Permeabilidade e Análise de Percolação

A condutividade hidráulica, ou simplesmente permeabilidade, é a propriedade que o solo apresenta de permitir o escoamento de água através dele. A Tabela 2.2 apresenta faixas de condutividade típicas para solos saturados. Nesse trabalho, o termo “condutividade hidráulica” foi empregado indistintamente, tanto para meios porosos como para feições descontínuas.

Tabela 2.2 - Valores típicos de condutividade (Adaptado – Terzaghi & Peck, 1967 e Das, 2007).

Nos projetos de engenharia, o parâmetro de permeabilidade dos solos apresenta a maior variação de valores. Esta afirmação justifica-se na diversidade de fatores que podem interferir na condutividade hidráulica. Os fatores são relacionados às características geotécnicas dos rejeitos e do fluido percolante. Cavalcante (2000) e Head (1984), esse último citado por Santos (2004), detalham a influência desses fatores.

Segundo Vick (1983), a variação de permeabilidade ao longo do reservatório de rejeito apresenta uma menor interferência no comportamento global do fluxo através da barragem. Araújo (2006) informa que a superfície freática é mais influenciada pelas diferenças de permeabilidade nas regiões internas definidas em projeto, com materiais controladamente dispostos, como o dique de partida e os drenos a este associados. As condições de fluxo afetadas pelo processo de segregação hidráulica convencional (por tamanho) foram citadas por Vick (1983) e apresentam uma variação da condutividade hidráulica em três zonas distintas na praia de deposição. Essas zonas foram caracterizadas como uma zona de alta permeabilidade relacionada ao material mais grosseiro formada próximo ao ponto de lançamento, uma zona de baixa

Tipo de solo k (m/s)

Alta Pedregulho limpo _{1,0 a 10}-3 Média Areia grossa 10-3 a 10-5

Baixa Areia fina 10-5 a 10-6 Muito baixa Argila e silte 10-6 a 10-8 Impermeável Argila < 10-9 Solos impermeáveis

Permeabilidade

permeabilidade relacionada ao material mais fino situada distante do ponto de lançamento e uma zona intermediária. No entanto, Santos (2004) constatou um novo perfil de segregação para o rejeito de Monjolo considerando um comprimento médio de praia de 40m a partir do ponto de lançamento. O autor observou que a segregação era influenciada não somente pela dimensão da partícula, mas também pelo peso do grão como apresentado na Figura 2.16. Para Santos (2004), a magnitude da condutividade hidráulica tenderia a sofrer um acréscimo com o aumento da distância do ponto de lançamento, excetuando a região final da praia em que o processo de segregação retorna ao padrão convencional.

Figura 2.16 - Modelo teórico de variação da condutividade hidráulica na Pilha do Monjolo (Santos, 2004).

A determinação da condutividade hidráulica em rejeitos saturados é feita de forma similar às técnicas convencionalmente adotadas para solos saturados, ou seja, por meio de métodos diretos ou indiretos, ensaios de laboratório ou de campo.

Em laboratório, a condutividade hidráulica é estimada comumente, a partir da coleta de amostras indeformadas ou de amostras moldadas em condições similares às de campo. As abordagens implicam na utilização de permeâmetros de paredes rígidas ou flexíveis, segundo arranjos clássicos de ensaios de carga constante ou variável. Os ensaios que empregam o permeâmetro de carga constante são mais adequados para materiais granulares. Outras formas de determinação da permeabilidade são feitas através do ensaio com bomba de fluxo, do ensaio edométrico e do ensaio de compressão triaxial. Em campo, a condutividade hidráulica pode ser obtida em superfície ou em profundidade, utilizando-se de diferentes metodologias, tais como, ensaio de infiltração, do método dos anéis concêntricos, ensaio de Matsuo, de bombeamento, dentre outros.

Os métodos indiretos para avaliar o coeficiente de permeabilidade são formulações baseadas em parâmetros obtidos através das curvas granulométricas, dos coeficientes de adensamento, dentre outras. Portanto, deve-se levar em consideração o empirismo da relação, quando destacado o grau de uniformidade do solo e, no caso de rejeitos, a sua composição mineralógica. Um exemplo de correlação foi expresso por Mittal & Morgenstern (1975) que ressaltam que a condutividade hidráulica média para rejeitos arenosos pode ser estimada com base no valor do diâmetro efetivo do material, obtido através de análise granulométrica utilizando a formulação proposta por Hazen.

A relação mais simples e fundamental de permeabilidade em mecânica dos solos foi estabelecida pelo engenheiro Darcy. Essa lei clássica determina o coeficiente de permeabilidade admitindo a hipótese de regimes laminares de fluxo. O volume de fluido que na unidade de tempo (vazão Q mostrada na forma da Equação 2.7) atravessa a seção de um meio poroso é proporcional à diferença de carga hidráulica (h), à condutividade hidráulica do meio (k) e inversamente proporcional ao comprimento (L) do percurso realizado pelo fluido à área da seção transversal (A) do meio poroso. A relação entre a diferença de carga hidráulica e o comprimento de fluxo é chamada de gradiente hidráulico (i). Assim, o gradiente hidráulico, fator adimensional, representa a perda de carga hidráulica que se dissipa na percolação do fluido ao longo do meio poroso.

A i k

Q   (2.7)

Nos aterros hidráulicos alteados pelo método de montante, tende a ser complexa a caracterização das condições de fluxo. A interpretação correta das trajetórias de fluxo ao longo do maciço de rejeitos tem especial relevância em termos das análises da segurança e do desempenho operacional da estrutura. Com base na formulação de Vick (1983), Santos (2004) citou alguns fatores que influenciam a localização da linha freática e consequentemente a trajetória de fluxo e a estabilidade da barragem. O primeiro fator a ser considerado é a localização do lago de decantação em relação à crista da barragem, em seguida o efeito da variação da permeabilidade no maciço e por último as condições de permeabilidade da fundação da barragem. Adicionalmente destaca-se a importância da localização do sistema de drenagem interno, as condições operacionais e a influência do regime de fluxo em material parcialmente saturado.

As condições de percolação através de barragens de rejeitos alteadas para montante devem ser bem avaliadas na fase de projeto e representam um requisito fundamental para segurança construtiva e operacional de um sistema de disposição de rejeitos. Para favorecer a percolação de água pelo interior de um maciço, são incorporadas estruturas com maior permeabilidade permitindo fluxo controlado no sentido de montante para jusante do dique da barragem.

As informações relacionadas às características de drenabilidade dos rejeitos, do conhecimento do fluxo e de sua variação em meios saturados e não saturados são fundamentais para um entendimento dos perfis das poropressões, das sucções e dos gradientes hidráulicos. Além de fornecer uma base para compor o dimensionamento dos sistemas de drenagem interna, as deformações do maciço e a previsão da capacidade de armazenamento de água no reservatório.

Os solos próximos à superfície assim como os rejeitos arenosos de minério de ferro quando dispostos na praia e no aterro de alteamento, raramente estão saturados. A Figura 2.17 ilustra o diagrama típico de distribuições da pressão de água abaixo da superfície do solo (Gerscovich, 2007). A zona saturada é a região na qual os vazios do solo estão totalmente preenchidos por água e a carga de pressão é positiva. Acima do nível freático a água pode estar presente nos vazios do solo pelos efeitos de infiltração ou pelos efeitos de capilaridade. Na região não saturada o solo está sujeito à carga de pressão negativa e a umidade varia com o nível d’água e com as condições ambientais. A altura de ascensão capilar é em função do diâmetro do vazio, sendo maior em argilas do que em areias.

Nos solos não saturados, os poros são preenchidos com ar, o qual ocupa primeiramente os poros maiores. Nessa condição de água intersticial ou bolhas de ar oclusas no solo, a permeabilidade da região é reduzida. Assim, a água passa a fluir pelos poros menores, aumentando o caminho de percolação (Fredlund & Rahardjo, 1993).

Figura 2.17 - Distribuição de poropressão (Gerscovich, 2007).

A estimativa criteriosa dos potenciais acréscimos das poropressões provenientes da operação, em todas as cotas de alteamento da estrutura, com avaliação do fluxo em meios porosos, pode ser realizada por meio de sistemas computacionais, como por exemplo, os módulos Seep e Sigma do sistema computacional GeoStudio. O sistema permite o desenvolvimento de modelagem computacional acoplada de análises de percolação e dissipação dos excessos de poropressão.