transporte de sedimentos e morfologia fluvial

Transporte de

Sedimentos e Morfologia

Fluvial

INTRODUÇÃO

➢

Conceito: Estuda a formação, evolução e

estabilização dos cursos d’água naturais

➢

Essencial para as obras de Engenharia Fluvial

ligadas à Navegação Interior

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

➢

MATURIDADE DOS RIOS

⚫ Rios jovens: grandes declividades, grande erosão,

encostas em “V”, grandes números de quedas e corredeiras (rios de montanha ou torrentes)

⚫ Rios Maduros: as declividades são menores, as seções

de escoamento alargam-se, a topografia mais plana e os perfis longitudinais graduais sem quedas ou corredeiras, equilíbrio dinâmico.

⚫ Rios Senis: declividades reduzidas, barragens naturais

ao longo das margens e zonas pantanosas no entorno, sendo a topografia dos vales extremamente plana por representar o assoreamento tendendo ao aplainamento da topografia e a “estuarização” do rio.

INTRODUÇÃO

➢

CLASSIFICAÇÃO

⚫ Retilíneos: são raros na natureza pois mesmo quando

as margens são aparentemente paralelas, o fundo é sinuoso

⚫ Meandrados: se caracterizam em planta pela

sucessão de curvas, alternam seções com grandes fossas nas margens côncavas das curvas, bancos nas margens convexas e seções rasas nas inflexões, sendo que os rios em equilíbrio dinâmico normalmente são deste tipo,

embora o processo de formação de meandros usualmente esteja em evolução.

⚫ Instáveis: caracterizam-se por grandes declividades,

grandes larguras das seções, que são rasas, com

talvegues múltiplos e com larguras variáveis, sendo rios que transportam grandes quantidades de sedimentos.

RESPOSTA FLUVIAL

Relações sobre os parâmetros:

➢ h (profundidade) é diretamente proporcional a Q (vazão).

➢ B (largura) é diretamente proporcional a Q e a Qs (vazão sólida ou vazão de transporte de sedimentos).

➢ i (declividade) é inversamente proporcional a Q e diretamente proporcional a Qs .

➢ P (sinuosidade) é diretamente proporcional à declividade do vale e inversamente proporcional a Qs.

RESPOSTA FLUVIAL

EXEMPLO: Construção de uma barragem

➢ Implica em retenção dos sedimentos transportados pelo rio no reservatório.

➢ Jusante → mesma vazão Q (ou um pouco menor) e Qs praticamente nulo → redução da declividade

(abaixamento do leito) → erosão do leito até ser atingido um perfil de equilíbrio, superando o aumento da

profundidade, tornando os níveis de enchente inferiores

aos vigentes anteriormente à implantação da barragem.

➢ Montante, a deposição evolui grandes distâncias

provocando a elevação dos níveis de cheia e dos níveis de base dos afluentes.

RESPOSTA FLUVIAL

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

EVOLUÇÃO DOS CURSOS D’ÁGUA

➢ Princípios fundamentais que regem a modelação do leito do rio:

⚫ Princípio da saturação ⚫ Princípio da declividade ⚫ Princípio da seleção

EVOLUÇÃO DOS CURSOS D’ÁGUA

Princípio da saturação

➢ A erosão tende a ocorrer nos trechos de maior

declividade e/ou menor aporte sólido e a deposição nos trechos de menor declividade e/ou maior aporte sólido

Aporte Sólido Capacidade de transporte

> sedimentação

Aporte Sólido Capacidade de transporte

< erosão

Ex: cabeceiras dos rios

EVOLUÇÃO DOS CURSOS D’ÁGUA

Princípio da declividade

➢ Quando a turbidez Qs/Q é maior e h e C são menores a tendência da declividade de equilíbrio é ser maior, o que ocorre com o perfil de equilíbrio sendo atingido por sedimentação.

➢ A tendência oposta ocorre produzindo perfil de equilíbrio por erosão. Em trechos da alta bacia ocorre o aprofundamento do leito, vale encaixado e retilíneo. Na planície aluvionar ocorre o aumento do percurso fluvial, que torna-se sinuoso ou meandrado com vale composto: o leito maior tem maior declividade pela tendência à sedimentação nas grandes enchentes, em que o aporte supera a capacidade de transporte, e o leito médio tem menor declividade (sinuosidade acentuada) pela tendência à erosão nas estiagens, em que o aporte é menor do que a capacidade de transporte

EVOLUÇÃO DOS CURSOS D’ÁGUA

Princípio da declividade

Aporte Sólido Capacidade de transporte

> sedimentação

Aporte Sólido Capacidade de transporte

< erosão

Declividade aumenta para atingir o perfil de equilíbrio

Declividade diminui para atingir o perfil de equilíbrio

Rios de montanha → aprofundamento do leito

EVOLUÇÃO DOS CURSOS D’ÁGUA

Princípio da seleção

➢ A sedimentação inicia-se com os sedimentos mais grosseiros, enquanto a erosão principia com os sedimentos mais finos. Assim, a granulometria e

declividade do leito fluvial decrescem de montante para jusante

EVOLUÇÃO DOS CURSOS D’ÁGUA

Perfis longitudinais fluviais

➢ A declividade superficial do NA

⚫ mais uniforme nas águas altas, (aproximando-se da declividade média

do rio)

⚫ Nas águas baixas apresenta-se em séries de trechos de declividade

suave intercalados de trechos mais turbulentos em correspondência aos bancos (alto fundos).

➢ A diferente espessura da lâmina d’água exerce influência sobre os

sedimentos → levando-os das fossas a acrescer os baixios sucessivos nas cheias, e sendo arrasados dos baixios para as fossas sucessivas na estiagem.

As cheias acentuam o

aprofundamento das fossas e a elevação dos altos fundos dos

bancos, enquanto as águas baixas tendem a nivelar o perfil.

MEANDROS

➢ A sinuosidade de um rio é uma tendência natural de

realização do menor trabalho em curva em terrenos não consolidados e de baixa granulometria (aluvião), sendo que normalmente os trechos retilíneos têm comprimentos que não superam 10 vezes a largura do canal.

MEANDROS

➢ Tendência de ocupar todas as

posições possíveis dentro do vale a menos que um obstáculo o impeça

➢ Seção assimétrica e mais profunda no eixo da curva

➢ Seção simétrica e mais rasa na inflexão

➢ Tendência de erosão na face côncava e deposição na face convexa do meandro Margem convexa (interna) Margem côncava (externa)

MEANDROS

MEANDROS

MOTIVAÇÃO

MOTIVAÇÃO

Porque ocorre maior deposição na

margem interna da curva?

RECORDANDO....

➢ 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, lagos ou oceanos 840 860 880 900 920 940 960 980 1000 1020 1040 1060 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Co ta (m ) distância (m)

Perfil do talvegue principal

Perfil Longitudinal i1 i2 i3

➢ 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

INTRODUÇÃO

Retirada de sedimento do reservatório de Pampulha, Belo Horizonte (MG) (04/03/1985)

Remoção do sedimento da boca da tomada d’água – UHE, Mascarenhas/ESCELSA no

Rio Doce (ES) (20/08/1991)

RESPOSTA FLUVIAL

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

PROPRIEDADES DO ESCOAMENTO EM LEITO

MÓVEL

➢ Origem dos sedimentos

⚫ Sedimentos originados na área da bacia hidrográfica e trazidos

por lavagem superficial → sedimentos mais finos

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

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

➢ 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: 5 , 8 log 3 , 2 * +       = s k y k u v

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

 hJ u =_*

➢ 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

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

'' '

s s

s k k

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:

➢ 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

➢ Diagrama de Shields

Onde:

X2: parâmetro de Shields

X1: número de Reynolds de atrito da partícula

: peso específico submerso dos grãos

: velocidade de atrito do escoamento

água água s s     ' = −  ₀ * = u 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

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

➢ Diagrama de Shields

⚫ escoamentos naturais correntes, isto é com valores elevados

de X₁ → 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

⚫ Nos taludes:

INÍCIO DO TRANSPORTE SÓLIDO POR

ARRASTAMENTO

(

)

D₇₅: diâmetro correspondente a 75% em peso de material de diâmetro inferior

➢ Exemplo de relação entre velocidade média do escoamento e dimensão dos grãos de sílica

(Hjülstron, 1977)

INÍCIO DO TRANSPORTE SÓLIDO POR

ARRASTAMENTO

➢ 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

CÁLCULO DO TRANSPORTE SÓLIDO DE

FUNDO

➢ 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

➢ Distribuição da concentração de sedimentos transportados em suspensão

TRANSPORTE SÓLIDO EM SUSPENSÃO

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. z y h y y y h c c       − − = 0 0 0

TRANSPORTE SÓLIDO EM SUSPENSÃO

Distribuições verticais de concentração de sedimentos em suspensão que podem ocorrer numa corrente líquida. (CARVALHO, 1994)

➢ 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

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



➢ 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

TRANSPORTE SÓLIDO TOTAL

Esquema ilustrativo do transporte sólido efetivo numa dada seção em função da dimensão característica dos sedimentos