Investigation of soil behavior around leaks in water distribution systems

Os vazamentos observados em sistemas de distribuição de água implicam não apenas em perdas significativas de água, mas também na erosão do solo em volta da tubulação, havendo potencial risco à sustentabilidade do sistema como um todo. A detecção de pontos de vazamentos em redes de captação e distribuição de água é tema e inspiração de uma grande quantidade de estudos no cenário científico. Porém, a investigação do comportamento do solo em torno de vazamentos é um tópico ainda considerado recente e carente de métricas necessárias para compor um banco de dados amplo e acessível. É neste panorama que se insere a presente pesquisa, que buscou investigar a interação solo-vazamento por meio de uma investigação experimental do fenômeno da fluidização decorrente de um jato ascendente de água através de um orifício. Este jato tem a função de simular um vazamento que adentra a camada granular circundante à tubulação, que, no presente estudo, foi simulada de forma ideal por microesferas de vidro de diâmetro reduzido denominadas Ballotini. O método de investigação consistiu na utilização de uma configuração experimental desenvolvida com a finalidade de permitir a medição das distribuições de pressões excedentes (valores acima das pressões medidas em estado estático, isto é, antes da ocorrência da fluidização) e as velocidades geradas pelo fenômeno da fluidização interna. Além disso, a técnica PIV (Particle Image Velocimetry) foi empregada para a obtenção de campos de velocidades instantâneas com uma interferência mínima na ocorrência do fenômeno. São feitas ainda considerações acerca da geometria da região fluidizada associando-a a uma nova formulação teórica desenvolvida. Os resultados encontrados revelam que um estado permanente de recirculação ocorre na região próxima ao orifício de entrada, sendo que este estado impede que o vazamento aflore a superfície. Métricas e relações adimensionais para as características geométricas de cavidades provocadas no fenômeno da fluidização são apresentadas e foram avaliadas as influências de alguns parâmetros empíricos. Uma análise de sensibilidade sobre a influência da vazão de entrada e da altura da camada granular é apresentada.Leaks observed in water distribution systems imply not only significant water losses, but also soil erosion around the pipeline, with a potential risk to the sustainability of the system. The detection of leakage points in water collection and distribution networks is the theme and inspiration of a large number of studies in the scientific field. However, the investigation of soil behavior around leaks is a topic still considered recent and there is a gap of the necessary metrics to compose a widely and accessible database. In this sense, the present aimed to investigate the soil-leak interaction through an experimental investigation of the fluidization process resulting from an upward water jet through an orifice. This jet simulates a leak that enters the granular layer that surrounds the pipe, which, in this study, was simulated by small diameter glass microspheres called Ballotini. The investigation method consisted of using an experimental apparatus developed with the purpose of allowing the measurement of excess pore pressure distributions (values above the pressures measured in a static state, in other words, before the fluidization) and the velocities generated by the phenomenon of internal fluidization. Furthermore, the Particle Image Velocimetry (PIV) technique was used to obtain instantaneous velocity fields with minimal interference in the occurrence of the phenomenon. Considerations about the geometry of the fluidized region were performed, relating them to a newly developed theoretical formulation. Results from the experiments revealed that a permanent state of recirculation occurs in the region close to the entrance orifice, where this condition restricts the leak from growing and reaching the bed surface. Metrics and dimensionless relations for the geometric characteristics of cavities caused by the fluidization phenomenon are presented, and the influences of some empirical parameters were evaluated. A sensitivity analysis of the influence on the inlet flow rate and the height of the granular bed is presented