EFEITO DA VARIAÇÃO DO COEFICIENTE DE PERMEABILIDADE NO VOLUME DE UMA TRINCHEIRA DE INFILTRAÇÃO. Lorena Avelina Rojas Gutierrez 1

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1 EFEITO DA VARIAÇÃO DO COEFICIENTE DE PERMEABILIDADE NO VOLUME DE UMA TRINCHEIRA DE INFILTRAÇÃO Lorena Avelina Rojas Gutierrez 1 Alessandro Hirata Lucas 2 Celso Xavier de Oliveira Júnior 3 Ademir Paceli Barbassa 4 RESUMO O dimensionamento de estruturas de infiltração, empregadas na drenagem urbana com a finalidade de compensar os efeitos da impermeabilização do solo nas cidades, depende de variáveis incertas na sua determinação, como precipitação e coeficiente de permeabilidade (K). A variação dos valores desses parâmetros remete a variações significativas nas dimensões dessas estruturas. Neste trabalho, é avaliado o efeito da variação dos valores de K, decorrente de diferentes tempos de umedecimento prévio ao ensaio, no dimensionamento do volume a armazenar de uma trincheira de infiltração. Os valores de K foram obtidos em quatorze ensaios de poço invertido, realizados na área de expansão do campus da UFSCar em um mesmo tipo de solo. É possível observar que o volume de armazenamento da trincheira de infiltração estabelece uma relação inversa, mas não proporcional, aos valores de K. Ou seja, o coeficiente de permeabilidade pode vir a inviabilizar a adoção de estruturas de infiltração, na medida em que baixos valores de K demandam estruturas de grandes dimensões, muitas vezes, incapazes de serem implantadas. Palavras-chave: Coeficiente de permeabilidade; Drenagem urbana; Técnicas compensatórias; Trincheira de infiltração. 1 Mestranda, Universidade Federal de São Carlos-UFSCar, Programa de Pós-graduação em Engenharia Urbana-PGGEU, lorenavelina@gmail.com 2 Mestrando, Universidade Federal de São Carlos-UFSCar, Programa de Pós-graduação em Engenharia Urbana-PGGEU, aless_hirata@yahoo.com.br 3 Aluno de Iniciação Científica PIBIC/CNPq, Universidade Federal de São Carlos-UFSCar, Curso de Engenharia Civil-DECiv, xavier.celso@gmail.com 4 Prof. Dr., Universidade Federal de São Carlos-UFSCar, Departamento de Engenharia Civil-DECiv, barbassa@power.ufscar.com

2 1. INTRODUÇÃO As estruturas de controle de escoamento na fonte têm se mostrado importantes técnicas para redução dos picos de vazão e demanda dos sistemas de drenagem, cujo funcionamento pode se dar por detenção e/ou infiltração. As estruturas de infiltração, como bacias, trincheiras, valas e poços proporcionam, ainda, a recarga de água subterrânea e melhoria da qualidade das águas pluviais. Nestas estruturas, há parâmetros que podem dificultar ou até mesmo inviabilizar sua adoção, como por exemplo, nível do lençol freático, declividade e propriedades geofísicas do solo, que muitas vezes não são consideradas nos projetos. As propriedades do solo são específicas das condições geológicas, geomorfológicas e pedológicas em que este se encontra. Uma delas, a condutividade hidráulica, ou coeficiente de permeabilidade (K), é influenciada por parâmetros como índice de vazios, tamanho dos grãos, textura, composição e grau de saturação do solo. Alguns solos, tais como areias, têm altos K s, enquanto outros, como argilas, apresentam baixíssimos valores de K. O coeficiente de permeabilidade do solo é um elemento importante na concepção hidráulica de um sistema de infiltração. O ensaio de campo fornece uma estimativa deste parâmetro, mas deve-se salientar que há incertezas associadas às interferências locais, ao controle dos ensaios e ao método de cálculo. O dimensionamento de estruturas de infiltração apresenta, ainda, incertezas relacionadas à precipitação, ao coeficiente de escoamento superficial, etc. Neste trabalho, procurouse analisar o efeito da variação dos valores de K no volume a armazenar de uma trincheira de infiltração. Estes dados foram obtidos em quatorze ensaios de poço invertido acima do nível do lençol freático. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA As atividades antrópicas que ocasionam mudanças na superfície do solo, condicionadas pela urbanização e crescimento demográfico, implicam em alterações significativas no escoamento das águas pluviais. A impermeabilização do solo é a principal, mas não a única responsável pelo aumento do escoamento superficial, redução do tempo de concentração das águas nas bacias hidrográficas e ampliação dos picos de vazão dos rios (BAPTISTA; NASCIMENTO; BARRAUD, 2005). O aumento do volume de águas escoadas requer, muitas vezes, o redimensionamento de canais e galerias. As técnicas convencionais de drenagem urbana, baseadas no princípio higienista, têm a função de coletar o escoamento superficial direto e transportá-la para pontos distantes, transferindo os problemas das cheias e da carga poluidora para corpos hídricos à jusante. A implantação de canais e galerias produz custos dez vezes maiores que técnicas de controle na fonte (CORDEIRO NETTO, 2004). As medidas não-convencionais, também conhecidas como técnicas compensatórias de drenagem de águas pluviais, controlam a geração do escoamento na fonte, por detenção, infiltração ou combinação das duas funções, de forma a reduzir as vazões das redes de drenagem (CANHOLI, 2005). Como exemplos de técnicas compensatórias, podem-se citar: trincheiras, bacias, valas, valetas, poços e planos de infiltração, pavimentos permeáveis, telhados armazenadores e reservatórios individuais. As trincheiras de infiltração, assim como os pavimentos permeáveis, os poços de infiltração e as valas de infiltração são exemplos de técnicas compensatórias que, além de permitirem a redução do escoamento superficial e armazenamento das águas, favorecem a recarga do lençol freático e a melhoria da qualidade das águas drenadas, mas há o risco de contaminação do lençol, caso este esteja próximo à superfície ou se as águas drenadas possuírem alto grau de poluição. Em trincheiras de infiltração, as dimensões largura e profundidade são reduzidas quando comparadas ao comprimento, caracterizando-se como uma técnica compensatória linear, podendo a 2

3 dimensão ser um fator restritivo quando não há disponibilidade de espaço para a implantação (BAPTISTA; NASCIMENTO; BARRAUD, 2005). As incertezas quanto ao dimensionamento de estruturas de infiltração estão associadas ao coeficiente de permeabilidade, à precipitação e ao coeficiente de escoamento superficial. Um dos fatores de maior importância no dimensionamento das estruturas de infiltração é o coeficiente de permeabilidade do solo, que é influenciado por parâmetros que estão inter-relacionados, como o índice de vazios do solo, pois quanto menos compactado, mais permeável; o tamanho das partículas; a estrutura e a disposição das partículas no solo; o grau de saturação, pois ao percolar a água não remove todo o ar existente, o que dificulta o escoamento da água, fazendo por elevar o valor de K quando o grau de saturação do solo é elevado; o peso específico e, principalmente, a viscosidade da água variam com a temperatura e, assim, interferem no valor de K (LAMBE, 1951; PINTO, 2000). A determinação de K por ensaios de laboratório proporciona maior controle, porém exige cuidado para obtenção das amostras que representam aquela porção do solo. Os ensaios de campo são menos precisos devido aos parâmetros envolvidos, porém são executados no solo em sua situação real (PINTO, 2000). Segundo Lambe e Whitman (1979), a permeabilidade medida in situ não é usualmente precisa, porque as condições do solo e da água que existem no local da medida não são bem conhecidas. O cálculo de K pode ser feito por várias formulações. No caso de poço invertido citam-se os autores: ABGE (1996), Calduro e Dorfman (s/d) e Pratt et al. (1992 apud BAPTISTA, NASCIMENTO E BARRAUD, 2005). Nesta última referência a permeabilidade é denominada de capacidade de absorção (q as ), adotada neste trabalho. 3. METODOLOGIA 3.1. Localização dos ensaios e amostragens O dimensionamento da trincheira de infiltração foi feito a partir dos resultados dos ensaios de permeabilidade em campo (K) pelo método do poço invertido, realizados na área em expansão do campus da Universidade Federal de São Carlos UFSCar. Foram realizados 14 ensaios de infiltração em 3 poços distintos (ver Figura 1), com profundidades métricas de 2,20 e 3,00, para os tempos de umedecimento de 4, 6, 24, 30 e 48 horas. Figura 1 Local de amostragem e escavação dos poços para ensaios de permeabilidade no campus da UFSCar São Carlos 3

4 As amostras indeformadas foram coletadas em três diferentes profundidades: 0,80 1,00m, 1,40 1,60m e 2,00 2,20m, no Ponto 1, entre os poços 1 e 2, para obtenção dos índices físicos. Os ensaios preliminares para a pesquisa e a determinação das frações granulométricas do solo foram conduzidos conforme normas da ABNT (ABNT, 1984a, 1984b, 1986, 1995). Ver norma de determinação de índices físicos A permeabilidade do solo foi calculada pelo método utilizado na Grã-Bretanha, denominado capacidade de absorção (q as ), estimada pelo tempo de injeção de água de modo que o seu nível no poço perfurado passe de 75% para 25% da profundidade real do ensaio, conforme a Equação (1), (PRATT et al., 1992, apud BAPTISTA; NASCIMENTO; BARRAUD, 2005): S q as a50 t (1) Onde: S = volume de água compreendido entre 25% e 75% da altura de ensaio; a 50 = superfície interna do furo até 50% da altura do ensaio e considerando o fundo; t = tempo durante o qual o nível de água passa de 75% para 25% da altura do ensaio. Segundo Baptista, Nascimento e Barraud (2005), devem-se fazer ensaios consecutivos e adotar o menor valor do coeficiente de permeabilidade para dimensionamento de dispositivos de infiltração Cálculos para o dimensionamento da trincheira de infiltração O método adotado para o dimensionamento da trincheira de infiltração é o método das chuvas. Neste método, as curvas Intensidade Duração Frequência (IDF) para um determinado período de retorno são transformadas em curvas Altura Duração Frequência (PDF), onde as alturas correspondem ao produto da duração do evento pela intensidade, também conhecidas como curvas envelopes (BAPTISTA; NASCIMENTO; BARRAUD, 2005). Para o cálculo das intensidades de chuvas e das alturas precipitadas foi utilizada a equação de chuva da cidade de São Carlos, desenvolvida por Barbassa (1991), apresentada na Equação (2). A curva de precipitação foi traçada variando-se a duração de chuva. O período de retorno adotado é de 10 anos. Onde: i = intensidade de precipitação (mm/min.) Tr = período de retorno (anos) t = duração da precipitação (minutos) i 28,03 Tr (t 16) 0,199 0,936 (2) O produto do coeficiente de permeabilidade pela área de infiltração permite determinar a vazão de infiltração da estrutura. Alguns países adotam o coeficiente de redução de permeabilidade como estimativa do efeito da colmatação nas trincheiras, principalmente quando não há manutenção do sistema de drenagem ao longo do tempo. Neste trabalho, adotou-se o fator de segurança conforme o método proposto por Azzout et al. (1994 apud BAPTISTA; NASCIMENTO; BARRAUD, 2005, p.182), considerando que as águas pluviais não são limpas, não existem dispositivos de depuração e a manutenção é periódica, em que considera metade da área da 4

5 superfície das paredes como superfície de infiltração, ou seja, 2(L x 0,5p), onde L é o comprimento e p a profundidade da trincheira. Portanto, para calcular a vazão da infiltração utiliza-se a Equação (3): Onde: Q = vazão de infiltração (m 3 /s) A inf = área da superfície de infiltração (m 2 ) K = coeficiente de permeabilidade (m/s) Q A inf K (3) A vazão de infiltração constante Q para os diferentes valores de K pode ser expressa em altura específica de infiltração h inf, através da relação Q/Ad, sendo Ad a área de drenagem, no caso, parte da área coberta do Prédio da Medicina da UFSCar, correspondente a 400,00m². A lâmina de água máxima a ser armazenada pela trincheira de infiltração é obtida pela máxima diferença entre a altura precipitada e a altura infiltrada, conforme mostrado graficamente na Figura 2. Essa altura pode ser convertida em volume quando multiplicada pela área de drenagem. Altura máxima a armazenar 90,000 80,000 70,000 altura (mm) 60,000 50,000 40,000 30,000 dhmáx hprecipitado (mm) hinfiltrado (mm) 20,000 10,000 0, tempo (min.) Figura 2: Altura específica a armazenar pelo método da curva envelope Para análise da variação do volume da trincheira de infiltração em função dos valores de K optou-se por manter o comprimento da trincheira como variável dependente de seu volume. Desta forma o volume da trincheira pode ser expresso pela Equação (4): V n l L p (4) Onde: V = volume de armazenamento da trincheira (m3) l = largura da trincheira (m): 0,85m p = profundidade da trincheira (m): 1,15m L = comprimento da trincheira (m): variável n = porosidade do material de preenchimento, no caso brita: 0,40 Inicialmente, são adotadas dimensões da trincheira de infiltração para traçar a curva da lâmina de infiltração para cada valor de K. Neste trabalho, adotaram-se para a largura e a 5

6 profundidade valores fixos, variando somente seu comprimento, e conseqüentemente a área de infiltração. As dimensões da trincheira de infiltração são ajustadas às vazões de entrada e saída. O cálculo do tempo de esvaziamento da estrutura é feito através da relação do volume máximo a armazenar pela vazão de infiltração. O tempo de esvaziamento depende do K e para este caso em específico, do comprimento da trincheira de infiltração. De acordo com Baptista, Nascimento e Barraud (2005), o tempo de esvaziamento não deve ultrapassar 24 horas. 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES Os resultados dos ensaios de granulometria, índices físicos e compactação, e as variações das dimensões da trincheira de infiltração em função dos diferentes valores de coeficiente de permeabilidade obtidos em ensaios de campo, são apresentados a seguir. 4.1 Características do solo Análise granulométrica As composições e curvas granulométricas do solo amostrado em três profundidades são mostradas na Tabela 1 e Figura 3. O solo coletado no Ponto 1 foi classificado como Areia Média Argilosa SC, estando os valores de permeabilidade das amostras entre 10-4 e 10-7 m/s, segundo a Classificação Unificada citada por Pinto (2000). Tabela 1 Composições granulométricas do solo a diferentes profundidades Composição Granulométrica (%) Amostra Profundidade Classificação Argila Silte Areia (m) Fina Média Grossa 1 0,80-1,00 31% 7% 23% 29% 10% Areia Média Argilosa 2 1,40-1,60 31% 7% 25% 28% 9% Areia Média Argilosa 3 2,00 2,20 30% 6% 25% 30% 9% Areia Média Argilosa Figura 3 Curvas granulométricas do solo, amostrado a três profundidades 6

7 4.1.2 Índices físicos Apresenta-se na Tabela 2 os índices físicos das amostras de solo nas três profundidades. Verifica-se que tanto a porosidade (n) quanto o índice de vazios (e) até 1,60 m foram semelhantes, havendo redução de ambos, somente à profundidade de 2,00 a 2,20m. Tabela 2 Índices Físicos de amostras obtidas a três profundidades Profundidade (m) (%) nat (g/cm 3 ) d (g/cm 3 ) s (g/cm 3 ) e n (%) 0,80 1,00 19,99 1,36 1,14 2,74 1, ,13 1,40 1,60 20,03 1,38 1,15 2,72 1, ,24 2,00 2,20 20,36 1,47 1,23 2,74 1, ,42 Legenda: Teor de Umidade; nat Massa Específica Natural; d Massa Específica Aparente Seca; s Massa Específica dos Sólidos; e Índice de Vazios; n Porosidade; S r Grau de Saturação Variação das dimensões da trincheira de infiltração Na Figura 4 é apresentada a curva PDF e as curvas de infiltração para os valores de K mínimo (4, m/s), K médio (8, m/s) e K máximo (2, m/s), para o mesmo tempo de duração. S r (%) 70,000 60,000 PDF Kmin Kmed Kmax altura (mm 50,000 40,000 30,000 20,000 10,000 0, Duração (min) Figura 4 Variação do volume a armazenar pelo método da curva envelope Na Tabela 3 são apresentados os valores de K, correspondentes aos valores dos 14 ensaios de permeabilidade, e os valores médios de K, o desvio padrão e o coeficiente de variação para cada poço. A ausência dos valores de alguns ensaios de tempo de umedecimento se deve a interferências na realização dos mesmos. Contata-se que a variação dos valores de K é influenciada pelos tempos de umedecimento prévio ao ensaio, já que a composição granulométrica é bastante semelhante, como visto anteriormente na Figura 3. 7

8 Poço 1 Tabela 3 Variação de K e das dimensões da trincheira de infiltração Tempo de umedecimento (h) K (m/s) Tempo de esvaziamento (h) Comprimento (m) Volume (m³) 6 1, ,14 44,00 17, , ,42 46,00 17, , ,26 47,00 18, , ,95 48,00 18,77 k = 9, m/s; k = 1, m/s; C k = 17% 4 7, ,90 47,00 18,38 6 5, ,81 49,00 19, , ,40 50,00 19, , ,94 50,00 19, , ,04 51,00 19,94 K = 4, m/s; k = 3, m/s; C k = 73% 4 2, ,47 39,00 15,25 6 1, ,89 41,00 16, , ,06 46,00 17, , ,08 47,00 18, , ,35 47,00 18,38 K = 1, m/s; k = 6, m/s; C k = 56% Nota: média ( i / n desvio padrão ( ) = ( i / n 1) ½ coeficiente de variação (C ) = Verifica-se que a variação máxima de K de 4,5 vezes (entre 2, e 4, m/s) produziu uma variação do volume de 1,3 vezes (entre 15,25 e 19,94m 3 ) e uma importante variação no tempo de esvaziamento da trincheira, de aproximadamente, 4,5 vezes (entre 4,47 e 20,04 horas). A Figura 5 representa a variação do volume da trincheira de infiltração em função dos valores de K. 25,00 volume (m3) 20,00 15,00 10,00 4,00E-06 6,00E-06 8,00E-06 1,00E-05 1,20E-05 1,40E-05 1,60E-05 1,80E-05 2,00E-05 2,20E-05 K (m /s) Figura 5 Tendência do volume com o aumento do K 8

9 5. CONCLUSÃO As trincheiras de infiltração, assim como outras técnicas compensatórias, possuem limitações nas suas aplicações, como por exemplo, características físicas do solo e dimensões estruturais. As características físicas do solo podem resultar em baixo valor de coeficiente de permeabilidade, limitando ou até mesmo inviabilizando a adoção de dispositivos de infiltração, podendo estas funcionar como trincheiras de detenção ou instalando-se tubos drenos para evacuação das águas. Grandes dimensões também podem inviabilizar a implantação de trincheiras de infiltração devido à falta de área disponível. Observa-se que há grande variação do volume da trincheira de infiltração no estudo realizado, e conseqüentemente do seu comprimento e tempo de esvaziamento em função das variações dos valores de K. O valor de K máx equivale a aproximadamente 4,5 vezes o valor de K mín, enquanto o comprimento e o volume da trincheira de infiltração têm elevação de 1,31 vezes, e o tempo de esvaziamento aproximadamente 4 vezes, não estabelecendo uma relação diretamente proporcional. Também é possível observar que maiores tempos de umedecimento correspondem a menores coeficientes de permeabilidade. Portanto, o tempo de umedecimento é uma variável importante, podendo a reincidência de chuvas gerar redução da taxa de infiltração da estrutura. Isto pode justificar a recomendação de executar ensaios de permeabilidade consecutivos. Esta é uma análise preliminar, feita com base em um tipo de solo. Análises mais completas em relação ao solo e outras variáveis são sugeridas. AGRADECIMENTOS À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior CAPES e ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CNPq pelos recursos das bolsas de mestrado e de iniciação científica, respectivamente. REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE GEOLOGIA DE ENGENHARIA. Ensaios de Permeabilidade em Solos: orientações para sua execução no campo. 3ª. ed., Boletim 04, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6457: Preparação de amostras de solo para ensaios de compactação e ensaios de caracterização (método de ensaio). Rio de Janeiro: ABNT, NBR 6502: Rochas e solos Terminologia. Rio de Janeiro, NBR 6508: Grãos de solos que passam na peneira de 4,8 mm - Determinação da massa específica. Rio de Janeiro, 1984a.. NBR 7181: Solo Análise granulométrica. Rio de Janeiro, 1984b. BAPTISTA, M.: NASCIMENTO, N.; BARRAUD, S. Técnicas compensatórias em Drenagem Urbana. Porto Alegre: ABRH,

10 BARBASSA, A. P. Simulação do Efeito da Urbanização sobre a Drenagem Pluvial da Cidade de São Carlos, SP. 1991, 327 p. Tese (Doutorado em Hidráulica e Saneamento). Universidade de São Paulo, USP, EESC, São Carlos, CANHOLI, A. P. Drenagem Urbana e Controle de Enchentes. São Paulo: Oficina de textos, 2005, 302p. CORDEIRO NETTO, Oscar de M. Técnicas de Minimização da Drenagem de Águas Pluviais. In: GERENCIAMENTO DO SANEAMENTO EM COMUNIDADES ORGANIZADAS. Apresentação em PowerPoint. São Paulo, 4 e 5 de maio de LAMBE, T. W. Soil Testing for Enineering. New York: John Wiley, p. LAMBE, T. W.; WHITMAN, R. V. Soil Mechanics, SI version. Massachusetts Institute of Technology. 3rd ed. New York: John Wiley & Sons, PINTO, C. de Souza. Curso básico de Mecânica dos Solos em 16 aulas. São Paulo: Oficina de Textos, 247p.,