Artigos cientificos e sugestões de temas para TCC - ENGENHARIA CIVIL

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RESSUSPENSÃO DE SEDIMENTOS COESIVOS
L. M. B. Mazuqui
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
C. L. Ramos
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
RESUMO: A linha de pesquisa sobre Transporte e Ressuspensão de Sedimentos de Material
Coesivo iniciou-se com o estudo de caso do Rio Pinheiros na Região Metropolitana de São Paulo,
cujo leito é constituído predominantemente por material fino na faixa granulométrica do material
silte, decorrente da erosão das formações geológicas da região, que possibilita este tipo de
contribuição sólida e de sua própria condição de canal artificial, cujas características permitem o
assoreamento deste tipo de material. O estudo do caso que originou a pesquisa tinha como um dos
objetivos o de estudar a dinâmica de transporte destes sedimentos finos, não somente tendo em
vista aspectos técnicos e econômicos que envolvem os periódicos serviços de dragagem, como
também os aspectos ambientais decorrentes da maior susceptibilidade de poluição dos sedimentos
finos. Dentro destes dois enfoques é importante conhecer como é a dinâmica dos sedimentos do
leito, uma vez que se não for dragado pode ser transportado pela corrente líquida a outros corpos
d’água causando sempre algum tipo de impacto.
1. INTRODUÇÃO
1.1 Os Sedimentos Coesivos
Em sedimentologia, define-se como sendo
sedimentos coesivos as frações que apresentem
granulometria inferior ao limite entre as areias
e os siltes que, segundo a AMERICAN
GEOPHYSICAL UNION-AG.U.* (apud –
VANONI, 1977), corresponde ao diâmetro de
peneiramento igual a 0,062 mm. Uma
característica básica é que apresentam
“coesão” e “plasticidade” (na faixa dos siltes, a
composição de solo pode não apresentar
plasticidade). Os sedimentos coesivos, por
apresentarem uma elevada superfície
específica, têm uma predisposição ao
surgimento de forças de natureza físico-
químicas que muitas vezes superam o próprio
peso individual das partículas. Nos solos
argilosos, esta característica é marcante.
A origem dos sedimentos fluviais
basicamente se deve ao processo erosivo da
bacia contribuinte. O impacto direto das gotas
precipitadas sobre o solo tem um efeito de
desagregação das partículas, principalmente as
mais finas, que entram em suspensão. O
escoamento superficial carreia grande parte
destes sedimentos por toda a encosta. Esta
forma de erosão pode ocorrer por igual em
toda a superfície, sem uma definição clara de
canais, ao que se denomina de erosão laminar,
ou pode concentrar-se em zonas de depressão
natural, em forma de enxurradas com grande
capacidade de transporte, dando origem ao que
se denomina de erosão linear, em forma de
sulcos, na sua manifestação mais branda, até
atingir proporções maiores em forma de
ravinas ou até vossorocas. Durante o percurso,
os sedimentos erodidos sofrem consecutivas
interceptações e interrupções de deslocamentos
e apenas parte destes sedimentos é que
efetivamente adentra os corpos d’água
receptores. Dentro destes corpos d’água haverá
uma seleção dos sedimentos, por dimensão,
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fazendo com que os mais finos se desloquem a
distâncias mais longas.
Estes finos, dependendo de certas
condições, poderão adquirir cargas elétricas
que serão importantes para explicar o
fenômeno da floculação e consequente
sedimentação, uma vez que, como partículas
individualizadas, se houvesse turbulência do
escoamento, isto não ocorreria. (Ikeda,1997).
1.2 Interação dos sedimentos coesivos
As propriedades físico-químicas dos solos
coesivos dependem fundamentalmente da
interação sedimento-água. Os íons de uma
solução eletrolítica são uniformemente
distribuídos, em movimentos brownianos. Nas
vizinhanças do contorno das partículas sólidas
carregadas existe uma região denominada de
“Dupla Camada” onde elas tendem a se
ordenar e desta forma influenciam o
comportamento das argilas apud Ikeda (1997).
A formação desta “Dupla camada” resulta
numa estrutura ordenada na solução eletrolítica
adjacente aos cristais de argila, tendendo a
uma distribuição mais difusa à medida que se
afasta do campo elétrico potencial formado.
As partículas isoladas de sedimentos coesivos,
devido à sua reduzida dimensão e peso, tendem
a manter-se em permanente suspensão em
escoamentos turbulentos, uma vez que as
componentes ascencionais superam a força
gravitacional. Porém, quando os sedimentos
são transportados, em determinadas condições
químicas da água, podem surgir esforços de
natureza físico-química que geram atração ou
repulsão entre as partículas, dependendo de
cada caso. Este fenômeno pode ser explicado
pela Teoria da Estabilidade Coloidal, mais
conhecida por DLVO.
Em resumo, a soma da energia potencial de
repulsão, VR (repulsão eletrostática), e da
energia potencial de atração, VA (energia de
Van der Walls), podem gerar uma resultante de
atração e, neste caso, o colóide não é estável,
ocorrendo a floculação. Caso ocorra o
contrário ele será estável permanecendo as
partículas sempre dispersas.
No movimento browniano dos sedimentos
em suspensão ocorrem choques intermitentes
que, caso VA>VR, há uma tendência à
formação de aglomerações denominadas de
flocos, caracterizada pelo diâmetro do floco.
Em processo semelhante, da união destes
flocos formam-se os agregados de flocos que,
por sua vez, irão formar uma rede de
agregados (figura 1).
A floculação é o primeiro estágio do
processo de sedimentação de sedimentos finos.
A colisão e/ou interfloculação entre as
partículas pode ser considerada como o
movimento descrito por Brownian, por
velocidades gradientes e por deposições
diferenciadas.
Figura 1- Exemplo de floculação
(Partheníades, 1965)
Em estuários e rios e para sedimentos finos,
o movimento browniano pode ser dominante
apenas no primeiro estágio de floculação e na
formação primária de flocos.
Para efeitos práticos Partheníades (1995)
sugere que este efeito deva ser desprezado.
A velocidade gradiente é o mais importante
agente de floculação, não apenas do ponto de
vista de colisão mas também porque molda e
determina as propriedades básicas dos flocos e
especificamente a dimensão, a densidade e a
resistência dos flocos e agregados de elevada
ordem.
As deposições diferenciais tornam-se
dominantes em comparação com as
velocidades gradientes referentes aos fatores
de floculação somente em águas paradas ou
quase paradas, assim como os estuários
marinhos durante as estofas de maré. As
deposições rápidas tem sido observadas em
regiões de pouca profundidade, durante estes
períodos.
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2. TRANSPORTE E DEPOSICÃO DE
SEDIMENTOS COESIVOS
No inter-relacionamento entre os
sedimentos coesivos no processo de transporte,
podem ocorrer as seguintes situações:
transporte em suspensão horizontal , suspensão
horizontalmente estacionária com alta
densidade , leito fracamente consolidado e
leito fortemente consolidado ( Mehta et
al,1989).
O transporte horizontal em suspensão dos
sedimentos finos ocorre quando os sedimentos
formam flocos e sofrem um processo chamado
deposição ou sedimentação, que fará com que
estes desçam para perto do leito formando uma
região altamente concentrada mas ainda não
depositada. Esta situação é definida pela
suspensão horizontalmente estacionária com
alta densidade . Porém, se neste momento
ocorrer um aumento da tensão do escoamento,
de modo a separar estes flocos, os sedimentos
entrarão novamente em suspensão mesmo não
tendo sido depositados. Este fenômeno chama-
se “realimentação”. (Ikeda,1997).
Com o aumento da rede de agregados, os
sedimentos começam a se depositar no fundo
formando o que se chama “leito fracamente
consolidado”(Ikeda,1997). Com o recebimento
de novas cargas de sedimentos é acarretado um
processo de adensamento do material
formando um “leito fortemente consolidado”,
devido ao adensamento que estas cargas
provocam.
Em qualquer um destes dois últimos casos,
dependendo das condições do escoamento,o
material pode voltar à suspensão. Neste caso
este processo chama-se “ressuspensão”
(Ikeda,1997). Estas situações são representadas
no esquema da figura 2.
3. DESENVOLVIMENTO DOS ENSAIOS
A amostra de sedimentos ensaiada é
proveniente do Rio Pinheiros, sendo
constituída predominantemente por siltes e
com frações menores de argila e areia. O
resultado do ensaio de granulometria, realizado
pelo Laboratório de Mecânica dos Solos da
Escola Politécnica da Universidade de São
Paulo forneceu a seguinte constituição: 34%
argila, 49% silte e 17% areia, segundo a
Classificação da American Geophysical Union
– A.G.U., apud Vanoni (1977). Portanto, trata-
se de material silto-argiloso com pouca areia.
A densidade dos grãos é de 2.590 kg/m3.
Figura 2 - Estados físicos do leito e processos
de transporte de sedimentos coesivos. (Mehta
et al, 1989)
Quanto à sua composição mineralógica,
foram encontradas os seguintes minerais
através de ensaios de Difratometria de raio-X,
realizado no laboratório de Engenharia de
Minas da Escola Politécnica da Universidade
de São Paulo: Quartzo, Caolinita, Mica-
Muscovita, Brushita, Goethita, Gibsita,
Feldspato-microclínio e Feldspato-anortita.
Os ensaios foram realizados em um canal de
laboratório de circuito fechado (Fotografia 1),
que possui as seguintes dimensões principais:
comprimento : 16,0 m; largura: 05 m;
profundidade: 0,5 m; vazão máxima 252 m3/h
e declividade máxima 0,0257 m/m.
Foram realizados um total de 28 (vinte e
oito) ensaios, com vazões variando de 30 m3/h
(0,00833 m3/s) a 180 m3/h (0,0500 m3/s),
declividades variando de 0,001551 a 0,01454
m/m e tempos variando de 450 a 3050
minutos.
Os níveis d’água, bem como os do leito,
foram determinados por leituras de ponta
limnimétrica. Esta ponta ficava instalada num
carrinho que percorria os trilhos sobre o canal.
O material utilizado foi obtido da dragagem
de leito. Este material foi seco, destorroado e
peneirado. Após este processo, colocou-se o
material dentro do canal despejando-o de
forma a manter uma espessura mais ou menos
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constante de aproximadamente 10 cm. Foram
realizados ensaios com condições de leito
fracamente e fortemente consolidados.
Após a disposição do material, vedou-se o
canal a jusante com um septo para que se
pudesse proceder o seu enchimento com água
de forma muito lenta. Fazia-se o recobrimento
com uma lâmina de água de cerca de 15 cm,
umidificando e acomodando o leito, obtendo
assim a condição correspondente a a de leito de
deposição recente, fracamente consolidado.
Para uma condição correspondente a de leito
fortemente consolidado, procedeu-se à
aplicação de uma carga uniforme de
compressão ao longo do leito. Esta compressão
foi mantida durante 24 (vinte e quatro) horas,
impondo-se recalques imediatos no leito que
variaram de 1,0 a 1,2 cm. Em alguns ensaios
procedeu-se da mesma forma citada
anteriormente, e após este recalque imediato,
deixou-se o leito secando e exposto ao ar, em
alguns ensaios por aproximadamente três
meses e outros por aproximadamente 21 (vinte
e um) dias, simulando afloramento de
sedimentos em reservatório. Para a
determinação da tensão de cisalhamento real
do leito utilizou-se o critériio de correção de
Vanoni e Brooks (1957), apud Vanoni (1977).
Fotografia 1- Vista geral do canal
sedimentométrico
4.RESSUSPENSÃO DE SEDIMENTOS
COESIVOS
As equações gerais apresentadas na revisão
bibliográfica para sedimentos finos, segundo
Mehta-Partheníades (1982), segue uma relação
mono-logarítmica. Ikeda (1997) utilizou a
mesma estrutura para a determinação da
equação de ressuspensão para sedimentos na
faixa dos siltes com leitos fracamente
consolidados. Nesta continuidade de pesquisa
esta metodologia não foi alterada, tendo sido
feito o ajuste de curva com uma expressão do
tipo:
ba.)ln( sb +t-t=e (1)
onde “a” e “b” são parâmetros de ajuste da
regressão, tb representa a tensão de
cisalhamento do escoamento sobre o leito, ts é
a tensão de início de ressuspensão do
sedimento e e a razão de erosão. Convém
observar que Mehta e Partheníades (1982)
verificaram haver um incremento de ts com a
profundidade do leito devido principalmente
ao adensamento.Na condição crítica de início
de transporte, tem-se:
eo = eb e tb = ts (2)
Uma das formas de avaliação da razão de
erosão dos sedimentos do leito pode ser feita
através do levantamento das concentrações
(medidas a jusante do canal) ao longo do
tempo dos ensaios. Esta metodologia foi
utilizada por Ikeda (1997), com resultados
pouco satisfatórios.
Como as medições eram pontuais no tempo,
alguns ensaios apresentaram diferenças de
concentrações muito pequenas, abaixo do
limite de detecção da técnica do laboratório de
sedimentometria. Deu-se preferência,
conforme já foi explicado, por utilizar a
metodologia que determina a razão de erosão
através da variação do leito do canal. Embora
não dê o mesmo nível de informação ao longo
do desenvolvimento dos ensaios fornece
resultados bem mais confiáveis.
Com a diferença dos níveis do leito antes e
após cada ensaio, determina-se o respectivo
volume. A partir disto faz-se a transformação
dos valores medidos em peso, considerando-se
o peso específico do sedimento e a porosidade
do leito. Este valor dividido pela área da
superfície de sedimentos e pelo tempo de
ensaio resulta nos valores de razão de erosão e
5. 5. RESULTADOS
Até o ensaio 16 o leito inicial encontrava-se
na condição de fracamente consolidado. A
partir do ensaio 17 o leito inicial foi adensado
com uma carga uniforme de compressão, para
obter recalque imediato, formando a condição
de leito fortemente consolidado. A partir do
ensaio 20 procedeu-se também a secagem do
leito inicial após o seu adensamento.
Os ensaios de Ikeda (1977) foram realizados
com material muito semelhante a este estudo,
com uma composição de 60% de siltes, 17%
de argilas e 23% de areia com a mesma
metodologia no que se refere aos ensaios de
leito fracamente consolidado. Como pode-se
observar na figura 4, os resultados dos ensaios
de Ikeda (1997) apresentam uma boa
concordância com os atuais, a menos de alguns
resultados dos ensaios com o leito previamente
seco. Dada a semelhança do material utilizado
e dos resultados, estes dados também foram
incorporados a esta análise para a proposição
de um equacionamento para sedimentos
predominantemente na faixa dos siltes.
O valor de ts foi determinado a partir da
variação da razão de erosão e com a tensão de
cisalhamento do leito, na condição de
interceptação, conforme mostra a figura 3.
Resulta disto o valor: ts = 0,408 N/m2
Figura 3 - Variação da tensão de
cisalhamentono leito com a razão de erosão
Ikeda (1997) chegou à seguinte expressão
para o material na faixa dos siltes:
5,0
b )408,0.(35,1
e.3,21
-t
=e (3)
onde:
 ts = 0,408 N/m2 e ef = 21,3 g/cm2.min
A curva da figura 4 mostra uma variação da
razão de erosão com a tensão excedente de
cisalhamento bem mais branda para os siltes
que para as argilas (Mehta: ensaios com solo
argiloso, Mazuqui e Ikeda: ensaios com solo
siltoso). Ainda assim, nota-se que a estrutura
da equação proposta por Parchure-Mehta não
representa bem os resultados experimentais.
Com todos os dados para siltes (pesquisa atual
e de Ikeda, exceptuando-se os pontos para leito
previamente seco), foi feito o ajuste de uma
equação, dentro de uma outra estrutura mais
adequada, resultando na seguinte equação:
[ ]051,0)408,0.(89,6)ln(
---= be (4)
Observe-se que praticamente não há
diferenças de resultados experimentais, com os
de Ikeda (1997), mesmo considerando os
dados referentes ao leito fortemente adensado.
Apenas em alguns ensaios com o leito
previamente seco (os iniciais) é que nota-se um
aumento considerável da coesão e portantouma redução nas taxas de ressuspensão.
(t-t(t-t ))0,50,5
e e 
Figura 4 - Resultados experimentais
confrontados com os de outros autores
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6.CONCLUSÕES
Com base no que foi exposto, conclui-se
que:
· Este estudo consolida os resultados obtidos
anteriormente por Ikeda (1997), servindo de
base aos estudos sedimentológicos que estão
em curso para a região metropolitana de São
Paulo.
· A equação 4 proposta se adequa melhor aos
dados experimentais do que a estrutura de
equação de Parchure e Mehta.
· Não foi notada diferenças de resultados nos
ensaios com leito fracamente consolidado ou
fortemente consolidado.
· Quando se faz a secagem do leito
previamente aos ensaios nota-se, pelo menos
nos primeiros ensaios, que a taxa de
ressuspensão fica bastante reduzida pelo
aumento da coesão interna.
· Nas aplicações aos estudos do reservatório de
Pirapora pode-se inferir que eventuais
afloramentos de sedimentos, decorrentes das
novas regras operacionais, irão reduzir
processos de ressuspensão de sedimentos.
· Os resultados não representam a influência
de outros fatores presentes no rio tais como a
taxa de matéria orgânica ou outros
condicionantes que também são variáveis do
problema, embora estudos de Partheníades e
Mehta considerem que a variável mais
relevante seja a tensão de cisalhamento.
7. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a Fundação de
Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo e
ao Departamento de Águas e Energia Elétrica
pelo apoio à este trabalho de pesquisa.
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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101 p.
Mazuqui, Lilza Mara B. Estudo de
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Dissertação apresentada à Escola
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