Conformação dos Canais Fluviais

O caráter dinâmico da evolução morfológica dos rios é evidenciado com a possibilidade de mudança de um tipo para outro. A variação das características do fluxo, segundo as diferentes condições hidrológicas e morfológicas inerentes ao canal natural, implica no caráter bastante dinâmico destes processos, ocorrendo a tendência para uma condição de equilíbrio próprio, de estabilidade, conforme a carga sólida transportada.

O equilíbrio morfológico pode ser estabelecido qualitativamente por meio da Equação de Lane, já apresentada anteriormente (Equação 2.1):

I Q D Qs ⋅ ∝ ⋅

Onde:

Qs = descarga do material sólido, em volume por unidade de tempo;

D = diâmetro médio das partículas do leito;

Q = vazão do rio, em volume por unidade de tempo; I = declividade do leito.

Uma visualização qualitativa da aplicabilidade dessa equação pode ser resumida no esquema da Figura 4.6.

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Figura 4.6 – Fatores que afetam o equilíbrio morfológico de um curso de água.

Para o caso dos cursos de água em leito natural, cujas bacias de contribuição passam pelo processo de urbanização, o aumento da vazão dominante (Q) tende a produzir uma acelerada erosão na calha menor, como forma de aumentar a descarga sólida para recompor o equilíbrio.

A erosão e instabilidade das margens afetam significativamente a morfologia fluvial. As causas mais comuns de instabilidade e erosão das margens induzidas pelos homens são: modificação da calha fluvial de rios e meandros, dragagem de cascalho e areia dos rios, remoção de vegetação ribeirinha, construção de barramentos e outras obras de engenharia e navegação. Entretanto, a erosão superficial também é função das ações dinâmicas de natureza hídrica ou eólica sobre o solo, das características intrínsecas do solo, da geomorfologia da bacia e de sua cobertura.

Segundo Brighetti e Martins (2001) as causas das instabilidades das margens por ação do escoamento são subdivididas em:

• Ação erosiva das correntes: consideram-se as forças erosivas críticas sobre o material constituinte do leito e das margens. Se a força erosiva atuante for superior à força erosiva crítica ou limite do material, ocorrerá a erosão;

• Ação das ondas: as erosões causadas pelo movimento das ondas contra as margens podem ocorrer devido a diferentes agentes como o vento, embarcações ou a operação de estruturas hidráulicas do tipo comportas, usinas hidrelétricas e estações elevatórias;

Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG 26 • Irregularidades localizadas no escoamento: neste caso, a presença de extremidade de espigões, pilares de pontes, afloramentos rochosos e outros podem gerar turbilhões na corrente líquida que causam o solapamento da parte inferior das margens.

Já as causas das instabilidades geotécnica dos taludes de margem podem ser identificadas por:

• Diminuição do ângulo natural de equilíbrio: a saturação do terreno tem por conseqüência uma redução do ângulo natural de equilíbrio relativo ao material, diminuindo sua resistência.

• Rompimento generalizado da margem: a descida ou subida rápida do nível d’água ou a elevação do lençol freático podem provocar o escorregamento do talude da margem.

• ‘piping’ ou retro-erosão: este fenômeno, causado pela existência de escoamento através de caminhos preferenciais, em pontos fracos do terreno, permite que as partículas do talude sejam transportadas pelo fluxo provocando assim a erosão progressiva retrógrada.

A verificação da inclinação dos taludes laterais em canais naturais, função das características geotécnicas locais, é um importante fator de estabilidade das margens. Na Tabela 4.3 são apresentados os valores máximos de inclinação de taludes naturais, de acordo com o material adjacente.

Tabela 4.3 – Inclinações admissíveis de taludes em canais

Material do Canal Inclinação Máxima (H:V)

Rocha sã Vertical

Rocha alterada ¼:1

Solo argiloso compactado ½:1 a 1:1

Solo em geral, canais largos 1:1

Solo em geral, canais estreitos 1 ½:1

Solo arenoso solto 2:1

Solo argiloso poroso 3:1

Fonte: adaptado de Chow, 1959 apud Baptista e Coelho, 2003.

Em relação à forma dos canais pode-se afirmar, de maneira geral, que não existem cursos de água naturais retilíneos. O rio procura o seu equilíbrio, que também é dinâmico, aumentando a extensão, erodindo, depositando sedimentos e diminuindo, conseqüentemente, a sua declividade longitudinal (Brighetti e Martins, 2001).

Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG 27 A distribuição irregular da velocidade de escoamento nas seções e os processos de erosão e deposição de sedimentos correspondentes dão origem aos processos de meandramento, como ilustrado na Figura 4.7.

Figura 4.7 – Processo de formação de meandros (Fonte: Baptista e von Sperling, 2007).

A complexidade deste processo geomorfológico não é totalmente conhecida, mas sabe-se que obstruções no rio causam a formação de meandros e que o processo tende a ser sustentável. Entretanto, as curvas nos rios geram fluxos secundários, que causam desgaste em suas margens. Esta ação, combinada com a deposição de sedimentos na margem oposta, aumenta a curvatura do meandro. O distúrbio causado pode persistir por consideráveis distâncias a jusante e é uma combinação das correntes secundárias e, em alguns casos, o início de ondas. As ondas podem causar erosão e desbarrancamento das margens, particularmente em regimes supercríticos (Escarameia, 1998).

A distribuição das velocidades em uma seção de canais curvos é bastante complexa, implicando na necessidade de um tratamento matemático tridimensional para sua adequada descrição, o que acarretaria dificuldades operacionais (Baptista et al., 2001).

No escoamento em curvas observa-se a ocorrência de correntes secundárias decorrentes de um fluxo em espiral, como pode ser observado na Figura 4.8, acarretando maiores velocidades no bordo externo e menores velocidades no bordo interno das curvas. Ocorrem, portanto, zonas de erosão e de deposição de sedimentos, que desempenham importante papel na conformação dos rios.

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Figura 4.8 – Escoamento em curvas (Fonte: adaptado de Leopold, 1997 apud Baptista e

von Sperling, 2007).

Para levar em conta as irregularidades da distribuição das velocidades nas seções sem, no entanto, adotar uma abordagem tridimensional complexa, pode-se adotar uma simplificação, em alguns casos, com as velocidades médias nas equações de Bernoulli e do Teorema de Euller, utilizando e ajustando os coeficientes de Coriolis ( ) e Boussinesq ( ), descritos anteriormente.

É importante destacar que o comportamento de canais naturais ou construídos em materiais erodíveis é mais complexo do que o comportamento dos canais em materiais estáveis (Julien, 2002). Desta forma, é preciso respeitar a velocidade limite das estruturas e manter as tensões de cisalhamento junto às paredes e ao fundo do canal inferiores à tensão admissível, evitando assim a ocorrência de processos erosivos.