Relações entre a capacidade de transporte por arraste e o depósito de sedimentos em um canal de fundo fixo rugoso

Abstract

A determinação da capacidade máxima de transporte por arraste é um assunto de fundamental importância para entender a propagação dos sedimentos em rios, a evolução de erosão e depósito e, em geral, para estabelecer balanços sedimentológicos em bacias hidrográficas. Este trabalho tem por objetivo principal sua quantificação a partir da observação e identificação do início de depósito., As experiências foram realizadas num canal de 26 m de comprimento, 1 m de largura e 0.90 m de altura. A metodologia de ensaio procura identificar a condição hidráulica para a qual começa o depósito dos sedimentos transportados, quando a vazão de ensaio vem sendo sistematicamente diminuída (para descarga sólida constante). Dois critérios foram utilizados para definir a vazão crítica, um experimental (baseado na observação do fenômeno) e outro analítico (baseado num conceito reformulado de taxa de depósito). Os valores ensaiados abrangeram uma faixa de descarga sólida de 300 a 5000 gr/min, declividades de 0.006, 0.008 e 0.010, vazões de 3 a 35 1/s, e diâmetros de areia de 0.77, 1.22 e 1.98 mm. Foram realizadas três series de experiências com diâmetro de areia injetada igual ao diâmetro da rugosidade de fundo do canal, e uma quarta com diâmetro de areia injetada maior que a rugosidade de fundo. Os resultados mostram que das quatro alternativas testadas para caracterizar a variável hidráulica, a potência do escoamento por unidade de superfície, teve a melhor performance. Foi verificada também a boa concordância que existe entre os resultados obtidos em pesquisas anteriores e os obtidos neste trabalho. Quanto às relações entre potência do escoamento e capacidade de transporte, foi confirmada a existência das três faixas de transporte de sedimentos definidas em pesquisas anteriores, porem, os limites foram outros. Na zona de transporte de sedimentos mais intensa (transporte de massa), pode ser constatada a existência de um mecanismo adicional de dissipação de energia, que se acredita ligado aos choques entre partículas. Este mecanismo faz com que o gradiente de potência de escoamento necessário para transportar igual volume de sedimentos seja maior para os diâmetros menores. A série de experiências com diâmetro de areia injetada maior que a rugosidade de fundo, permite analisar o comportamento de uma massa de grãos transportados (com diâmetro constante) sobre fundos com diferentes rugosidades e a sua influência no início de depósito. Os casos analisados foram 1.98/0.77, 1.98/1.22 e 1.22/0.77. Os resultados mostram que um fundo com rugosidade caracterizada por um diâmetro menor que o diâmetro do sedimento transportado não dissipa necessariamente menos energia que um fundo de rugosidade igual ao sedimento transportado. A incorporação do adimensional que caracteriza a rugosidade de fundo permitiu generalizar os resultados conseguidos anteriormente com estes novos, obtendo desta forma uma formulação final única que abrange os dois casos pesquisados.

Computing maximum bed load capacity of a flow is essential to understand sediment routing in rivers, erosion and deposition, and, in general, to establish sediment budgets in river basins. The main purpose of this study is to quantify bed load capacity by observing and identifying initial deposition. Experiments were performed in a 26m long, 1m wide and 0.90m high channel. The methodology used in the tests attempts to identify the hydraulic conditions under which deposition of transported sediments begin, as discharge (for constant bed load) is successively reduced. Two criteria were used to define the critical condition, one of them experimental and the other analytical (based on a reformulated concept of the rate of deposition). The values tested covered a range of sediment load from 300 a 5000 g/min, slopes of 0.006, 0.008 and 0.01, streamflows of 3 to 35 1/s, and grain diameters of 0.77, 1.22 and 1.98 mm. Three series of experiments were performed with an injected sand diameter the diameter of the channel bed roughness, and a fourth injected sand diameter greater than the bed roughness. equal with to an The results show that, of the four alternatives tested to describe the hydraulic variable, the best performance was achieved with the stream unit power (per unit of area). It was also found that the results achieved in previous studies generally agree with present findings. As to the relationship between stream unit power and transport capacity, the existence of the three types of sediment transport defined in previous studies was confirmed, but the limits were different. ln the more intense sediment transport zone (mass transport) an additional energy dissipation mechanism was found, which is probably related to collisions between sediments. Due to this mechanism, the gradient of stream unit power required to transport an equal volume of sediment must be higher for smaller diameters. The series of experiments with an injected sand diameter larger than bed roughness allow the analysis of the behavior of a mass of transported grains, (with constant diameter), in beds with different roughness, and its influence on the beginning of deposition . The results show that a bed with roughness characterized by a smal1er diameter than that of the transported sediment, does not necessarily dissipate 1ess energð€‚¨ than a bed with roughness equal to transported sediment. The addition of an adimensional group for the bed·roughness made it possible to generalize the results achieved previously with these new ones, thus obtaining a final single formulation which covers both cases researched.