Fluxo de Água em Solos: Redes de Fluxo e Aplicações

Ao resolver um problema prático de fluxo de água, tal como a análise de infiltrações através do maciço e do terreno de fundação de uma barragem, o engenheiro obtém informações fundamentais a respeito de três questões importantes:

1. A vazão através da zona de fluxo, pois toda a perda de água que ocorrer através do maciço ou de suas fundações deve ser quantificada.
2. A influência do fluxo sobre a estabilidade geral da massa de solo. Quando a água flui, a pressão a que está sujeita é hidrodinâmica, e isso produz vários efeitos (fluxo ascendente e fluxo descendente).
3. As possibilidades de a água de infiltração produzir carreamentos, erosões, piping, etc., o que pode pôr em perigo a estabilidade da obra, ao deixá-la sulcada por túneis e galerias formadas por erosão.

Definições Fundamentais

Linha de fluxo é uma linha ao longo da qual uma partícula de água se desloca de montante para jusante no meio de solo permeável.

Linha equipotencial é uma linha ao longo da qual a carga potencial é igual em todos os pontos.

Propriedades das Linhas de Fluxo e Equipotenciais

• A vazão entre linhas de fluxo é constante em qualquer seção que se tome entre as linhas. Esse espaço entre duas linhas de fluxo chama-se canal de fluxo.
• As linhas de fluxo não se cortam dentro da região do fluxo. Se as linhas de fluxo convergem em um ponto de contato, não há área para passagem de água e, assim, não se respeita a continuidade da vazão, o que é impossível sob as hipóteses da teoria em estudo.
• As linhas equipotenciais também não podem se cortar jamais, pois, nesse ponto, a água teria duas cargas hidráulicas diferentes.

Redes de Fluxo

Devido à complexidade das soluções matemáticas, a solução geral da equação de Laplace pode receber uma interpretação geométrica muito útil, segundo a qual ambas as famílias de curvas podem ser representadas dentro da zona de fluxo em estudo como duas famílias de curvas ortogonais entre si.

Fonte: Adaptado de Barbosa, P.S.A, DEC/UFV

Considerações sobre o Fluxo de Água

Fonte: Adaptado de Barbosa, P.S.A, DEC/UFV

• Quando o fluxo de água ocorre sempre na mesma direção, como no caso dos permeâmetros, o fluxo é unidimensional. Sendo a areia uniforme, a direção do fluxo e o gradiente são constantes em qualquer ponto.
• Quando as partículas de água se deslocam em qualquer direção, o fluxo é tridimensional, como, por exemplo, a migração de água para um poço.
• Quando as partículas de água seguem caminhos curvos, mas paralelos, o fluxo é bidimensional. É o caso da percolação pelas fundações de uma barragem.
• O estudo do fluxo bidimensional é muito facilitado pela representação gráfica dos caminhos percorridos pela água e da correspondente dissipação de carga. Esta representação é conhecida como rede de fluxo.

Aplicações das Redes de Fluxo

• As perdas de água por percolação;
• As pressões neutras na região onde ocorre a percolação;
• Os gradientes hidráulicos;
• As forças de percolação.

Passos para Traçar uma Rede de Fluxo

• Delimitação da zona de fluxo a ser estudada, analisando suas condições específicas de fronteira;
• As superfícies horizontais do terreno, a montante e a jusante, são consideradas equipotenciais;
• O contato impermeável do solo com o substrato é uma linha de fluxo;
• O contorno do diafragma impermeável é também uma linha de fluxo;
• Procurar traçar sempre redes com formas semelhantes a quadrados;
• As linhas de corrente devem partir e chegar normais (perpendiculares) às fronteiras equipotenciais, e devem cruzar-se ortogonalmente com as equipotenciais.