Avaliação da capacidade portante de frações finas nas correntes de turbidez

Abstract

Este estudo apresenta uma investigação experimental, através da simulação física de correntes de turbidez de baixa densidade, utilizando diferentes materiais (suspensos e dissolvidos), em diferentes proporções, com o intuito de avaliar seu comportamento geométrico (alturas de cabeça e corpo), dinâmico (velocidades de avanço da cabeça) e especialmente deposicional (distribuição granulométrica dos depósitos ao longo do canal), investigando também a capacidade de transporte dos fluxos. Além disso, foi testado o uso do sal em substituição às frações finas de sedimento na simulação de correntes de turbidez. As simulações foram realizadas nas dependências do NECOD, em um canal bidimensional de vidro, com dimensões 300 x 12,5 x 20 cm, utilizando na formação das correntes misturas com diferentes proporções de material dissolvido e/ou suspenso. Três fases de simulações foram conduzidas, cada uma com diferentes materiais compondo as misturas: a primeira composta por carvão 207 ( = 1360 kg/m³) e sal; a segunda composta por carvão 205 ( = 1190 kg/m³) e sal; e na terceira fase, misturas compostas por carvão 205 e bentonita. Cada uma destas misturas teve a massa específica composta por cinco diferentes proporções de material: 100% de carvão, 75%, 50%, 25%, 0%. Todas os ensaios tiveram a mesma massa específica (1010 kg/m³) do fluido injetado, o mesmo volume (4 litros) e a mesma vazão (6,5 litros/min). Além disso, o carvão utilizado para a composição das misturas seguiu a mesma curva granulométrica, ou seja, todas as composições tiveram a mesma granulometria. Fixando a massa específica, volume e vazão de injeção dos fluxos, foi possível analisar a influência das frações finas dos materiais que compunham as correntes de turbidez no que diz respeito à geometria, dinâmica e seus padrões de deposição. Na análise da geometria das correntes verificou-se que na medida em que mais material fino compõe o fluxo, menores são as dimensões das correntes de densidade, principalmente o corpo. No caso de correntes que têm na sua composição o sal, este desempenha papel semelhante ao material granular fino. Já nas características cinemáticas, verificou-se que quanto menor a granulometria do sedimento do fluxo, e conseqüentemente menor a velocidade de queda do mesmo, mais lenta é a sua deposição, fazendo com que a corrente desacelere mais lentamente. As correntes que utilizaram sal na sua composição foram as que mantiveram sua velocidade por distâncias maiores. Quanto aos padrões de deposição, o comportamento das correntes de turbidez geradas pelas diferentes misturas mostrou-se bastante semelhante. Os fluxos com sal dissolvido carregaram grãos mais grossos para distâncias um pouco maiores, entretanto esta diferença não chega a ser considerada significativa. Esse comportamento também é corroborado, quando se analisa a capacidade de transporte dos fluxos, que apresentaram pequenas diferenças para os dois tipos de fração fina avaliadas e quando foi ajustada a lei de degradação de tamanho de grão, que evidenciou uma pequena diferença na capacidade de transporte dos fluxos compostos por carvão/bentonita, e carvão/sal. Ainda, a comparação entre correntes de turbidez compostas por sal e diferentes tipos de carvão (com diferentes densidades) indica que, quantitativamente, os depósitos gerados pelos escoamentos formados por carvão menos denso (carvão 205) são melhores distribuídos ao longo do canal quando da presença de sal na composição da mistura. Os dados mostram que, para as correntes de baixa densidade geradas neste trabalho, é possível a substituição dos sedimentos finos por sal na simulação física de correntes de densidade, apesar das pequenas diferenças notadas nas características geométricas, dinâmicas e deposicionais. Esta substituição simplificaria as simulações físicas em escala reduzida destes fluxos, tanto na realização dos ensaios quanto na análise dos dados.

This work presents an experimental investigation of low-density turbidity currents using different proportion of suspended sediments (mineral coal and bentonite) and/or dissolved material (salt), in order to evaluate their kinematics (head velocity), geometric (head and body height) and depositional (mass and grain size distribution) behaviour as well as their capacity of transport. Beyond that, it was investigated the use of dissolved material (salt) replacing finer sediments in these flows. Hence, three sets of experiments were conducted in a bi-dimensional channel (300 x 12.5 x 20 cm) with five different sediment ratios (100% mineral coal; 75%; 50%; 25%; 0%). Three different mixtures are used in each set. Mineral coal 207 (r = 1360 kg/m³) and salt in the first one. Mineral coal 205 (r = 1190 kg/m³) and salt in the second set and then mineral coal 205 and bentonite. The bulk density (1010 kg/m³), flow rate (6.5 litre/min), grain size distribution and volume (4 litres) were kept constant in order to compare the sets. The results were evaluated regarding the flow-deposit properties. It was verified that as the finer sediment increases in the mixture, the current dimensions became thinner, especially at the body, and the flows decelerate less than the ones with coarse sediments. In terms of depositional patterns, it was detected same trends of deposition (thinning downstream) only with a slight modification of flow transport capacity for the flows contained dissolved salt (coarser grains reaching distal zones). The comparison between the first and second sets of experiments show that the deposit generated by the second set (mineral coal 205 of lower density) is better distributed along the channel only when there is salt dissolved in the mixture. The results presented here lead us to conclude that, despite the fact that there is some difference amongst the flow-deposit properties, it is possible to use salt replacing the finer portion of the sediments, which can cause a lot of simplifications of experimental procedures and further analysis as well.