Estudo do fenômeno de barreira capilar: modelagem numérica e experimentação física

• Main Author: Paulo Augusto Diniz Silva
• Other Authors: Eduardo Von Sperling
• Format: Others
• Language: Portuguese
• Published: Universidade Federal de Minas Gerais 2011
• Online Access: http://hdl.handle.net/1843/ENGD-8KYQDA

=== The purpose of this work is to study the phenomenon of capillary barrier from physical and numerical modeling. This phenomenon arises when a flow of water tries to pass through a geological arrangement consisting of at least a layer of fine textured material placed over a layer of coarse textured material that, in unsaturated conditions, prevents or restricts the entry of water in larger pores of the latter material. The physical experimentation used a physical model depicting a geological profile, with two horizontal layers, placed over of sandy soils with different textures, without grass, under the action of gravitational drainage, exposed to different weather infiltration. In its turn, the numerical simulation was done using a mathematical model based on finite volume method, using central differences for spatial derivatives and a fully implicit scheme for approximation of time derivatives, in which Richards equation and the van Genuchten model were employed.Without taking into account the phenomenon of hysteresis. Two scenarios were developed to investigate the phenomenon of capillary barrier. The first scenario concerns the simulation of infiltration during a total period of 4 hours, when, in particular, the emergence and magnitude of the capillary barrier and hydraulic behavior and the influence of the interface between two layers of soil were discussed. In the secondscenario, the same event was handled, however, over 10 hours with three alternate stages of precipitation in order to assess the recovery of the barrier and verify the performance of the numerical model in relation to the cyclic events of infiltration. Results showed clearly that the phenomenon of capillary barrier occurs due to the difference in hydraulic conductivity between the groups concerned. The magnitude of the capillary barrier the ability of the arrangement to restrict the flow of water into the lower layer is approximately 20% of the volume of water stored. Its recovery, that is, the arrangement, returns to work with a hydraulic bulkhead, when the difference between the hydraulic conductivities of the materials involved displays at least two orders of magnitude. Currently this phenomenon is thoroughly investigated because its application in the final cover of deposits of urban and industrial waste shows that it is an attractive alternative to restrict the phenomenon of infiltration in a built geological environment. Seeking to achieve the proposed objective, the work was done strategically in three directions. The first direction is dedicated to defining the physical and hydraulic models to develop thehydraulic models of the materials involved. The second direction is committed to develop a laboratory prototype, reduced physical model, to evaluate the most relevant aspects of the phenomenology and serve as a reference to the computational model. And the last direction aims to develop a computer code to investigate the hydraulic behavior of the arrangement, representing a capillary and complementary barrier to the analysis and i nterpretation of the phenomenon of capillary barrier === Este trabalho tem como proposta o estudo do fenômeno de barreira capilar a partir da modelagem física e numérica. Tal fenômeno surge quando um fluxo de água tenta atravessar um arranjo geológico composto, pelo menos, por uma camada de material de textura finasobreposta a uma camada de material de textura grossa que, em condições não saturadas, impede ou restringe a entrada da água nos poros maiores deste último material. A experimentação física utilizou um modelo físico retratando um perfil geológico, contendo duas camadas horizontais, sobrepostas de solos arenosos com texturas diferenciadas, sem cobertura vegetal, sob ação da drenagem gravitacional, exposto a diferentes condições atmosféricas de infiltração. Já a simulação numérica foi feita utilizando um modelo matemático baseado no método dos volumes finitos, usando diferenças centrais para as derivadas espaciais e um esquema totalmente implícito para aproximação das derivadas temporais, cuja equação de Richards e o modelo de van Genuchten foram empregados, sem levar em consideração o fenômeno da histerese. Foram elaborados dois cenários para investigar o fenômeno em questão. O primeiro cenário diz respeito à simulação da infiltração durante um período total de 4 horas, onde, em especial,foram abordados: o surgimento e a magnitude do efeito de barreira capilar, o comportamento e a influência hidráulica da interface entre as duas camadas de solos. No segundo cenário, o mesmo evento foi tratado, porém, ao longo de 10 horas com três estágios alternados deprecipitação, a fim de avaliar a recuperação da barreira e verificar o desempenho do modelo numérico diante dos eventos cíclicos de infiltração. Os resultados mostraram claramente que o fenômeno da barreira capilar ocorre devido à diferença de condutividade hidráulica entre os meios envolvidos. A magnitude do efeito de barreira capilar capacidade do arranjo em restringir a passagem da água para a amadainferior é, aproximadamente, de 20% do volume de água armazenado. Sua recuperação, ou seja, o arranjo retorna a funcionar com um anteparo hidráulico, quando a diferença entre as condutividades hidráulicas dos materiais envolvidos exibe, pelo menos, duas ordens de grandeza. Atualmente este fenômeno vem sendo exaustivamente estudado, uma vez que sua aplicação em coberturas finais de depósitos de resíduos urbanos e industriais tem apontado ser uma alternativa bastante atraente para restringir o fenômeno da infiltração em meio geológico construído. A fim de alcançar o objetivo proposto, estrategicamente, o trabalho foi desenvolvido sob três eixos. O primeiro eixo dedica-se a definir os parâmetros físicos e hidráulicos para elaborar os modelos hidráulicos dos materiais envolvidos. O segundo eixo está empenhado em desenvolver um protótipo de laboratório, modelo físico reduzido, para avaliar os aspectos mais relevantes da fenomenologia e servir de referência para o modelo computacional. E oúltimo tem como finalidade desenvolver um código computacional para investigação do comportamento hidráulico do arranjo, representando uma barreira capilar e complementar à análise e à interpretação do fenômeno de barreira capilar