Transporte de sedimentos e sua determinação (com diagrama)

Leia este artigo para aprender sobre as duas categorias de sedimentos transportados pela água e sua determinação.

(1) Sedimento Suspenso :

As partículas do solo que são transportadas pela água sem entrar em contato com o fundo do canal são chamadas de sedimentos suspensos. As partículas são mantidas em suspensão pelo componente ascendente da corrente turbulenta. É claro que algumas partículas caem no leito, enquanto algumas partículas são absorvidas pelo fluxo. No fluxo turbulento, os redemoinhos em elevação transferem sedimentos das camadas inferiores de concentração de sedimentos pesados para o topo. Por outro lado, as partículas se assentam sob a força da gravidade.

Sob condições estáveis, os sedimentos transferidos para cima equilibram-se com os caídos no fundo. Além disso, o peso do sedimento em suspensão exerce pressão adicional sobre o leito do canal, que é superior à pressão do fluido. A concentração de carga suspensa "C" a uma altura y acima do fundo pode ser determinada a partir da concentração conhecida em um ponto de referência na altura "a" acima do fundo. A equação dada é

onde D é a profundidade da água

w é, velocidade de queda de um grão em água parada

K é a constante universal de Von Karman = 0, 4

V é a velocidade de cisalhamento = √τ ₀ / p

p é a densidade média de água e

τ ₀ é a intensidade da tensão de cisalhamento na parte inferior

A avaliação da carga total de sedimentos por metro de largura do canal pode ser feita integrando o produto de velocidade e concentração em toda a profundidade.

(2) carga da cama :

É aquela parte do sedimento que se move ao longo do fundo do canal. Os grãos avançam rolando, deslizando ou pulando ao longo da cama. O movimento do sedimento ao longo da cama é principalmente devido ao arrasto fluido. É o componente tangencial total do peso da água no comprimento unitário do canal.

É dado pela expressão:

arrastamento de fluido = v _W AS…. (1)

onde v _W = é o peso unitário da água;

A é a área da seção transversal; e

S é inclinação da cama

A força de tração é o arrasto fluido por unidade de área e é dada pela divisão A pelo perímetro molhado P.

Assim, τ ₀ = v _W RS

Para canais largos R = D

τ ₀ = v _W DS

Quando o valor da força de tração é tal que os grãos apenas começam a se mover, é chamado de força de tração crítica e é denotado pelo termo 'τ _cr '.

Para canais largos com cama lisa τ _cr é dado pela relação

τ _cr = 0, 047 (v - v _w ) d

onde v é o peso unitário do sedimento e

d é o diâmetro do grão.

Assim, pode ser visto que a taxa de transporte de carga no leito é uma função da diferença de X e X. Claro que não é tão simples, porque com um aumento da força intractiva as formas do leito sofrem alterações e ondulações são formadas. Essas ondulações criam resistência de forma e absorvem parte da força de tração. Duas equações geralmente usadas na determinação da taxa de transporte de carga no leito são dadas por Meyer-Peter e Einstein.

Equação de Meyer-Peter:

Afirma que a carga da cama transportada pela água em quilogramas por metro de largura é dada pela equação

qB é a taxa de transporte da carga do leito em kg / m / h.

τ ₀ é a intensidade da força de tração na cama em kg / m ²

n 'é o coeficiente de Manning para os grãos em uma cama lisa sem ondulações. Pode ser obtido a partir da equação

n '= (Ks) ^1/6 / 76

K _s é o diâmetro de grão efetivo em mm. É igual ao diâmetro médio dos grãos para grãos uniformemente próximos. Pode ser tomado como d ₆₅ ou o valor do diâmetro do que 65% do material é mais fino para areias graduadas.

n é o valor real do coeficiente de manning na cama com ondulações.

τ _cr é força de tração crítica em kg / m ²

Equação de Einstein:

Einstein adotou a abordagem estatística e a função de carga de leito derivada para a taxa de equilíbrio de transporte de carga de leito quando o número de partículas depositadas e decapadas foi o mesmo. Ele comparou a probabilidade da partícula ser erodida com a probabilidade de que o peso da partícula levantada seja menor do que o peso submerso. Ao derivar essa equação, ele fez várias suposições e adotou muitos coeficientes experimentais. A probabilidade P de movimento de partículas no leito é dada por ele como

Na relação acima, todos os parâmetros como ɸ, Ψ, Ƞ ₀, A, B são constantes. Ψ, é um parâmetro de cisalhamento adimensional enquanto que ɸ é um parâmetro de transporte adimensional.

Quando o material da cama é feito de material de grão uniforme, vários parâmetros reduzem a ɸ = ɸ e Ψ = Ψ e assim por diante.

Como a relação acima é incômoda, ele correlacionou ainda mais dois parâmetros adimensionais ɸ e Ψ como ɸ = f (Ψ) para fins práticos.

Para material de leito uniforme, a relação foi representada por uma curva no gráfico semi-logarítmico com equação

0, 465 ɸ = e ^{-0, 391 Ψ}

Ele deu valor de ɸ seguindo a equação:

Onde

G é a gravidade específica dos grãos;

d é o diâmetro dos grãos;

g é aceleração devido à gravidade

v _w é o peso específico da água

Outros símbolos têm os significados semelhantes já dados anteriormente.

Além disso, ele deu relação para ɸ como

Ψ = (G - 1) d / R'S

Onde

R 'é o raio médio hidráulico que existiria se o leito fosse não varrido. Quando o coeficiente de rugosidade utilizado representa uma rugosidade granular, apenas R 'pode ser calculado a partir da equação de Manning.

Para simplificar o procedimento, ele deu uma curva no papel log-log como ɸ = f (Ψ) para uso em trabalho e é dado na Fig. 9.5.

Relação de Einstein-Brown:

Brown plotou os dados no gráfico log-log e descobriu que todos os dados se reduzem a uma única função linear da forma

ɸ = 40 / (Ψ) ³

Essa relação também é útil para calcular o transporte de carga na cama em certos casos. Problema 9.7. Em um canal de variação ampla, a concentração de carga suspensa foi de 500 ppm a 0, 4 m acima do leito. Se a velocidade de queda de um grão em água parada for de 0, 04 m / seg e a inclinação do leito do canal for de 1 em 4500, determine a concentração de carga suspensa a 0, 8 m acima do leito do canal. Tome profundidade de fluxo como 2 m.

Solução:

Etapa 1. C a 0, 4 m acima do leito = 500 ppm = 500 x 10- ⁶ x 10 ³ = 0, 5 kg / m ²