO POR ARRASTAMENTO Diagrama de Shields escoamentos naturais correntes, isto é com valores elevados de X 1 considerar X 2c (valor crítico) como 0,06 proporcionalidade direta entre a tensão de arrastamento crítica e a dimensão do material As tensões críticas de arrastamento para materiais não coesivos grosseiros considerando ângulo de repouso do material e talude da margem são: no fundo / m 2 0,8 D cm kgf 75 0. Nos taludes: ' 0 K. 0 D 75 : diâmetro correspondente a 75% em peso de material de diâmetro inferior K: função do ângulo de repouso do material e do ângulo dos taludes com a horizontal
INÍCIO DO TRANSPORTE SÓLIDO POR ARRASTAMENTO Exemplo de relação entre velocidade média do escoamento e dimensão dos grãos de sílica (Hjülstron, 1977)
CÁLCULO DO TRANSPORTE SÓLIDO DE FUNDO Várias formulações complexidade das relações não se conseguiu elaborar uma expressão analítica de aplicação absolutamente geral formulações não diferem essencialmente na sua estrutura válidas dentro das condições experimentais que serviram de base para o seu estabelecimento
TRANSPORTE SÓLIDO EM SUSPENSÃO Distribuição da concentração de sedimentos transportados em suspensão concentração de sedimentos aumenta com a proximidade do leito O fluxo ascendente das partículas é equilibrado em média pelo efeito gravitacional Expressão de Rouse
TRANSPORTE SÓLIDO EM SUSPENSÃO Distribuição da concentração de sedimentos transportados em suspensão z c h y y 0 c y h y 0 0 Onde: C: concentração do material em suspensão à distância y do leito; C0: concentração de referência; z: Expoente da Lei de Rouse: w: velocidade de queda, sedimentação ou decantação da partícula; k: constante de Von Karman: k=0,4 (água limpa) u*: velocidade de atrito do escoamento.
TRANSPORTE SÓLIDO EM SUSPENSÃO sedimentos mais finos distribuição mais uniforme em profundidade numa mesma condição de escoamento (u * ) menor velocidade de decantação e menor z maior a energia do escoamento (proporcional a u * ) maior a uniformidade da concentração em profundidade para um mesmo sedimento (portanto com a mesma velocidade de decantação) menores valores de z Distribuições verticais de concentração de sedimentos em suspensão que podem ocorrer numa corrente líquida. (CARVALHO, 1994)
TRANSPORTE SÓLIDO EM SUSPENSÃO Cálculo da vazão sólida em suspensão vazão sólida em suspensão por unidade de largura (qss) obtém-se integrando o produto da concentração pela velocidade do escoamento em toda a profundidade h q ss cvdy y 0
TRANSPORTE SÓLIDO TOTAL transporte sólido efetivo função do balanço entre a capacidade de transporte sólido das correntes e a disponibilidade de sedimentos a serem transportados (aporte sedimentar) TENDÊNCIA A UM EQUILÍBRIO DINÂMICO Esquema ilustrativo do transporte sólido efetivo numa dada seção em função da dimensão característica dos sedimentos