Avaliação do fluxo através de barreiras. Impermeabilizantes em aterros sanitários brasileiros

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1 Avaliação do fluxo através de barreiras. Impermeabilizantes em aterros sanitários brasileiros I. Giugni Vidal, Nathalie Touze-Foltz To ite this version: I. Giugni Vidal, Nathalie Touze-Foltz. Avaliação do fluxo através de barreiras. Impermeabilizantes em aterros sanitários brasileiros. VII Congresso Brasileiro de Geotenia Ambiental e VI Simpósio Brasileiro de Geossintétios REGEO/Geossintétios 2011, Nov 2011, Belo Horizonte, Brazil. 8 p., <hal > HAL Id: hal Submitted on 11 Jan 2012 HAL is a multi-disiplinary open aess arhive for the deposit and dissemination of sientifi researh douments, whether they are published or not. The douments may ome from teahing and researh institutions in Frane or abroad, or from publi or private researh enters. L arhive ouverte pluridisiplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de douments sientifiques de niveau reherhe, publiés ou non, émanant des établissements d enseignement et de reherhe français ou étrangers, des laboratoires publis ou privés.

2 Avaliação do Fluxo através de Barreiras Impermeabilizantes em Aterros Sanitários Brasileiros Indiara Giugni Vidal Consultora em Geossintétios, Brasil, Nathalie Touze-Foltz Cemagref, França, RESUMO: O trabalho faz uma avaliação do impato de alguns parâmetros na quantidade do fluxo, resultante do vazamento, através de defeitos simulados na geomembrana de um sistema de barreira omposto, em quatro aterros sanitários brasileiros. Foi realizado um estudo paramétrio, no qual a onfiguração da barreira omposta simula a geomembrana apresentando defeitos, om o objetivo de mostrar o aumento da arga hidráulia apliada sobre a barreira impermeabilizante de fundo, devido à oloação de uma amada de proteção, onstituída por solo de média a baixa permeabilidade. Observou-se que a arga hidráulia é pratiamente proporional a quantidade de fluxo. Além disto, foi onstatado o benefíio do uso do, assoiado à amada de argila ompatada, quanto à redução da quantidade de fluxo, quando se substituiu parte da amada de argila pelo geoomposto argiloso,. PALAVRAS CHAVES: Barreiras de Fluxo, Barreiras Impermeabilizantes, Geomembrana, Geoomposto Argiloso,, Defeitos em Geomembranas, 1 INTRODUÇÃO A má qualidade da instalação da geomembrana, assim omo a defiiênia do ontrole de qualidade da instalação desta, em obras nas quais se faz neessário uma barreira de proteção ambiental, tem prejudiado fortemente o meio ambiente. Para mostrar o impato que uma instalação não adequada da geomembrana pode ter, assim omo o benefíio do uso do, este trabalho apresenta os resultados do álulo da transferênia por adveção através de algumas onfigurações de sistemas de barreira de fluxo ompostas, instaladas omo impermeabilização da base de aterros sanitários. Foram estudados quatro aterros sanitários, avaliando-se dois parâmetros importantes no desempenho da barreira de fluxo ao longo do tempo. O primeiro foi a omposição da barreira mineral, na qual parte da amada de argila foi substituída por um. O segundo foi a arga hidráulia apliada sobre o sistema da barreira impermeabilizante de fundo. Em alguns dos aterros analisados, neste estudo, onstatou-se que foi oloada uma amada de proteção, de solo de média a baixa permeabilidade, sobre a geomembrana, que ompõe a barreira impermeabilizante omposta. O impato de uma arga hidráulia alta, no fluxo por adveção, foi simulado através de um estudo paramétrio, para uma onfiguração de barreira omposta de uma amada mineral de argila ompatada sob uma geomembrana apresentando defeitos, om o objetivo de mostrar que a amada de proteção de solo sobre a geomembrana resulta em aumento da mesma. Neste estudo foi suposto que o sistema drenante, de material granular, instalado sobre a barreira omposta teve um bom desempenho. Anais do VII Congresso Brasileiro de Geotenia Ambiental e VI Simpósio Brasileiro de Geossintétios REGEO/Geossintétios 2011 Belo Horizonte, MG, Brasil, 21 a 24 de novembro de 2011

3 2 PRINCÍPIOS DOS CÁLCULOS EFETUADOS 2.1 Prinípios relativos ao modo de transferênia A transferênia de massa através de barreiras é baseada nos fenômenos de adveção e de difusão. Neste trabalho somente transferênias por adveção foram onsideradas. Estudaram-se duas onfigurações: uma únia barreira mineral, amada de argila ompatada, e uma amada de argila de espessura reduzida, reforçada por um, onstituindo uma barreira omposta. 2.2 Quantifiação do fluxo através de barreiras minerais O fluxo advetivo, Q, na barreira mineral é alulado seguindo a lei de Dary: Q = k s i s (1) Onde, k s é a permeabilidade equivalente em m/s e i s é o gradiente hidráulio. Assumiu-se que: (1) o fluxo é lamelar; (2) o solo da barreira é saturado; (3) o fluxo do líquido através da barreira é vertial, Rowe (1998), Touze-Foltz et al. (1999). De aordo om o prinípio da ontinuidade do fluxo, a permeabilidade equivalente, k s, orrespondente ao e a amada de argila é dada por Rowe (1998), Touze-Foltz et al. (1999): H H k s H k H k (2) Onde, H é a espessura da amada de argila em m; H é a espessura do em m; k é a permeabilidade da amada de argila em m/s. Quando a arga hidráulia, h w, é apliada sobre a barreira omposta, o gradiente hidráulio médio, i s, através da barreira e do solo de apoio é dado por Rowe (1998): i s H H hw hw 1 (3) H H H H 2.3 Quantifiação do fluxo através de barreiras ompostas Defeitos na geomembrana Os tipos de defeitos na geomembrana onsiderados neste trabalho são os mesmos ontemplados nos artigos de Giroud & Touze- Foltz (2005), Touze-Foltz & Giroud (2003, 2005) e Touze-Foltz e Barroso (2006): (1) defeitos irulares loalizados na área plana da geomembrana (perfurações); (2) defeitos de omprimento infinito loalizados na área plana da geomembrana, tais omo soldas om defeito, ortes e rasgos longos também hamados defeitos estreitos; (3) defeitos de qualquer forma, loalizados nas dobras das ondulações (rugas) da geomembrana, resultando dobras defeituosas Cálulo da quantidade de fluxo através dos defeitos da geomembrana A quantidade de fluxo através de um defeito da geomembrana depende do ontato entre a geomembrana e o solo de apoio onstituinte da barreira, omo indiado por Brown et al. (1987). De aordo om estes autores, se o ontato não é perfeito, quando o líquido migra através do defeito, há um espalhamento lateral através do espaço vazio existente entre a geomembrana e o solo de apoio, hamado interfae. Este fluxo na interfae obre uma área, hamada área molhada. Finalmente, o líquido migra para dentro e através do solo da barreira omo apresentado na Figura 1. A onstatação destes autores mostra que quanto pior o ontato, resultante de uma instalação inadequada da

4 geomembrana, maior será o fluxo pelos defeitos que hegará à amada de argila ompatada. Conforme a qualidade da instalação da geomembrana, duas ondições de ontato geomembrana-ccl (amada de argila ompatada) são tipiamente onsideradas: ontato bom e não adequado. As ondições de ontato bom e não adequado foram iniialmente definidas por Giroud (1997), baseadas no oneito original de Giroud et al. (1989). A ondição de ontato exelente foi aresentada a estes oneitos por Touze-Foltz & Giroud (2003). As definições destas ondições de ontato são apresentadas a seguir: Figura 1. Fluxo do vazamento através de uma barreira omposta devido a um defeito irular na geomembrana, para uma arga hidráulia de líquido sobre a geomembrana A ondição de ontato não adequado (CNA) orresponde a uma geomembrana que foi instalada om erto número de rugas (ondas), e/ou foi oloada em sobre um solo de baixa permeabilidade que não foi adequadamente ompatado e não apresentava a superfíie lisa, regular; A ondição de ontato bom (CCB) orresponde a uma geomembrana que foi instalada om pouas rugas (ondas) na medida do possível, sobre um solo de baixa permeabilidade que foi ompatado adequadamente e teve a superfíie lisa e regular. Além disto, assume-se que há arga de ompressão sufiiente para manter a geomembrana em ontato om a amada de solo de baixa permeabilidade, sob a mesma. Adiionalmente, Touze-Foltz & Barroso (2006) definiram om base em pesquisas realizadas em laboratório, uma ondição de ontato representativo do oloado abaixo da geomembrana, hamada de ondição de ontato geomembrana- (GM-). O fluxo através dos defeitos da geomembrana, em função das ondições de ontato é avaliado pelas equações (4) a (6): log 1,3564 0,7155logk L (4): para ondição de ontato bom log 0,5618 0,7155logk L (5): para ondição de ontato não adequado log 2,2322 0,7155logk L (6): para ondição de ontato geomembrana- Onde: θ é a transmissividade da interfae em m²/s e k L é a permeabilidade do solo da barreira em ontato om a geomembrana em m/s. Perebe-se laramente através destas equações, que o ontato entre geomembrana e é melhor do que a argila em ontato om a geomembrana. Isto é devido à apaidade de expansão da bentonita do Parâmetros genérios adotados no álulo Foi adotado uma densidade de 20 furos ou defeitos, por hetare, na geomembrana, om base em dados publiados por Touze-Foltz et al. (2008). A distribuição adotada para os defeitos inlui 15 furos irulares, 4 ortes e uma ruga/onda danifiada. Pequenos defeitos orrespondem a furos irulares de 10-3 m de diâmetro, ortes de 10-3 m de largura por 0,10 m de omprimento e ruga/onda de 0,15 m de largura por 10 m de omprimento. Defeitos grandes orrespondem a furos irulares de 10-2 m de diâmetro, ortes de 10-2 m de largura por 0,30 m de omprimento e ruga/onda de 0,30 m de largura por 30 m de omprimento. Nos álulos efetuados, o fluxo do vazamento no final dos defeitos longitudinais, assim omo orte ou rugas foram levados em onsideração. Pesquisa realizada por Touze-Foltz et al. (2008)

5 onstatou que esta onfiguração de defeitos explia o vazamento geralmente observado nos sistemas de deteção de vazamento intermediários de barreiras ompostas duplas. Um resumo das dimensões dos defeitos para as várias onfigurações é dado na tabela 1. No aso em que o foi oloado sob a geomembrana, sua permeabilidade foi onsiderada igual a 5x10-11 m/s, que é usado na França omo o valor máximo da permeabilidade de s virgens (reém fabriados). A espessura adotada para o foi de 0,01m. Duas onfigurações de álulo foram omparadas para todos os aterros: o aso onde há um metro de amada de argila omo barreira mineral, e o aso onde uma amada de argila de 0,50 m de espessura é reforçada por um. A permeabilidade adotada da amada de argila foi baseada em resultados de ensaios de laboratório realizados para os aterros sanitários, que foram seleionados para este estudo. A arga hidráulia apliada sobre a barreira é da ordem de 0 a 1 m, no aso de barreira omposta. Na realidade, foi observado que uma amada de solo om permeabilidade média a baixa tem sido usada sobre a barreira omposta para proteger a geomembrana, antes da oloação da amada de drenagem granular. Neste aso, a arga hidráulia no topo da barreira omposta será maior, podendo failmente alançar 1 m. A influênia deste parâmetro no fluxo do vazamento é então estudada a seguir. 3 RESULTADOS DOS CÁLCULOS Os álulos foram realizados utilizando os valores da permeabilidade do solo da barreira de ada um dos quatro aterros sanitários estudados. Como o álulo efetuado foi genério, as espessuras adotadas das amadas de argila não representam neessariamente os valores reais desta amada em ada aterro. Tabela 1: Resumo dos parâmetros adotados para a distribuição de defeitos pequenos e grandes na geomembrana da barreira omposta Furos (Defeitos) Defeitos Pequenos Defeitos Grandes Diâmetro (m) 10-3 Largura (m) Comprimento (m) Número de Defeitos por Hetare Furo Cirular 15 Cortes ,10 4 Ondas 0, Furo Cirular Cortes ,30 4 Ondas 0, Todos os aterros foram revestidos om geomembrana de PEAD, de 2 mm de espessura, instalada sobre a barreira mineral. O gradiente hidráulio, nos quatro aterros, foi assumido sendo o mesmo nas duas onfigurações de barreira omposta. Para todos os aterros foram estudadas as duas onfigurações: (1) uma geomembrana de PEAD sobre uma únia barreira mineral, amada de argila ompatada de 1 m de espessura, e (2) uma geomembrana de PEAD sobre uma amada de argila de espessura 0,5 m, reforçada por um, onstituindo uma barreira omposta. 3.1 Aterro 1 Permeabilidade do solo da barreira sob a geomembrana, determinada em laboratório: de 1,43x10-9 m/s. Foi oloada sobre a geomembrana de PEAD a amada de proteção de argila ompatada de 0,50 m de espessura. Esta onfiguração foi usada para avaliar o impato do aumento da arga hidráulia no fluxo do vazamento através da barreira omposta. A tabela 2 apresenta o fluxo que passa através da barreira mineral para as duas onfigurações estudadas. Observa-se, que a onfiguração om a redução da espessura da amada de argila e reforço de é equivalente a onfiguração na

6 qual uma amada de argila de um metro de espessura é usada. Tabela 2. Fluxo obtido na amada de argila, representativa, sob a geomembrana do aterro 1, para as duas onfigurações da barreira mineral Camada de 1 m de argila Camada de 0,5 m de argila + Fluxo (m 3 /s) 1,43x10-9 9,28x Fluxo obtido na barreira omposta Figura 3. Fluxo obtido na barreira omposta em função da arga hidráulia para as barreiras ompostas estudadas e distribuição de defeitos grandes na geomembrana, para o aterro Aterro 2 Figura 2: Fluxo obtido na barreira omposta em função da arga hidráulia, para as barreiras ompostas estudadas e distribuição de defeitos pequenos na geomembrana, para o aterro 1 As figuras 2 e 3 apresentam a evolução do fluxo na barreira omposta para as onfigurações estudas, om defeitos pequenos e grandes na geomembrana, respetivamente. O fluxo obtido no aso da amada de argila de um metro de espessura é muito maior do que o obtido no aso da amada de argila de 0,50 m de espessura, om a mesma permeabilidade, reforçada om o. Além disto, está laro nestas figuras, que exeto para pequenas argas hidráulias, o fluxo é quase proporional a arga hidráulia. Permeabilidade do solo da barreira sob a geomembrana, determinada em laboratório: de 1x10-9 m/s. Sobre a geomembrana foi projetada uma amada drenante de forma a assegurar que a arga hidráulia sobre a barreira omposta não exedesse 0,30 m. A tabela 3 apresenta o fluxo que passa através da barreira mineral para as duas onfigurações do sistema de barreira. Tabela 3. Fluxo obtido na amada de argila, representativa, sob a geomembrana do aterro 2, para as duas onfigurações da barreira mineral Camada de 1 m de argila Camada de 0,5 m de argila + Fluxo (m 3 /s) 1x10-9 7,29x10-10 Pela figura 4 hega-se a onlusão similar ao aterro 1, em relação ao impato da arga hidráulia no vazamento. Uma proporionalidade do fluxo é observada, exeto para pequenas argas hidráulias. Os valores de fluxo obtidos no aso do aterro 2 são pouo menores do que os obtidos para o aterro 1, devido a oloação da amada drenante sobre a geomembrana, e onsequentemente menor valor da arga hidráulia.

7 diferença é muito maior do que nos aterros anteriores, onde a permeabilidade era muito menor. Conlusão similar, em relação aos aterros anteriores, pode ser dada em relação ao impato da arga hidraúlia no vazamento. Uma proporionalidade do vazamento em relação à arga hidráulia é observada (que não dá para ser observada na figura, uma vez que uma esala logarítmia teve que ser usada devido à grande diferença na permeabilidade equivalente entre os dois asos, exeto para pequenas argas hidráulias). Figura 4. Fluxo obtido na barreira omposta em função da arga hidráulia para as barreiras ompostas estudadas e distribuição de defeitos pequenos na geomembrana, para o aterro Aterro 3 Permeabilidade do solo da barreira sob a geomembrana, determinada em laboratório: de 10-7 m/s. A tabela 4 apresenta o fluxo que passa através da barreira mineral para as duas onfigurações do sistema de barreira. Pode-se observar na tabela 4, que no aso deste aterro, a onfiguração om uma redução da espessura da amada de argila reforçada om o é muito melhor do que a onfiguração na qual uma amada de argila de um metro de espessura é usada, devido à maior permeabilidade da argila (a qual está próxima de um solo argilo-arenoso). Tabela 4. Fluxo obtido na amada de argila, representativa, sob a geomembrana do aterro 3 para as duas onfigurações da barreira mineral Camada de 1 m de argila Camada de 0,5 m de argila + Fluxo (m 3 /s) ,49x10-9 A figura 5 apresenta a evolução do fluxo na barreira omposta para as onfigurações estudadas simulando defeitos pequenos na geomembrana. O vazamento obtido no aso da amada de argila de um metro de espessura é muito maior do que o obtido no aso da amada de argila de 0,50 m de espessura, om a mesma permeabilidade, reforçada pelo. A Figura 5. Fluxo obtido na barreira omposta em função da arga hidráulia para as barreiras ompostas estudadas e distribuição de defeitos pequenos na geomembrana, para o aterro Aterro 4 Permeabilidade do solo da barreira sob a geomembrana, determinada em laboratório: de 10-8 m/s. A tabela 5 apresenta o fluxo que passa através da barreira mineral para as duas onfigurações do sistema de barreira. A figura 6 apresenta o desenvolvimento do fluxo na barreira omposta para as onfigurações estudadas, referentes a defeitos pequenos na geomembrana. Os resultados são muito similares àqueles obtidos para o aterro 3.

8 Tabela 5. Fluxo obtido na amada de argila, representativa, sob a geomembrana do aterro 4 para as duas onfigurações da barreira mineral Camada de 1 m de argila Camada de 0,5 m de argila + Fluxo (m 3 /s) ,04x10-9 na barreira omposta de fundo. Assim sendo, os dois prinipais fatores, que ausam o aumento da arga hidráulia sobre a barreira de fundo devem ser evitados e/ou minimizados: Coloação da amada de proteção, onstituida por solo de média a baixa permeabilidade sobre a barreira impermeabilizante de fundo, hamada de amada de proteção, a qual oasiona a intensifiação do vazamento através dos defeitos da geomembrana, podendo resultar grandes passivos ambientais para as empresas proprietárias de aterros. Infiltrações devido à preipitação: Em regiões onde há grandes preipitações, a redução da arga hidráulia implia na instalação de uma obertura impermeável no aterro sanitário. REFERÊNCIAS Figura 6. Fluxo obtido na barreira omposta em função da arga hidráulia para as barreiras ompostas estudadas e distribuição de defeitos pequenos na geomembrana, para o aterro 4 4 CONCLUSÕES O estudo da arga hidráulia mostrou que esta deve ser reduzida, pois o fluxo que oorre através dos defeitos da geomembrana é quase proporional a mesma, evideniando assim o efeito negativo da oloação da amada de solo sobre a geomembrana, no fundo, assim omo a neessidade de um sistema de barreira de fluxo, om bom desempenho, na obertura dos aterros sanitários. A onfiguração onde a espessura da amada de argila é reduzida para 0,50 m e reforçada om um fornee proteção equivalente quando omparada om uma amada de argila de um metro de espessura, para parâmetros representativos das argilas dos loais dos aterros estudados. Como o valor do fluxo, é pratiamente proporional a arga hidráulia, é muito importante que esta se limite as reomendações internaionais, inlusive a brasileira, de 0,30 m, Brown, K.W., Thomas, J.C., Lytton, R.L., Jayawikrama, P. & Bhart, S. (1987). Quantifiation of Leakage Rates through Holes in Landfill Liners. United States Environmental Protetion Ageny Report CR810940, Cininnati, OH, 147 p. Giroud, J.P. (1997). Equations for Calulating the Rate of Liquid Migration through Composite Liners Due to Geomembrane Defets. Geosynthetis International, 4(3-4), Giroud, J.P., Khatami, A. & Badu-Tweneboah, K. (1989). Evaluation of the Rate of Leakage through Composite Liners. Geotextiles and Geomembranes, 8, Giroud, J.P. &. Touze-Foltz, N. (2005). Equations for Calulating the Rate of Liquid Flow through Geomembrane Defets of Uniform Width and Finite or Infinite Length. Geosynthetis International, 12, No. 4, Rowe, R.K. (1998). Geosynthetis and the minimization of ontaminant migration through barrier systems beneath solid waste. Keynote Leture, Proeedings of 6th International Conferene on Geosynthetis, Atlanta, USA, 1, Touze-Foltz, N. & Barroso, M. (2006). Empirial Equations for Calulating the Rate of Liquid Flow through -Geomembrane Composite Liners. Geosynthetis International, 13(2), Touze-Foltz, N., Rowe, R.K. & Duquennoi, C. (1999). Liquid Flow Through Composite Liners due to Geomembrane Defets: Analytial Solutions for Axisymmetri and Two-dimensional Problems.

9 Geosynthetis International, 6(6) (Erratum: 2000, 7, (1), 77). Touze-Foltz, N.& Giroud, J.P. (2003). Empirial Equations for Calulating the Rate of Liquid Flow through Composite Liners Due to Geomembrane Defets. Geosynthetis International, 10 (6), Touze-Foltz, N.& Giroud, J.P. (2005). Empirial Equations for Calulating the Rate of Liquid Flow through Composite Liners Due to Large Cirular Defets in the Geomembrane. Geosynthetis International, 12 (4), Touze-Foltz, N., Lupo, J., Barroso, M. (2008). Geoenvironemnatl appliations of geosynthetis, Keynote Leture, Proeedings Eurogeo 4, 98p.