Rebaixamento do Lençol Freático 1 - Introdução A construção de edifícios, barragens, túneis, etc. normalmente requer escavações abaixo do lençol freático. Tais escavações podem exigir tanto uma drenagem, como um rebaixamento do lençol freático. São vários os métodos para eliminar a água existente no subsolo. Somente após a realização de ensaios preliminares de rebaixamento do lençol freático, poder-se-á definir quais os métodos a serem empregados. Devem ser obervados os diversos níveis de água do subsolo, as quantidades de água que se infiltram e que serão bombeadas, e os recalques que porventura possam aparecer nas vizinhanças das escavações. Para proteção de edificações adjacentes às zonas de recalque, considere-se a possibilidade de injeções de água no solo. Deve-se ter em mente que, ao se realizar um rebaixamento do lençol freático, introduzem-se certas alterações nas condições naturais do subsolo. Assim, poderão surgir danos no interior ou no exterior da escavação, quando o rebaixamento é realizado incorretamente. É preciso observar também se existe o perigo de ruptura hidráulica, por causa da presença de águas artesianas, confinadas entre certos horizontes do subsolo. 2 - Campo de aplicação de vários métodos de rebaixamento A figura a seguir mostra esquematicamente os métodos de rebaixamento usados em função das curvas granulométricas dos materias. Os limites de eficiência desses métodos de drenagem são definidos de forma aproximada, porque existem casos em que há duas alternativas a se considerarem, podendose optar pela mais econômica ou pela mais facilmente exequível, devido ao equipamento disponível. 1
3 - Tipos de rebaixamento do lençol freático Três são os processos principais de rebaixamento do lençol freático: 1. por ponteiras filtrantes ( well-points ) 2. por poços profundos - gravitacionais e a vácuo 3. por eletrosmose 1. Ponteiras Filtrantes ( well-points ) Empregam-se ponteiras filtrantes de 1 ½ a 2 ½ de diâmetro, com 30 a 100 cm de comprimento, para drenagem por gravidade ou a vácuo. Essas ponteiras filtrantes constituem-se de um tubo de aço perfurado, tendo a seguir um tubo metálico fechado com 8m a 9m de comprimento (figura a seguir). A instalação das ponteiras no solo é feita geralmente de jatos de água através da própria ponteira. Na impossibilidade de se dispor de água em abundância para esse tipo de instalação ou em solos poucos permeáveis, executa-se a abertura de um furo com 150 mm de diâmetro, colocando-se no seu interior a ponteira, envolvida por material filtrante adequado. 2
As ponteiras filtrantes são colocadas ao longo de uma linha, tendo um espaçamento de 1m a 3m, ligando-se todas as pontas a um cano coletor comum. No final deste, acha-se instalado um conjunto motor-bomba, que subtrai do coletor de água e eventualmente o ar que penetra nas ponteiras filtrantes. No caso de se necessitar do emprego do vácuo, liga-se, em série ao sistema, uma bomba de vácuo. A desvantagem deste esquema, em virtude de leis físicas, consiste numa limitação de rebaixamento do lençol freático em cerca de 5m de profundidade. A drenagem de escavações mais profundas deverá ser realizada por meio de vários estágios de ponteiras (figura a seguir). 2. Poços Profundos O rebaixamento do nível d água, através de poços profundos, é executado por meio de uma série de perfurações equidistantes (por ex.: 8m, 10m, 15m ou 20m), com diâmetro de 300 mm a 600 mm. Dentro dessa perfuração são colocados tubos de aço, constituídos de trechos lisos e perfurados, nos horizontes permeáveis e abaixo do nível d água. O diâmetro desses tubos pode variar de 150 mm a 300 mm, e cada segmento é unido ao outro por solda. Os tubos devem ser colocados em perfeita verticalidade e o trecho perfurado deverá ser envolvido por uma tela de nylon de 0,6 mm de diâmetro, para impedir a entrada de partículas dentro do poço. Dentro dos tubos será colocada a 1m de seu fundo, uma bomba do tipo submersa centrífuga, com capacidade de acordo com as condições hidrogeológicas locais e a altura de recalque (por exemplo, bombas com vazão 2 a 5 l/s, de 5 a 10 l/s ou 10 a 15 l/s). A ligação e parada das bombas devem ser automáticas e controladas por um par de eletrodos. 3
No caso de se necessitar empregar o vácuo, a exaustão de ar é feita nas partes superiores dos poços, por meio de um tubo coletor acoplado a uma bomba de vácuo. Após a colocação dos tubos, o espaço entre a parede da perfuração e a dos tubos (por exemplo, entre 600 mm e 300 mm), deverá ser preenchido por material filtrante de granulometria adequada (por ex.: areia grossa lavada). Em alguns poços, ao longo da camada filtrante, deverá ser colocado um tubo de PVC ou ferro galvanizado de 1 ½ de φ, que permitirá a observação do nível d água. A extremidade inferior desse tubo deverá ter cerca de 1m de trecho envolvido, também por tela de nylon. Uma série de piezômetros e indicadores de nível d água deverá ser colocada a distância adequadas de cada poço, com a finalidade de permitir a observação da variação do nível d água e traçar, posteriormente, a curva de depressão de cada poço, e controlar também o valor da subpressão, quando esta existir (esquemas a seguir). Antes de qualquer trabalho de rebaixamento, recomenda-se a execução de ensaios preliminares, para definição do método mais adequado a ser aplicado. Quando o poço termina numa camada impermeável, trata-se de um poço perfeito (Fig. A). Caso o poço termine numa camada permeável, este é denominado imperfeito (Fig. B) (esquema a seguir). 4
2.1. Poços Gravitacionais O emprego de poços profundos gravitacionais é indicado para os solos bastante permeáveis, tais como pedregulhos e areias, isto é, onde a água se infiltre livremente nos poços pela ação de gravidade, e é retirada deste por meio de bombas submersas. A disposição dos poços é diferente em cada caso e segundo a posição da cava. Basicamente, distinguem-se poços internos e externos, em relação à escavação. Ao se colocarem os poços no interior da escavação, não deverão prejudicar os espaços reservados para os trabalhos. 3. Processos a Vácuo Nos solos pouco permeáveis, tais como areia fina, areia siltosa ou silte (K = 10-3 a 10-5 cm/seg), o rebaixamento do lençol freático por gravidade pode não mais conduzir a resultados satisfatórios, tornando-se a curva de depressão muito íngreme e limitada. As forças de adesão e de capilaridade existentes nos poros extremamente pequenos destes solos, tornam-se tão grandes que a ação da gravidade não é mais suficiente para deslocar a água em direção aos poços. O sucesso de poços profundos por gravidade nestes solos é muito pequeno. Dessa maneira, pode se aplicar vácuo tanto nos well-points, como nos poços profundos. A figura a seguir explica a eficiência maior do rebaixamento, com aplicação de vácuo em solos pouco permeáveis. 4. Outros fatores a serem considerados em um sistema de rebaixamento - Fornecimento de Energia Elétrica Para qualquer sistema de rebaixamento, é indispensável prever, além da rede elétrica normal, uma fonte de energia de emergência, a fim de impedir a ocorrência de acidentes, na hipótese de uma interrupção no fornecimento de energia pela rede pública. A transferência de uma fonte de alimentação para outra deverá ser possível a qualquer hora. 5
- Medidas e Observações dos resultados obtidos É absolutamente necessário observar e registrar os seguintes resultados, ao se executar um processo de rebaixamento: Determinações das vazões dos poços, através de hidrômetros. Determinações das curvas de depressão, através dos piezômetros e indicadores de nível d água. Medidas de recalques de edifícios e da superfície do terreno, através de pinos e marcos. 5. Aplicação do rebaixamento do nível d água O rebaixamento do nível d água tem se tornado uma prática constante em obras de Engenharia Civil. Assim por exemplo, os grandes edifícios em Santos e Rio de Janeiro normalmente exigem rebaixamento do nível d água. O método de ponteiras filtrantes é o mais usual. No setor de barragens, a de Ponte Nova no Rio Tietê, próximo a Mogi das Cruzes, Estado de São Paulo, exigiu um rebaixamento através de poços profundos gravitacionais. Dos 17 Km da primeira linha do Metro de São Paulo, cerca de 12 km exigiram trabalhos de rebaixamento do nível d água, através de poços profundos gravitacionais e a vácuo, ponteiras filtrantes e drenos de areia de alívio. A SABESP, que constrói várias linhas de interceptores de esgoto ao longo dos rios Tietê e Pinheiros em São Paulo, utilizou ponteiras filtrantes para o rebaixamento do nível d água das valas e poços profundos gravitacionais, para a Estação Elevatória do bairro de Pinheiros. A Usina Nuclear de Andra dos Reis, situada em depósitos de areia e junto ao mar, exigiu grandes trabalhos de rebaixamento, em função da grande área de escavação, da presença de areias, e do nível d água elevado. Empregou-se o método de poços profundos gravitacionais. Também o Metro do Rio de Janeiro tem empregado processos de rebaixamento semelhantes aos utilizados em São Paulo. Ainda no Rio de Janeiro, durante a construção do interceptor oceânico em Copacabana, utilizaram-se conjuntamente poços rasos e ponteiras filtrantes, para a construção do túnel de concreto nas areias daquela praia. A barragem de Curuá-Una, no Pará, localizada em arenitos, exigiu grandes trabalhos de rebaixamento por ponteiras filtrantes, com a cravação de mais de 1.250 ponteiras. 6 - Drenagem por eletrosmose O método de drenagem por eletrosmose baseia-se no seguinte princípio: a superfície das particulas dos solos de granulação muito fina (argilas coloidais) possui uma carga elétrica negativa, decorrendo então em torno das particulas, a formação de uma película de água com predominância de íons com carga positiva. Se se colocarem dois eletrodos em um solo saturado, após o estabelecimento de uma corrente elétrica entre ambos, a água contida nos vazios do solo percolará no sentido do ânodo (pólo positivo) para o cátodo (pólo negativo). 6
Esse princípio pode ser aplicado à drenagem dos solos, fazendo-se com que o cátodo seja uma ponteira. A água que emigra através do solo, pelo efeito da diferença de potencial entre os eletrodos, será coletada pela ponteira, daí sendo então esgotada por meio de uma bomba hidráulica. O processo de estabilização e de drenagem por eletromose tem sido pouco usado até o momento, encontrando-se ainda em estágio experimental, mas parece apresentar interesse futuro na drenagem de solos com permeabilidade inferior a 10-7 cm/seg. Se as ponteiras (cátodos) forem distribuídas fora da escavação em sua periferia, a percolação de água darse-á em sentido contrário àquele do escorregamento dos taludes, de forma que, neste caso, as forças de percolação são favoráveis à estabilidade, quer dos taludes, quer do fundo da escavação. Devido à existência de uma diferença de potencial (corrente contínua), partículas de água emigram dos ânodos para os cátodos, estes sob forma de poços. Tal processo conuz a resultados satisfatórios, quando o rebaixamento a vácuo não é mais aplicável. 7
Exemplos de rebaixamento do nível d água no Metro de São Paulo Todos os métodos usuais de rebaixamento foram empregados na construção do Metro de São Paulo. Os fatores básicos que influíram na escolha de um ou mais método de rebaixamento foram basicamente os seguintes: 1 - para os solos areno-argilosos, normalmente intercalados com camadas argilosas, empregam-se poços profundos a vácuo, em virtude da permeabilidade pequena desses solos. 2 - para as camadas arenosas quase puras de granulação grossa, usaram-se poços profundos gravitacionais, em função de a permeabilidade dessas areias variarem de 10-2 ou 10-3 cm/seg. 3 - para as camadas arenosas de espessura limitada e para todos os trechos de escavação pouco profunda, utilizaram-se ponteiras filtrantes, isto é, para pequenas alturas de rebaixamento. 4 - em vários locais onde apareciam camadas ou lentes de areia com pressão artesiana (subpressão), foram executadas redes de dreno verticais de areia (poços de alívio), com distância entre 5 a 10 m para cada poço. Contudo, em algumas estações e em certos trechos de túnel, várias soluções foram empregadas, como por exemplo: a) túnel pelo método da couraça ( shield ) Em virtude de uma camada argilosa na base do túnel e da existência de areias argilosas acima dela e areias para abaixo, foram executados poços rasos a vácuo, para drenarem as camadas superiores, e poços profundos gravitacionais, para aliviarem a a subpressão das areias inferiores. A figura a seguir esquematiza essa solução. 8
b) Na Estação Paraíso, situada no bairro Paraíso, foramm utilizadas três soluções, em função das condições geológicas e do método construtivo: i) Poços de alívio, em toda a estação, para alívio da subpressão de uma camada arenosa. ii) Ponteiras, em pontos onde a escavação da estação possuía patamares ou taludes. iii) Poços profundos, nos locais onde não havia patamares ou taludes para as ponteiras. Exemplo do Eficiência dos Métodos de Rebaixamento A eficiência dos métodos de rebaixamento do nível d água pode ser exemplificada pela construção do Metro de São Paulo, que exigiu extensos e intensos trabalhos de rebaixamento. Na figura a seguir estão assinaladas as curvas de abaixamento do nível d água, na Estação Conceição. Notar que cada curva corresponde a um período de bombeamento dos poços profundos existentes. Notar que a curva final de rebaixamento ficou estabelecida abaixo do nível da escavação. No presente caso, o nível d água situava-se a cerca de 5,50m de profundidade, e o nível da escavação, a 15,50m. Um outro dado importante, nos trabalhos de rebaixamento, é o controle da curva de abaixamento do nível d água, com o tempo. O gráfico a seguir ilustra esse abaixamento, através de dois indicadores de nível d água, após um certo tempo de bombeamento de dois poços profundos. Mostra também a recuperação do nível d água à sua posição inicial, após o desligamento das bombas. (O gráfico foi obtido através dos dados do Metro de São Paulo). 9
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