Avaliação da Permeabilidade em Barragens de Rejeitos de
Mineração com o emprego do Permeâmetro de Guelph
Rafael J. Bittar
Pimenta de Ávila Consultoria, Belo Horizonte, Brasil
Alexandre G. Santos
Departamento de Engenharia Civil, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, Brasil
Romero César Gomes
Departamento de Engenharia Civil, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, Brasil
Antônio C. Barbosa
Bunge Fertilizantes S/A, Araxá, Brasil
RESUMO: Como alternativa para construção de sistemas de disposição e contenção de rejeitos, as
empresas mineradoras têm utilizado o próprio rejeito como elemento de construção (aterro
hidráulico). Entretanto, à falta de controle das variáveis de descarga durante o lançamento e as
próprias características dos rejeitos, remetem a um alto grau de heterogeneidade do material
depositado. Adicionalmente, a segregação hidráulica inerente à formação de um aterro hidráulico
influencia diretamente as condições de percolação e fluxo ao longo da praia, que por sua vez
representam requisito fundamental para a segurança construtiva e operacional de qualquer barragem
ou pilha de rejeitos. Nesse sentido, o presente trabalho descreve a utilização do permeâmetro de
Guelph como ferramenta prática e versátil para a avaliação da variação espacial do coeficiente de
permeabilidade ao longo da praia de uma barragem de rejeitos de fosfato, localizada no município
de Araxá - MG.
PALAVRAS-CHAVE: Barragens de Rejeito, Permeabilidade, Permeâmetro de Guelph.
1
INTRODUÇÃO
O processo construtivo dos aterros hidráulicos
consiste basicamente na descarga da mistura
sólido-líquido numa determinada área, onde a
maioria dos sólidos é depositada. Essa descarga,
por sua vez, remete a um processo conhecido
por segregação hidráulica que se constitui numa
importante característica nos aterros hidráulicos
referindo-se à tendência da fração sólida, ou
parte dela sedimentar, criando um gradiente de
concentração ao longo da praia de rejeitos
(Ribeiro, 2000).
Em concordância com o processo de
segregação, as partículas mais grossas e/ou mais
pesadas tendem a depositar mais próximo ao
ponto de descarga, enquanto as partículas finas
e/ou mais leves tendem a fluir ao longo da
superfície; no caso das barragens de rejeito, ao
longo da praia.
Vick (1983) apresenta uma concepção baseada
em um modelo estudado por Kealy E Busch
(1971), segundo a qual, o processo de
segregação hidráulica apresenta efeito direto na
distribuição granulométrica e nas condições de
fluxo gerando três zonas distintas na praia de
deposição (fig.1). Nesse sentido, o efeito da
segregação hidráulica cria uma zona de alta
permeabilidade relacionada ao material mais
grosseiro e próximo ao ponto de descarga, uma
zona de baixa permeabilidade relacionada ao
material mais fino e situada distante do ponto
de lançamento e uma zona intermediária entre
estes dois pontos.
Vick (1983) ressalta ainda que a largura relativa
de cada faixa na praia de deposição depende do
processo de segregação ocorrido, da
porcentagem de partículas grossas e finas
presentes nos rejeitos e da localização da lagoa
de decantação em relação ao ponto de
lançamento.
Figura 1. Modelo teórico de variação da condutividade
hidráulica em um depósito de rejeitos (Modificado –
Vick, 1983).
Diante deste contexto, torna-se necessário a
criação de metodologias que permitam avaliar a
drenabilidade dos rejeitos e sua variação
espacial ao longo da praia de deposição e do
maciço das barragens de forma rápida, correta e
eficiente.
Para tanto, a utilização do permeâmetro de
Guelph, em virtude de sua versatilidade e
praticidade, transfigura-se em uma interessante
ferramenta para a determinação das condições
de permeabilidade ao longo de uma praia de
rejeitos.
Assim, esse trabalho consistiu na realização de
uma ampla campanha de determinações de
permeabilidade e peso específico seco “in situ”
com o permeâmetro de Guelph e com o cilindro
biselado respectivamente, em uma barragem de
rejeitos de fosfato, localizada no município de
Araxá. Tal barragem encontra-se em franca
operação, sendo alteada pelo método da linha de
centro com ciclonagem de rejeitos na crista.
Paralelamente, foram coletadas amostras em
cada furo investigado e enviadas ao laboratório,
onde foram caracterizadas e posteriormente
submetidas ao processo de reconstituição de
amostras para realização de ensaios de carga
constante.
Dessa forma, será possível, além de atestar a
funcionalidade do permeâmetro de Guelph
aplicado a rejeitos de mineração, avaliar
qualitativamente as condições de deposição e
segregação hidráulica a que são submetidas tais
estruturas de contenção; possibilitando assim
um maior controle tecnológico na operação e
alteamento de barragens alteadas com rejeitos.
2
PROGRAMA EXPERIMENTAL
O Programa experimental consistiu na
realização de ensaios de campo e laboratório em
amostras de rejeito localizadas na praia da
barragem. A campanha de ensaios foi realizada
através da marcação em campo de duas seções
transversais ao eixo distantes 150 metros entre
si (fig. 2). Ao longo de cada uma das seções, a
partir da crista até o reservatório da barragem,
foram demarcados seis pontos onde se
implementou uma rotina de ensaios envolvendo
investigações de campo e coletas de amostras
do rejeito para os respectivos ensaios de
laboratório.
Com relação às distâncias dos pontos à crista da
barragem, tem-se que:
Tabela 1. Distância dos pontos de amostragem em relação
à crista da barragem.
PONTO Distância em relação à crista
F1
5 metros
F2
17 metros
F3
30 metros
F4
42 metros
F5
55 metros
F6
72 metros
Figura 2. Layout ilustrativo da malha de distribuição dos
pontos de amostragem.
2.1
Ensaios de Campo
Para a determinação do coeficiente de
permeabilidade saturado no campo, para cada
um dos pontos, seguindo a configuração da
malha proposta e apresentada anteriormente na
Figura 2, foram feitos furos e executados
ensaios de infiltração utilizando o permeâmetro
de Guelph (Fig. 3). Paralelamente, conforme já
mencionado, também foram feitas medidas do
peso específico seco de campo (Fig. 4), com o
intuito de se avaliar a compacidade relativa do
material depositado, bem como, fornecer
parâmetros para a reconstituição das amostras
em laboratório.
em regime permanente. Pode-se dizer que o
regime é permanente quando a vazão observada
se mantém constante por três leituras
consecutivas.
Neste método, o cálculo da condutividade
hidráulica saturada é realizado da seguinte
maneira:
Avaliação visual de campo para estimar o
parâmetro
dentro dos valores sugeridos por
Elrick et al. (1989); Para este trabalho adotou-se
um valor de igual a 0,12.
Determinação da vazão Q em regime
constante utilizando a seguinte expressão:
Q
Figura 3. Ensaio de infiltração com o permeâmetro de
Guelph, detalhe da colocação da ponteira no furo.
Figura 4. Determinação do peso específico “in situ” com
o cilindro biselado.
Para a determinação do coeficiente de
permeabilidade, optou-se pela utilização do
método de uma altura de carga constante
proposto por Soto (1999) e também descrito em
Santos (2004). Os procedimentos seguidos, de
acordo com tais autores, foram:
Preparação do furo com 6 cm de diâmetro
tomando-se cuidado com as paredes laterais de
furo; Os furos são executados com um minitrado helicoidal com 30 cm de profundidade.
Montagem e abastecimento de água nos
reservatórios do permeâmetro antes do
posicionamento da ponteira no furo;
Posicionamento do permeâmetro no furo
evitando-se golpes que possam danificar o furo;
Estabelecimento da altura H constante
correspondente ao único estágio; Optou-se pela
utilização de uma carga constante no furo igual
a 10 cm;
Finalização do ensaio após atingir o fluxo
A x Ri
(1)
Onde Q é a vazão em regime permanente, A é a
área da seção transversal do permeâmetro e Ri
a vazão de queda do nível de água no
reservatório.
Determinação do coeficiente de forma “C”
que depende do tipo de solo, e da razão H/a;
onde “H” é altura do nível constante aplicada no
furo e “a” corresponde ao raio do furo que foi
igual a 3 cm;
Determinação da condutividade hidráulica
saturada Kfs através da relação:
C.Q
K fs
2. .H
2
2
.a .C
2. .H
(2)
Onde Kfs é a condutividade hidráulica saturada
de campo, Q a vazão a carga constante, C o
fator de forma, a o raio do furo, H a altura de
água constante e
a constante, função das
propriedades do solo.
A Tabela 2 apresenta os valores de coeficiente
de permeabilidade e do peso específico seco
para cada ponto investigado ao longo da praia
através do ensaio com o permeâmetro de
Guelph e com o cilindro biselado,
respectivamente.
Pelos resultados fornecidos na tabela 2,
verifica-se que a permeabilidade na praia é da
ordem de 10-3 cm/s, valor típico de materiais
arenosos a areno-siltosos e, portanto,
pertinentes ao material em estudo.
PONTO
SEÇÃO 1
3
K (cm/s)
d (g/cm )
SEÇÃO 2
3
K (cm/s)
d (g/cm )
F1
1,43
2,73x10-3
1,43
6,30x10-3
F2
1,52
4,30x10-3
1,50
3,88x10-3
F3
1,51
3,15x10-3
1,48
3,15x10-3
F4
1,43
3,90x10-3
1,36
2,31x10-3
F5
1,46
3,39x10-3
1,41
1,47x10-3
F6
1,41
2,4x10-3
1,40
1,23x10-3
2.2
Ensaios de Laboratório
Posteriormente a determinação do coeficiente
de permeabilidade saturado e da densidade seca
de campo, para cada um dos pontos ensaiados
foram coletadas amostras deformadas do rejeito
depositado e encaminhadas ao laboratório de
Geotecnia da UFOP (Universidade Federal de
Ouro Preto) para os ensaios de caracterização e
permeabilidade à carga constante.
Tabela 3. Distribuição granulométrica dos rejeitos.
SEÇÃO 1
Gs Areia (%) Silte (%)
3,48
67,4
29,4
3,62
71,5
26,3
3,51
74,5
23,4
3,5
70
27,5
3,47
70,1
27,3
3,62
72,3
27,3
SEÇÃO 2
Ponto Gs Areia (%) Silte (%)
F1 3,44
79,1
19,5
F2 3,57
73,4
24,4
F3 3,41
70
27,6
F4 3,52
51,2
45
F5 3,44
46,1
48,7
F6 3,44
35,7
53,2
Ponto
F1
F2
F3
F4
F5
F6
Argila (%)
3,1
2,2
2,1
2,6
2,5
2,5
Argila (%)
1,4
2,3
2,5
3,8
5,2
11,1
SEÇÃO S1 - GRANULOMETRIA À LASER
100
90
80
F1
70
% que passa
Tabela 2. Valores do coeficiente de permeabilidade
saturado e do peso específico seco para os pontos
investigados na praia de rejeitos.
F2
60
F3
50
40
F4
30
F5
20
2.2.1
F6
10
Caracterização geotécnica das amostras
0
0,00001
0,0001
0,001
0,01
0,1
1
10
100
Diâmetro das Partículas (mm)
Figura 5. Curva granulométrica para seção 1
SEÇÃO S2 - GRANULOMETRIA À LASER
100
90
80
F1
70
% que Passa
Para a caracterização geotécnica das amostras
de rejeito coletadas, foram dispostos ensaios de
granulometria, densidade dos grãos (Gs) e
índice de vazios máximo e mínimo; todos
executados de acordo com as normas técnicas
padronizadas pela Associação Brasileira de
Normas Técnicas (ABNT).
Como os rejeitos lançados na praia
genericamente experimentam o processo de
segregação hidráulica, os ensaios de análise
granulométrica visam, além de caracterizar
granulometricamente às amostras coletadas,
avaliar seu comportamento em função da
distância ao ponto de descarga. A seguir
apresenta-se uma tabela (Tab. 3) com a
distribuição granulométrica das amostras bem
como as respectivas curvas (Fig. 5 e 6) para as
duas seções estudadas.
F2
60
F3
50
40
F4
30
F5
20
F6
10
0
0,00001
0,0001
0,001
0,01
0,1
1
10
100
Diâmetro das Partículas (mm)
Figura 6. Curva granulométrica para seção 2
Já na tabela 4, apresenta-se os resultados
referentes aos velores de emax e emin,
determinados em laboratório, bem como, da
densidade relativa referente ao peso específico
seco medido “in situ”.
Ponto
F2
F4
F6
d
(g/cm )
SEÇÃO 1
emáx
emín
Dr
1,46
1,46
1,57
0,80
0,82
0,90
12,24
5,33
5,34
SEÇÃO 2
emáx
emín
Dr
1,44
1.37
1,51
0,80
0,71
0,84
7,96
9,78
8,01
1,52
1,44
1,43
Ponto
F1
F3
F5
3
3
d
3
(g/cm )
1,44
1,48
1,4
ANÁLISES DOS RESULTADOS
Com o intuito de se avaliar a distribuição dos
coeficientes de permeabilidade ao longo da
praia, ou seja, verificar as condições de
segregação de permeabilidades, plotou-se um
gráfico (Fig. 7) que ilustra a variação deste
coeficiente com a distância a partir da crista.
Pela análise do gráfico é possível perceber que
o rejeito depositado ao longo da seção 2 atende
uma
tendência
de
diminuição
de
permeabilidades ao longo do comprimento da
praia, enquanto que na seção 1 tal tendência não
é verificada. Tal fato pode estar associado às
condições operacionais da barragem de rejeitos
estudada, uma vez que, são observadas com
freqüência operações de lançamento ou
espigotamento de rejeitos totais (não
ciclonados) na praia da barragem.
COEFICIENTE DE PERMEABILIDADE (CM/S)
COEFICIENTE DE PERMEABILIDADE DE CAMPO
X
DISTÂNCIA DO PONTO DE LANÇAMENTO
0,007
0,006
SEÇÃO 2
SEÇÃO 1
0,005
Expon. (SEÇÃO 2)
DIÂMETRO DOS GRÃOS X COEFICIENTE DE PERMEABILIDADE
(Seção 2)
0,008
COEFICIENTE DE PERMEABILIDADE (CM/S)
Tabela 4. Compacidade relativa dos rejeitos depositados
na praia.
aterro hidráulico e conseqüentemente de
segurança da barragem, a segregação de
permeabilidades observada na seção 2 é sem
dúvidas melhor, do ponto de vista operacional,
que aquela verificada na seção 1, uma vez que,
por apresentar maiores coeficientes de
permeabilidade próxima à crista e menores
coeficientes próximo ao lago, remete a uma
maior eficiência na depleciação da linha freática
a montante.
Associando os resultados da granulometria com
os valores do coeficiente de permeabilidade
saturada via Guelph, observa-se uma excelente
concordância, uma vez que, para a seção 2 é
observada tanto a segregação de permeabilidade
como a de granulometria, enquanto que na 1,
nenhuma tendência é observada.
Adicionalmente, em face da relação existente
entre a granulometria e a permeabilidade em
materiais arenosos, observa-se (fig.9) uma boa
tendência de correlação com o D50 e D90 das
amostras. Por outro lado, já para o D10,
evidencia-se uma forte tendência de ajuste entre
essa
grandeza
e
o
coeficiente
de
permeabilidade; evidenciando a influência da
porcentagem de finos presentes nas amostras do
rejeito.
0,007
y = 0.001e53.225x
R2 = 0.9817
y = 0.0007e17.301x
R2 = 0.8561
y = 0.0006e7.9211x
R2 = 0.8682
0,006
D50
0,005
D10
D90
0,004
0,003
0,002
D90
D50
D10
Expon. (D10)
Expon. (D50)
Expon. (D90)
0,001
0
0,0000
0,0500
0,1000
0,1500
0,2000
0,2500
0,3000
DIÂMETRO DOS GRÃOS (mm)
0,004
Figura 8. Tentativas de correlação entre o diâmetro dos
grãos e o coeficiente de permeabilidade determinado via
Guelph.
0,003
0,002
y = 0.0065e-0.0245x
2
R = 0.9749
0,001
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
DISTÂNCIA DO PONTO DE LANÇAMENTO (METROS)
Figura 7. Variação do coeficiente de permeabilidade com
a distância do ponto de lançamento dos rejeitos.
Do ponto de vista de qualidade de execução do
Com a intenção de se atestar à funcionalidade
do permeâmetro de Guelph, também foram
realizados ensaios de carga constante em
laboratório. As amostras coletadas e ensaiadas
foram moldadas nas suas condições (densidade)
de campo por meio da técnica de pluviação do
material a seco. O método consistiu em verter o
rejeito, previamente seco em estufa, através de
um tubo com 1,5 cm de diâmetro mantendo-se
sempre uma pequena altura de queda até
preencher todo o volume do molde
(permeâmetro). Na tabela 5 são apresentados os
resultados dos ensaios de carga constante
realizados em laboratório.
Tabela 5. Comparação entre os coeficientes de
permeabilidade determinados em laboratório e em campo.
Campo
Ponto Dr (%) K (cm/s)
S1.F2 12,24
4,30x10-3
S1.F4
5,33
3,90x10-3
S1.F6
5,34
2,40x10-3
S2.F1
7,96
6,30x10-3
S2.F3
9,78
3,15x10-3
S2.F5
8,01
1,45x10-3
Laboratório
Dr (%) K (cm/s)
2,49x10-3
3,07x10-3
2,01x10-3
3,89x10-3
1,46x10-3
5,23x10-4
20
20
20
20
20
20
Conforme se observa na tabela 5, os
coeficientes de permeabilidade determinados
em laboratório são sensivelmente inferiores
àqueles determinados no campo com o
permeâmetro de Guelph. Entretanto, conforme
pode ser observado no gráfico da figura 9, há
uma tendência de correlação entre eles. Tal fato
pode ser justificado pela presença de estratos
heterogêneos na praia e também pela condições
de saturação no campo, visto estas não serem
tão controladas quanto em laboratório.
Coef. de perm. de Laboratório (x10-3 cm/s)
Laboratório x Cam po
4,5
y = 0,6292x
R2 = 0,8439
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Coef. de perm eabilidade de Cam po (x10-3 cm /s)
Figura 9. Tendência de correlação entre os coeficientes de
permeabilidade determinados em laboratório e em campo.
4
CONCLUSÕES
A correta
coeficiente
e coerente determinação
de permeabilidade são
do
de
fundamental importância quando se deseja
avaliar
as
condições
de
fluxo
e
consequentemente de segurança em uma
barragem construída com rejeitos.
Nesse sentido, o permeâmetro de Guelph se
mostrou
uma
versátil
ferramenta
na
determinação do coeficiente de permeabilidade
ao longo da praia de rejeitos, principalmente
pelo baixo custo, rapidez e praticidade dos
ensaios, visto que, apenas uma pessoa pode, em
curto espaço de tempo, executar uma ampla
campanha investigativa.
Com relação aos resultados apresentados para a
barragem em estudo, face ao método de
alteamento em linha de centro e ao eficiente
sistema de drenagem, preocupações quanto à
segregação de permeabilidades medida para a
seção 1 podem ser minimizadas. Entretanto,
para barragens alteadas para montante, ou
mesmo para aquelas em que a segregação de
permeabilidades seja uma variável de grande
influência, sugere-se a adoção do permeâmetro
de Guelph como ferramenta no controle
construtivo e monitoramento destas estruturas.
AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de manifestar seu
agradecimento à Bunge Fertilizantes S/A, pelo
apoio e finaciamento da pesquisa.
REFERÊNCIAS
Bittar R. J. & Gomes, R.C. (2006) Caracterização
tecnológica dos rejeitos de flotação da Bunge
Fertilizantes S/A. Relatório Técnico.
Bittar, R. J. (2006). Caracterização Tecnológica de
Rejeitos de Mineração Aplicada a Avaliação da
Segurança e do Monitoramento da Barragem de
Rejeitos B5. Dissertação de Mestrado, Escola de
Minas da Universidade Federal de Ouro Preto.
Ribeiro, L.F.M. (2000). Simulação física do processo de
formação dos aterros hidráulicos aplicado a
barragens de rejeitos. Tese de Doutorado,
Universidade Federal de Brasília.
Santos, A.G. (2004). Influência do Teor de Ferro na
Condutividade Hidráulica Saturada de um rejeito de
Minério de Ferro. Dissertação de Mestrado, Escola de
Minas da Universidade Federal de Ouro Preto.
Soto, M.A.A. 1999. Estudo da Condutividade Hidráulica
em Solos não Saturados. Dissertação de Mestrado,
Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade
Federal de São Paulo.
Vick, S.G. 1983. “Planning, Design and Analysis of
Tailings Dams”. Wiley International, New York.