Ensaios de água

Os ensaios de água em geotecnia

Os ensaios de água permitem caracterizar quantitativamente a circulação das águas subterrâneas. São indispensáveis para dimensionar os rebaixamentos de lençol, as drenagens, a estanqueidade das barragens e das escavações. Três grandes famílias de ensaios são utilizadas na prática.

Todos esses ensaios baseiam-se na mesma lei de Darcy, que exprime que a vazão de água Q que atravessa um meio poroso é proporcional à permeabilidade K, à seção A e ao gradiente hidráulico H/h.

Ilustração da lei de Darcy: **Q = K · A · H/h**. A vazão Q que atravessa uma coluna de areia depende da permeabilidade K, da seção A e do gradiente hidráulico H/h.

O ensaio Lefranc

O ensaio Lefranc é o mais utilizado na geotecnia corrente. Dirige-se aos terrenos muito permeáveis (permeabilidade da ordem de 10⁻³ a 10⁻⁵ m/s). É usado classicamente para medir a permeabilidade intersticial de rochas soltas (areias, cascalhos, aluviões).

Princípio

O ensaio consiste em injetar água em camadas permeáveis e medir o volume de água absorvido sob uma carga hidráulica dada. Conhecendo o volume injetado, o diâmetro da sondagem e a carga aplicada, calcula-se o coeficiente de permeabilidade:

Q = m · K · H · D donde K = Q / (m · H · D)

K: coeficiente de permeabilidade (m/s)
D: diâmetro da sondagem / da câmara (m)
L: altura da câmara (m)
H: carga hidráulica (m de água)
m: coeficiente de forma da câmara, m = (2π·L/D) / ln(2L/D)

Esquema do ensaio Lefranc: um obturador (tipicamente 0,30 a 1,50 m) isola um trecho da sondagem (ensaiado em 0,50 a 5,00 m), no qual se injeta água sob uma carga H. A vazão Q absorvida é medida no contador, a pressão no manômetro Pm.

O ensaio Lugeon

O ensaio Lugeon é antes reservado aos terrenos de permeabilidade média a baixa (10⁻⁵ a 10⁻⁸ m/s). É usado para medir a permeabilidade de fraturas nas rochas compactas — é o ensaio de referência para os estudos de barragens, cortinas de impermeabilização e contenções em sítio rochoso.

Princípio

Consiste em injetar água numa sondagem sob diferentes patamares de pressão, durante um tempo constante, a fim de deduzir a permeabilidade da formação geológica. Os patamares clássicos são 1, 2, 5, 10 e depois 5, 2, 1 bar (ciclo ascendente-descendente), mantidos 10 minutos cada. Os parâmetros medidos (volume injetado, pressão aplicada) são convertidos em “absorção unitária” expressa em unidade Lugeon.

1 Lugeon = vazão de 1 litro/minuto injetado num trecho de sondagem de 1,00 m, sob uma pressão de 1 MPa (10 bar), mantida constante durante 10 minutos.
Equivalência aproximada: 1 UL ≈ K = 10⁻⁷ m/s.

A análise da curva pressão-vazão nos patamares ascendentes e descendentes permite identificar o comportamento: laminar, turbulento, expansão, lavagem, colmatação. Se a curva for linear, pode-se aplicar:

K = (1/π) · Q · ln(R/r) / (L · H)

Q: vazão (m³/s)
R: raio de ação (~ 200 m)
r: raio da sondagem (m)
L: altura da câmara (m)
H: carga hidráulica (m de água)

Sonda de duplo obturador para ensaio Lugeon: a câmara de ensaio é isolada entre dois obturadores infláveis, equipada com sensores de pressão que medem a pressão de injeção e as pressões nas câmaras adjacentes (verificação da estanqueidade dos obturadores).

O ensaio de bombeamento

O ensaio de bombeamento é o mais representativo para caracterizar um aquífero em grande escala. O princípio: bombear a água de um poço central a vazão constante e observar o rebaixamento no poço e em vários piezômetros de observação ao redor.

Os parâmetros deduzidos:

Transmissividade T (m²/s) — capacidade do aquífero de transmitir a água; produto de K pela espessura saturada
Coeficiente de armazenamento S (adimensional) — volume de água liberado por unidade de seção e por unidade de queda de carga
Raio de ação do bombeamento

Os métodos de análise clássicos são os de Theis (regime transitório) e de Jacob (aproximação logarítmica em regime quase-permanente).

Instalação típica para um ensaio de bombeamento: **(1)** tubo filtrante, **(2)** material filtro, **(3)** bomba submersa, **(4)** revestimento do poço, **(5)** tubo de medição do nível d'água, **(6)** tampão estanque, **(7)** tubo de suporte do filtro, **(8)** dispositivo de medição do nível d'água, **(9)** base do filtro.

Disposição dos piezômetros ao redor de um poço de bombeamento — Disposição típica dos piezômetros ao redor de um poço de bombeamento: vários piezômetros de observação são implantados a diferentes distâncias (X1 a X4 no eixo leste, Y1 a Y3 no eixo norte) para caracterizar o rebaixamento e calcular a transmissividade do aquífero pelos métodos de Theis ou Jacob.

O micromolinete

O micromolinete (ou flowmeter) é um dispositivo descido numa sondagem para medir a velocidade vertical do fluido a diferentes profundidades. Ele identifica:

as entradas de água produtivas no interior de uma sondagem multicamadas
as circulações parasitas entre aquíferos sobrepostos (drenagem involuntária)
as zonas mais permeáveis de um aquífero fraturado

A relação T = K · H permite calcular a transmissividade de cada entrada de água identificada.

Perfil de micromolinete — obra France Télévision, Paris 15 — Perfil de micromolinete realizado num poço do 15º arrondissement de Paris (obra France Télévision): o registro do % da vazão máxima em função da profundidade identifica 6 entradas de água distintas (K1 a K6), correspondentes a outros tantos horizontes permeáveis. Os perfis de descida e de subida são sobrepostos para validação.