VERA LUCIA DA SILVA

DRENAGEM SUBTERRÂNEA

LIMEIRA

2011

VERA LUCIA DA SILVA

DRENAGEM SUBTERRÂNEA

Trabalho de aproveitamento do curso de

Hidrologia e Drenagem da Universidade

Estadual de Campinas – Faculdade de

Tecnologia

LIMEIRA

2011

SUMÁRIOSUMÁRIO......................................................................................................................................... 3

1- INTRODUÇÃO............................................................................................................................. 4

OCORRÊNCIA  DE  ÁGUA  SUBTERRÂNEA................................................................................4

O CAMINHO SUBTERRÂNEO DA ÁGUA...................................................................................................4

FUNÇÕES DOS AQÜÍFEROS.................................................................................................................. 5

FILTRO.....................................................................................................................................................6O PAPEL ESTRATÉGICO DAS ÁGUAS SUBTERRÂNEAS...........................................................................................81.1 DEFINIÇÕES..........................................................................................................................................8

1.1.1 O que é mecânica dos solos?.....................................................................................................91.1.2 Por que estudar mecânica dos solos?........................................................................................9

2 - PERMEABILIDADE.................................................................................................................. 10

2.1 CONDUTIVIDADES HIDRÁULICAS E A LEI DE DARCY.......................................................................102.2 APLICAÇÕES DA LEI DE DARCY.......................................................................................................112.3 DRENOS SUBTERRÂNEOS.................................................................................................................12

2.3.1 Dimensionamento dos filtros...................................................................................................142.3.2 A Escolha do Filtro..................................................................................................................14

3 - AÇÕES GEOLÓGICAS DA ÁGUA SUBTERRÂNEA..............................................................16

3.1 - ESCORREGAMENTOS DE ENCOSTAS...............................................................................................16

O CASO DA DRENAGEM SUBTERRÂNEA.................................................................................17

O PROBLEMA DA COLMATAÇÃO.............................................................................................18

MATERIAIS UTILIZADOS EM DRENOS SUBTERRÂNEOS.....................................................18

GLOSSÁRIO................................................................................................................................... 21

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.....................................................................................................23

1- Introdução

OCORRÊNCIA  DE  ÁGUA  SUBTERRÂNEAA água da chuva pode ter vários destinos após atingir a superfície da Terra.

Inicialmente uma parte se infiltra. Quando o solo atinge seu ponto de saturação, ficando

encharcado, a água passa a escorrer sobre a superfície em direção aos vales.

Dependendo da temperatura ambiente, uma parte da chuva volta à atmosfera na forma

de vapor. Em países frios, ou em grandes altitudes, a água se acumula na superfície na

forma de neve ou gelo, ali podendo ficar por muito tempo. A parcela da água que se

infiltra vai dar origem à água subterrânea.

A taxa de infiltração de água no solo depende de muitos fatores:

1-Sua porosidade: A presença de argila no solo diminui sua porosidade, não

permitindo uma grande infiltração.

2-Cobertura vegetal: Um solo coberto por vegetação é mais permeável do que

um solo desmatado.

2-Inclinação do terreno: em declividades acentuadas a água corre mais

rapidamente, diminuindo o tempo de infiltração.

3- Tipo de chuva: Chuvas intensas saturam rapidamente o solo, ao passo que

chuvas finas e demoradas têm mais tempo para se infiltrarem.

O CAMINHO SUBTERRÂNEO DA ÁGUAA água que se infiltra está submetida a duas forças fundamentais: a gravidade e a

força de adesão de suas moléculas às superfícies das partículas do solo (força de

capilaridade). Pequenas quantidades de água no solo tendem a se distribuir

uniformemente pela superfície das partículas. A força de adesão é mais forte do que a

força da gravidade que age sobre esta água. Como conseqüência ela ficará retida, quase

imóvel, não atingindo zonas mais profundas. Chuvas finas e passageiras fornecem

somente água suficiente para repor esta umidade do solo. Para que haja infiltração até a

zona saturada é necessário primeiro satisfazer esta necessidade da força capilar.

    A figura abaixo mostra as formas em que a água pode estar no solo

Zonas de ocorrência da água no solo de um aquífero freático

Formações Aqüíferas: São as formações (Figura 2) das quais se poderá obter

água e poderão ser de dois tipos gerais, rocha consolidada (Aqüífero Fissural [A] e

Cárstico-Fissural [B]) e rocha sedimentar não consolidada (Aqüífero Intersticial [C] e

Aluvial [D]).

Figura 2

Funções dos AqüíferosAlém da função de produção, os aqüíferos podem cumprir algumas outras

funções, como:

Função estocagem e regularização

Corresponde à utilização do aqüífero para estocar excedentes de água que

ocorrem durante as enchentes dos rios, correspondentes à capacidade máxima das

estações de tratamento durante os períodos de demanda baixa, ou referentes ao reuso de

efluentes domésticos e/ou industriais. Esses volumes infiltrados serão bombeados

durante os picos sazonais de demanda durante períodos de escassez ou situações de

emergência resultantes de acidentes naturais como avalanches, enchentes e outros tipos

de acidentes que reduzem a capacidade do sistema básico de água da metrópole.

Função filtro

Corresponde à utilização da capacidade filtrante e de depuração biogeoquímica

do maciço natural permeável. Para isso são implantados poços a distâncias adequadas

de rios perenes, lagoas, lagos ou reservatórios, para extrair água naturalmente

clarificada e purificada, reduzindo substancialmente os custos dos processos

convencionais de tratamento.

Sólidos em Suspensão

Corresponde à carga sólida em suspensão e que pode ser separada por simples

filtração ou mesmo decantação. As águas subterrâneas em geral não possuem sólidos

em suspensão e quando um poço está produzindo água com significativo teor de sólidos

em suspensão é geralmente como consequência de mal dimensionamento do filtro ou do

pré-filtro (cascalho) ou completação insuficiente do aquífero ao redor do filtro. Em

aquíferos cársticos e fissurais as aberturas das fendas podem permitir a passagem das

partículas mais finas (argila, silte) aumentando assim o conteúdo em sólidos em

suspensão.

FILTROAo término da perfuração de um poço, em formações aqüíferas inconsolidadas

ou pouco consolidadas, torna-se necessário instalar um dispositivo de admissão para a

água, denominado filtro do poço (Figura 12). O filtro tem a função de permitir que a

água entre no poço sem a perda excessiva de carga, impedir a passagem de material fino

durante o bombeamento, e servir como suporte estrutural, sustentando a perfuração no

referido material.

O dimensionamento correto de um filtro é muito importante, consistindo em se

determinar o tamanho das aberturas, diâmetro, comprimento e resistência mecânica

ideais. Consiste, ainda, na escolha do tipo de material a ser utilizado na sua construção.

O comprimento e o diâmetro do filtro afetam a vazão específica do poço. A

facilidade com que permite a passagem da água para o interior do poço vem

determinada pelo número e tamanho das aberturas (ranhuras). A vida útil do filtro

depende do tipo de material utilizado na sua construção, pois sua duração e

funcionamento são afetados pelas características fisico-químicas da água do aqüífero.

PRÉ-FILTRO

O encascalhamento de um poço oferece diversas vantagens:

→aumenta o diâmetro efetivo do poço, aumentando a área de captação;

→aumentando-se o diâmetro, diminui-se a velocidade de entrada da água;

→reduz as perdas por fricção, diminuindo, consequentemente, o rebaixamento e

aumentando a capacidade específica (Q/s);

→diminuindo o rebaixamento, diminui também o total de tubulação a ser

colocada dentro do poço e a potência da bomba para recalcar a água;

→evita colapsos sobre o filtro, dando em geral, uma maior vida útil ao poço.

O pré-filtro deve apresentar uma permeabilidade muito maior que a da formação

natural que se quer controlar. Estudos teóricos demonstram que o cascalho de pré-filtro

é, pelo menos, 20 (vinte) vezes mais permeável que a formação natural (Figura 13) e

que a água circula através dele quase sem perda de carga adicional.

A permeabilidade do cascalho, é tanto maior quanto mais homogêneo for o

tamanho do grão. Sobre este aspecto, pode ser melhor utilizado, um cascalho fino

homogêneo do que um cascalho grosso heterogêneo (heterométrico). Um material

adequado para constituir o pré-filtro de um poço, deve ser limpo, de grãos arredondados

e relativamente uniformes, características essas que concorrem para uma maior

porosidade e permeabilidade, e para uma menor separação hidráulica das partículas,

quando o material está sendo colocado ou abandonado à sedimentação através de uma

considerável profundidade de água. Recomenda-se para o envolvimento (pré-filtro)

materiais silicosos, admitindo-se, na composição, material calcáreo até 5%. Isso é

importante, porque se mais tarde for necessário recorrer a um tratamento com ácido para

os filtros do poço, a maior parte da energia dissolvente seria consumida no material

calcáreo do pré-filtro.

Devemos ter em mente que a espessura mínima do pré-filtro deve ser de 3” para

assegurar um bom encascalhamento e, a máxima de 8” a fim de evitar mal

desenvolvimento.

CIMENTAÇÃO

Nas cimentações realizadas em poços, utiliza-se, quase que exclusivamente,

suspensões de cimento e bentonita, ambas em água. A argila também poderá servir para

vedação, desde que utilizadas em profundidade, onde não se verifique o ressecamento e

contração do material, e onde o movimento da água não arraste as partículas.

As suspensões de cimento empregadas em cimentações de poços, utilizam uma

relação cimento/água compreendida entre 1,8 e 2,25 em peso, que equivale a utilizar,

aproximadamente, entre 27 e 22 litros de água para cada saco de 50 kg de cimento. Com

quantidade maiores de água, a suspensão é muito instável, produzindo se uma rápida

sedimentação. Os ensaios de laboratório indicam que o volume exatamente necessário

para hidrolisar um saco de 50 kg de cimento é de 24 litros de água.

A adição de bentonita ajuda a manter as partículas de cimento em suspensão,

reduz a contração e favorece a fluidez da mistura, o que torna muito conveniente o seu

emprego. Além dessas vantagens, com a adição de bentonita se consegue uma

suspensão mais estável, ou seja, tem menor facilidade para se decantar do que uma

suspensão de cimento somente. As quantidades de bentonita que se deve adicionar a

uma suspensão de cimento são pequenas. Em geral, estão compreendidos entre 1,5 e 3

kg para cada saco de 50 kg de cimento, ou seja, entre 3 e 6% do peso deste. Quando se

adiciona bentonita, é preciso ainda aumentar-se a quantidade de água, podendo-se

utilizar, então, uma relação cimento/água compreendida entre 1,4 e 1,8. É melhor

misturar primeiro a bentonita com a água e depois juntar o cimento. É um bom

procedimento, misturar-se a bentonita com água umas 24 horas antes de seu emprego.

A água utilizada na suspensão não deve conter óleo ou outros materiais

orgânicos. Os minerais dissolvidos devem ter uma concentração inferior a 2.000 ppm,

sendo particularmente indesejável um elevado teor de sulfatos. Quando isso ocorre,

deve-se utilizar cimentos resistentes a eles (cimento sulfatado, tipo G).

Situações particulares podem exigir a adição de areia, palha de arroz ou outro

material volumoso para permitir que a pasta obstrua aberturas maiores, sem perda

excessiva de fluido. Isto, entretanto, aumenta a dificuldade de colocação da pasta.

O Papel Estratégico das Águas SubterrâneasPerfazendo 97,5% da água doce acessível pelos meios tecnológicos atuais, com

um volume de 10,53 milhões de km3, armazenado até 4.000 metros de profundidade

(Rebouças, 1999), as águas subterrâneas tornam-se estratégicas para a humanidade.

Além de mais protegidas contra a poluição e os efeitos da sazonalidade, apresentam em

geral boa qualidade, decorrente do “tratamento” obtido da sua percolação no solo e

subsolo. Seu aproveitamento tem se revelado uma alternativa mais econômica, evitando

custos crescentes com represas e adutoras e dispensando tratamento, na maioria dos

casos.

1.1 Definições O solo consiste de grãos (minerais, fragmentos de rocha, etc.) com água e ar nos

vãos entre os grãos. A quantidade de água e ar sofrem alterações pelas mudanças nas

condições e localização: os solos podem ser perfeitamente secos (não conter água) ou

saturado (não conter ar) ou parcialmente saturado (presentes água e ar).

O tamanho e o formato do sólido (grão) podem variar consideravelmente de ponta a ponta.

1.1.1 O que é mecânica dos solos?

Mecânica dos solos é o ramo da ciência que estuda as propriedades físicas do

solo e o comportamento da massa sólida quando sujeita a vários tipos de forças.

1.1.2 Por que estudar mecânica dos solos?

"Infelizmente, o solo é feito pela natureza e não pelo homem, e os produtos da natureza são sempre complexos... Assim que passamos do aço e concreto para a terra, a onipotência da teoria deixa de existir. Solo natural nunca é uniforme. Suas propriedades mudam de ponto a ponto, enquanto o nosso conhecimento de suas propriedades são limitados àqueles poucos pontos em que as amostras foram coletadas. Na mecânica do solo a precisão dos resultados calculados nunca supera o de uma estimativa grosseira, e a principal função da teoria consiste em ensinar-nos o que e como observar em campo. " Karl Terzaghi (1883-1963)

Todo ramo da engenharia requer um estudo do solo e de seu comportamento.

O conhecimento da mecânica dos solos para a Engenharia Estrutural, por

exemplo, é importante para garantir a total segurança das estruturas. Isto pode (1) evitar

acidentes e falhas, (2) mortes, (3) prejuízos financeiros, etc.

Os leitos de estradas são freqüentemente construídos de terra e muitas vezes

passam por montanhas, cortes etc. Sendo assim, é essencial para a Engenharia de

Transportes entender a mecânica dos solos para prevenir rachaduras, buracos na

pavimentação, bem como deslizamento de terras que pode destruir uma estrada inteira.

Engenharia Hidráulica: O projeto de retenção do fluxo de terra, tais como

barragens, diques, lagoas de armazenamento exige o conhecimento de como a água flui

no subterrâneo, pois este fluxo pode ocasionar falhas por mecanismos como

percolações, erosão etc.

O comportamento da estrutura depende das características do solo sobre o qual

esta foi construída e das características das rochas das quais o solo é derivado. Sendo

assim, é necessário o estudo da origem do solo, distribuição por tamanho de grãos,

resistência, capacidade de drenagem, seu comportamento quando submetido a

cisalhamento, compressão ou o fluxo da água através dele.

2 - Permeabilidade

A permeabilidade é a propriedade que o solo apresenta de permitir o escoamento

de água através dele. Todos os solos são mais ou menos permeáveis, ou seja, a água está

livre para fluir através dos poros interligados existentes entre as partículas sólidas.

O conhecimento do coeficiente de permeabilidade é muito importante em

algumas obras de engenharia, principalmente, na estimativa da vazão que percolará

através do maciço e da fundação de barragens de terra, em obras de drenagem,

rebaixamento do nível d’água, adensamento, etc.

Portanto, os mais graves problemas de construção estão relacionados com a

presença da água.

O conhecimento da permeabilidade e de sua variação é necessário para a

resolução desses problemas. O coeficiente de permeabilidade pode ser determinado

através de ensaios de laboratório em amostras indeformadas ou de ensaios “in situ”.

No caso das areias o solo poderia ser visto como um material constituído por

canalículos, interconectados uns aos outros, nos quais ou há água armazenada, em

equilíbrio hidrostático, ou a água flui através desses canalículos, sob a ação da

gravidade. Nas argilas esse modelo simples do solo perde sua validade, uma vez que

devido ao pequeníssimo diâmetro que teriam tais canalículos e as formas exóticas dos

grãos, intervêm forças de natureza capilar e molecular de interação entre a fase sólida e

a líquida. Portanto, o modelo de um meio poroso, pelo qual percola à água, é algo tanto

precário para as argilas, embora possa ser perfeitamente eficiente para as areias.

Infelizmente a quase totalidade das teorias para percolação de água nos solos é baseada

nesse modelo.

2.1 Condutividades hidráulicas e a Lei de Darcy

Observando o movimento do nível freático em poços e nascentes após eventos

de chuva (recarga), nota-se que a velocidade do fluxo da água subterrânea é

relativamente lenta. Se fosse rápida, passados alguns dias depois da chuva, um poço

normal iria secar. Surge a pergunta: porque o fluxo da água subterrânea em certos locais

é rápido e em outros é lento?

No fluxo de água em superfície, a velocidade é diretamente proporcional à

inclinação da superfície. Este grau de inclinação, denominado gradiente hidráulico

(Dh / DL), é definido pela razão entre o desnível (Dh) e a distância horizontal entre dois

pontos (DL). O desnível indica a diferença de potencial entre os pontos. Quanto maior a

diferença de potencial, dada uma distância lateral constante, maior será a velocidade do

fluxo.

Para o fluxo da água subterrânea, necessita-se considerar, além da inclinação do

nível d´agua, a permeabilidade do subsolo e a viscosidade da água. A influência desses

parâmetros sobre o fluxo da água subterrânea foi investigada e quantificada em

laboratório pelo engenheiro hidráulico francês Henry Darcy, em 1856, resultando na

formulação da lei de Darcy, base da hidrologia de meios porosos.

O experimento de Darcy baseou-se na medição da vazão de água (Q) com um

cilindro preenchido por material arenoso, para diferentes gradientes hidráulicos. O fluxo

de água para cada gradiente foi calculado pela relação entre a vazão (Q) e a área (A) da

seção do cilindro. Este fluxo, com unidade de velocidade, foi definido como a vazão

especifica (q) do material.

A vazão especifica é diretamente proporcional ao gradiente hidráulico.

O coeficiente angular da reta corresponde à condutividade hidráulica, que é

uma característica intrínseca do material, expressando sua capacidade de transmissão de

água. Este parâmetro é uma forma de quantificar a capacidade dos materiais

transmitirem água em função da inclinação do nível freático.

Alerta-se para o fato de que a vazão especifica é um conceito macroscópico que

considera o material todo, não se referindo às velocidades reais dos trajetos

microscópicos entre os espaços da porosidade. A vazão especifica, com unidades de

velocidade (distancia/tempo), deve ser entendida como uma velocidade macroscópica,

ou média, ao longo do trajeto entre um ponto de entrada e outro de saída da água.

2.2 Aplicações da lei de Darcy

Uma das aplicações da lei de Darcy é determinar o fluxo da água subterrânea

numa certa região, pela condutividade hidráulica medida em laboratório ou, ao

contrário, medindo a velocidade média do fluxo, determinar a condutividade hidráulica

dos materiais.

A velocidade de percolação da água subterrânea também pode ser medida com o

uso de traçadores, como corantes inofensivos à saúde e ao ambiente, quando o trajeto do

fluxo é conhecido.

Neste caso, injeta-se o corante na zona saturada de um poço, medindo se o

tempo de percurso deste até um outro poço ou uma nascente. A velocidade do fluxo é a

distância entre os pontos sobre o tempo de percurso.

De maneira geral, o movimento da água subterrânea é muito lento quando

comparado ao escoamento superficial. Em materiais permeáveis, como areia mal

selecionada, a velocidade varia entre 0,5 e 15 cm/dia, atingindo máximos até 100m/dia

em cascalhos bem selecionados sem cimentação. No caso de granitos e gnaisses pouco

fraturados, o fluxo chega a algumas dezenas de centímetros por ano. Já em basaltos

muito fraturados, registram-se velocidades de até 100m/dia. Os fluxos mais rápidos são

registrados em calcários com condutos (cársticos), com máximos de 1.000m/hora.

Para movimentos muito lentos e por longas distâncias, os hidrogeólogos utilizam

métodos geocronológicos para medir velocidades. Um deles baseia-se no 14C, presente

no CO2 atmosférico dissolvido na água subterrânea. Uma vez que o isótopo radioativo 14C não é reposto no percurso subterrâneo, seu decaimento em função do tempo permite

datar a água subterrânea. Dividindo-se a distância entre a zona de recarga da água

subterrânea e o ponto analisado (um poço ou nascente) pela idade da água, obtém-se

sua velocidade de percolação. Estudos realizados na bacia do Maranhão (Piauí)

mostraram idades de até 35.000 anos para a água subterrânea em camadas profundas,

indicando fluxos em torno de 1m/ano.

2.3 Drenos subterrâneos

Dispositivos de drenagem destinados ao rebaixamento e/ou intercepção no

lençol freático nos cortes em solo ou rocha, através da inserção de um meio poroso com

permeabilidade bem maior que os materiais de corte, de modo a captar as águas

intersticiais e conduzi-las para fora da área a ser isolada.

A drenagem subterrânea trata basicamente do controle das águas de percolação

no solo proveniente de lençol freático, formado pelas águas subterrâneas e/ou águas de

infiltração. Consiste na interceptação das linhas de percolação, com o objetivo de

afastar ou remover a água de locais indesejados.

Uma vez interceptadas essas águas, se faz necessário determinar as vazões de

entrada nas estruturas de drenagem (influxo).

As águas que penetram nas estruturas de drenagem (influxo), e que devem ser

retiradas adequadamente (efluxo), determinam as características geométricas

(declividade e secção) e do material condutor (brita, areia, tubo, etc.)

Essa estrutura, adequadamente posicionada e devidamente dimensionada chama-

se DRENO, seja qual for sua forma básica (trincheira, colchão, mista, etc.).

Dispositivos instalados nas camadas sub-superficiais das rodovias, em geral no

subleito, de modo a permitir a captação, condução e deságüe das águas que se infiltram

pelo pavimento ou estão contidas no próprio maciço e que, por ação do tráfego e

carregamento, comprometem a estrutura do pavimento e a estabilidade do corpo

estradal.

Quanto à forma construtiva, os drenos poderão ser cegos ou com tubos e, devido

à pequena profundidade, podem ser também designados como drenos rasos; recebem,

ainda, designações particulares como dreno transversal ou dreno longitudinal de base.

A parte do dispositivo que exerce a função de captação em um sistema de

drenagem subterrânea pode ser constituída por drenos cegos ou drenos tubulares, neste

ultimo caso utilizando tubos dreno em polietileno de alta densidade - PEAD -

corrugados perfurados ou tubos dreno em concreto perfurado ou poroso.

O escoamento da água no solo gera forças de percolação que podem provocar

problemas de ordem geotécnica, sendo o “Pipping” o principal fenômeno a ser

controlado.

O “Pipping” é um fenômeno de erosão interna, progressiva e instável,

caracterizado pela perda de partículas finas do solo, criando condições de ruptura seja

pela concentração de fluxo, aumento de velocidade, carreamento acelerado de partículas

e/ou redução de resistência ao cisalhamento do solo.

O deslocamento não controlado de partículas do solo pode também colmatar o

meio drenante tornando o sistema inoperante.

Para o controle adequado do “Pipping”e suas consequências, se faz necessário

que o dreno seja dotado de um filtro adequado, ou seja, algo que permita a passagem

das águas ao mesmo tempo que tenha capacidade de retenção adequada de partículas.

Os filtros podem ser:

Naturais: constituídos de agregados, adequadamente dimensionados, em uma

ou várias camadas constituindo as denominadas “transições granulométricas”.

Sintéticos: são os geotêxteis, materiais têxteis permeáveis, produzidos

industrialmente, que atendem às condições de filtro pelas suas características de

porosidade e retenção de partículas.

Os geotêxteis não-tecidos de filamentos contínuos agulhados, como o Bidim, são

os que mais se adequam a essas necessidades.

2.3.1 Dimensionamento dos filtrosA limitada aplicação de procedimentos científicos no dimensionamento dos

sistemas de drenagem pode ser atribuída a vários fatores, entre eles a complexibilidade

das relações entre a produtividade das culturas e o potencial de água no solo; a

dificuldade em prever a distribuição da água no perfil do solo em relação à intensidade

de drenagem; e o custo das investigações de campo, necessárias a um dimensionamento

mais racional (Bower, 1974), dentre outros.

As principais fontes que contribuem para o excesso de água no solo são as

precipitações e as infiltrações provenientes de canais de irrigação e represas. Em regiões

de clima árido e semi-árido, comumente a principal fonte causadora do excesso de água

no solo é a irrigação, enquanto em regiões de clima úmido e subsumido é a precipitação

(Bernardo, 1995).

Para relacionar o excesso de água no solo à movimentação do lençol freático,

alguns métodos foram desenvolvidos com o objetivo de se avaliar a dinâmica da água

no solo, e relacioná-la aos aspectos climáticos, aos parâmetros físico-hídricos do solo e,

da cultura, e aos parâmetros geométricos do sistema de drenagem. Esses métodos são

importantes ao dimensionamento e implantação de projetos eficientes de drenagem

(Sabbagh et al., 1993).

2.3.2 A Escolha do Filtro

A escolhas dos filtros (naturais ou sintéticos) passam por dois critérios básicos:

Critério de retenção

Critério de permeabilidade

Ou seja, um filtro deve ser suficientemente permeável para possibilitar a

passagem da água, ao mesmo tempo em que deve reter determinados diâmetros de

partículas, mantendo o material adjacente estável.

O dimensionamento dos filtros naturais é feito a partir dos métodos clássicos da

Mecânica dos Solos, os critérios de Terzaghi ou, mais modernamente, pelos critérios do

Prof. Araken Silveira.

Os filtros sintéticos são dimensionados por vários métodos, todos baseados em

critérios de retenção e permeabilidade, dos quais podemos exemplificar o método do

C.F.G.G. (Comitê Français de Geotextile et Geomembranes).

Critério de Retenção

É comparada a abertura de filtração (Of) do geotêxtil com as partículas maiores

do solo (d85) a filtrar.

Of é obtido através do ensaio de peneiramento hidrodinâmico (AFNOR NF-G

38017).

A comparação entre a abertura de filtração do geotêxtil e as partículas maiores

do solo é corrigida por coeficientes que levam em conta condições particulares, ligadas

à granulometria do solo, compacidade, tipo de escoamento e função do geotêxtil, como

segue:

O C.d85 f ≤ (1)

sendo C = C1 . C2 . C3 . C4, onde:

C1 - influência da granulometria

Granulometria: contínua e bem graduada .......... C1 = 1

uniforme ..................................... C1 = 0,8

C2 - influência do solo

solos fofos ou não confinados ... C2 = 0,8

solos densos e confinados ........ C2 = 1,25

C3 - escoamento hidráulico

Gradiente hidráulico i < 5 ............................................ C3 = 1

5 < i < 20 .................................... C3 = 0,8

20 < i < 40

fluxo reverso .............................. C3 = 0,6

(proteção de margem)

C4 - função do geotêxtil

função de filtro .................................................................. C4 = 1

função filtro-drenante (drenagem transversal) ................. C4 = 0,3

A necessidade de drenagem varia de acordo com o clima da região. A drenagem

é necessária em regiões de clima úmido e subsumido, para eliminar o excesso de água

na superfície e no perfil do solo e, em regiões de clima árido e semi-árido, para manter a

concentração de sais na solução do solo em níveis toleráveis para as plantas (Ferreira,

2003).

3 - Ações Geológicas da Água Subterrânea

Ação geológica é a capacidade de um conjunto de processos causar

modificações nos materiais terrestres, transformando minerais, rochas e feições

terrestres. O esculpimento de formas de relevo da superfície terrestre é um tipo de ação

geológica, dominada pela dinâmica externa do planeta Terra, conhecida como ação

geomórfica.

A zona de ocorrência da água subterrânea é uma região onde é iniciada a maioria

das formas de relevo, pois a água subterrânea é o principal meio das reações do

intemperismo químico. O movimento da água subterrânea, somado ao da água

superficial, são os principais agentes geomórficos da superfície da terra. A ação

geomórfica da água subterrânea se traduz por vários processos de modificação da

superfície terrestre e seus respectivos produtos.

3.1 - Escorregamentos de encostas

A movimentação de coberturas como solos ou sedimentos inconsolidados em

encostas de morros tem velocidades muito variáveis. Os movimentos rápidos, com

deslizamentos catastróficos acontecem com freqüência em épocas de fortes chuvas, em

regiões de relevo acidentado. Os movimentos muito lentos são chamados de

rastejamento (creep) do solo, com velocidades normalmente menores que 0,3m/ano. Os

movimentos de encostas com velocidades superiores a 0,3m/ano são englobados na

categoria de escorregamentos ou deslizamentos de encostas, com velocidades que

podem ultrapassar 100km/hora. Enquanto o rastejamento lento é movido unicamente

pela força gravitacional, não havendo influencia de água no material, os

escorregamentos são movidos pelo processo de solifluxão, no qual a força gravitacional

age devido à presença de água subterrânea no subsolo.

Os materiais inconsolidados em encostas possuem uma estabilidade controlada

pelo atrito entre as partículas. No momento em que o atrito interno é vencido pela força

gravitacional, a massa de solo entra em movimento, encosta abaixo. A diminuição do

atrito entre as partículas é causada principalmente pela adição de água ao material.

Embora a água aumente a coesão entre partículas do solo quando presente em pequena

quantidade, (através de tensão superficial que aumenta a atração entre as partículas), a

saturação do solo em água acaba envolvendo a maioria das partículas por um filme de

água, diminuindo drasticamente o atrito entre elas e permitindo o seu movimento pela

força gravitacional, no processo conhecido como solifluxão. A saturação em água

também aumenta o peso de cobertura, o que contribui à instabilização do material.

O caso da drenagem subterrânea

Os drenos subterrâneos diferem basicamente dos drenos superficiais pelo regime

de fluxo, em que, nos drenos subterrâneos, a água se movimenta dentro de um material

granular, tal como pedra, areia, silte, argila, etc.. Portanto, a água percorre um

“labirinto” que se opõe a seu movimento.

Um dreno introduzido em um meio poroso irá sem dúvida perturbar o regime

hidráulico que estava em equilíbrio. Para garantir que esta perturbação seja mínima e

que o dreno retire apenas a água que percola no solo (enquanto meio poroso), são

necessários os conhecimentos e observações de certos fenômenos e regras que serão

relatadas adiante. Por enquanto, deve-se entender que a classificação dos drenos

subterrâneos segundo sua composição é dada em três às estruturas básicas mais

utilizadas:

Drenos Contínuos: aqueles em que o material constituinte é apenas de um só

tipo: ou só areia, ou só pedra ou só tubo; o material utilizado oferece funções múltiplas.

Ou ainda, onde o material anti-contaminante, exerce a função de filtro para solo

protegido, material drenante normal à água infiltrada e também a função de material

condutor longitudinal (ao invés de tubo), evacuando a água; é mais econômico, porém,

possui menor capacidade e eficiência bastante menor que o dreno descontínuo.

Drenos Descontínuos: constituídos de dois materiais, onde cada um deles

exerce uma ou mais funções (fig.11). Em que (a) solo de altura variável; (b) filtro

granular, espessura mínima de 7cm ou geotêxtil; (c) material drenante, capta água

filtrada e a conduz ao tubo; (d) tubo-dreno (capta água normalmente e a conduz

longitudinalmente ao desemboque.)4

Drenos Cegos (ou franceses): desprovidos de tubo-dreno condutor. (fig.12)

Obs. Os coeficientes de permeabilidade das camadas, estão indicadas na tabela

01.

Uma vez caracterizada a questão do escoamento subterrâneo, há que se falar

sobre as principais tecnologias associadas à construção dos drenos, das camadas

drenantes e dos gramados, incluindo todo os materiais necessários ao cumprimento da

tarefa.

O problema da colmatação

O fenômeno colmatação é o entupimento de vazios pela deposição de materiais

que causam a ineficiência da drenagem. Por isso, o material filtrante deve ter uma

granulometria satisfatória, pois a combinação de diferentes granulometrias formam um

filtro de modo a impedir que as partículas finas possam ser conduzidas por via fluída.

No caso do geotêxtil, sua atuação e comportamento depende diretamente de suas fibras

e filamentos. São elas que permitirão a passagem da água e a retenção do solo (PMC,

2003).

Materiais utilizados em drenos subterrâneos

De uma forma geral, cada material exerce uma única função (filtro, dreno,

condutor ou anti-contaminante). No entanto, existem casos em que um mesmo material

acumula duas ou mais funções, certamente com sacrifício de seu desempenho. A seguir,

foram citados, os principais fatores e propriedades que intervêm na escolha e

especificação dos corretos materiais para drenos subterrâneos: Resistência mecânica ao

transporte, manuseio, instalação e aos esforços durante a vida útil da

obra;Permeabilidade (permissividade e transmissividade);Rugosidade;

Granulometria/Porometria;Resistência ao ataque químico e bacteriológico;e Facilidade

de obtenção.

Nessas obras de engenharia, os principais materiais utilizados são:

Materiais filtrantes, pois são os primeiros a receberem o fluxo d’água a ser

drenado. Sua função é de permitir apenas a entrada da água no interior do dreno,

retendo qualquer material sólido que, eventualmente, tenha propensão de ser carregado

pela água. Os principais materiais são (dos finos para os grossos): areia, mantas

geotêxteis, telas plásticas (tipo mosqueteiro), pedrisco, argila expandida, pedra britada.

Materiais Drenantes, pois estes materiais têm a função de receber a água

filtrada e conduzi-la ao interior do material condutor. Basicamente, são usados os

mesmos materiais mudando apenas a sua função (dos finos para os grossos): areia,

manta geotêxtil nãotecido, pedrisco, argila expandida, pedra britada, geoespaçador.

Materiais Condutores, pois são aqueles que têm a função de captar a água

proveniente do material drenante, ao longo de toda a extensão do dreno, acumulá-la e

conduzi-la rapidamente ao desemboque do dreno. Os principais materiais condutores

são areia, manta geotêxtil nãotecido espessa, pedrisco, argila expandida, geoespaçador,

tubo-dreno (concreto, concreto poroso cerâmico, plástico rígido ou flexível).

Materiais Anti-Contaminantes, pois têm a função de impedir que materiais

externos ao dreno possam prejudicar desempenho, através de sua penetração e obstrução

dos poros dos materiais constituintes do dreno. Por exemplo, uma concretagem onde a

nata do concreto penetra e obstrui os vazios das pedras britadas. Os principais materiais

anti-contaminantes são: papel Kraft, palha, capim, geomembrana delgada de PEBD,

manta geotêxtil, feltro asfáltico.

Materiais Selantes, pois são materiais pouco permeáveis (pelo menos 10 vezes

menos permeável que o material adjacente constituinte do dreno), cuja função é impedir

que as águas torrenciais superficiais penetrem diretamente no dreno, pois este não foi

dimensionado para abrigar tal vazão. Podem ser utilizados materiais pouco permeáveis

(silte e argila) ou materiais geossintéticos (geomembranas plásticas ou asfálticas).

Materiais geossintéticos, pois são materiais plásticos fabricados pelo homem,

que podem exercer várias funções em um sistema drenante subterrâneo. A seguir

destacamos os tipos mais utilizados.

-Geotêxteis: são materiais permeáveis, compostos de fibras e /ou filamentos

utilizados com as funções filtrante, drenante e /ou condutora, dependendo do caso e de

suas características mecânicas, físicas e geométricas.

-Geoespaçadores: são materiais, permeáveis ou não, que possuem alto índice de

vazios e grande espessura(da ordem de centímetros),podendo exercer as funções

drenante e/ou condutora.

-Geomembranas PEBD: são materiais pouco permeáveis, com espessura menor

que 1 mm, utilizados para separar materiais de naturezas diferentes e /ou impedir a

penetração de umidade.

-Geodrenos (geocompostos drenantes GCD): são drenos pré-fabricados, já

existentes há 25 anos no exterior, agora disponíveis no Brasil. Estes geocompostos

agregam dois ou mais materiais granulares naturais tradicionalmente utilizados.

-Geotubos (tubos-dreno sistéticos): são tubos plásticos perfurados com as

funções de captar e conduzir fluxos de líquidos e/ou gás (VERTEMATTI, 1998).

A utilização racional dos geossintéticos pode levar, em função da necessidade de

cada obra, a obtenção das seguintes vantagens, tais como menores volumes, conduzidos

a sistemas delgados; menor perda por quebra no manuseio; leveza, maleabilidade,

flexibilidade; menores cronogramas construtivos; qualidade uniforme e controlada;

racionalização da mão de obra; menores custos de transporte; e prontos para uso. A

utilização do material geotêxtil é de extrema importância numa obra de drenagem,

devido sua função filtração. Ele dificulta que as partículas do solo que poderiam ser

deslocadas pela força de percolação das águas penetrem no sistema drenante, vindo a

colmatá-lo, ou seja, entupir os drenos, e ao mesmo tempo, permite a livre passagem das

águas de infiltração, melhorando assim as condições de desempenho e vida útil esperada

do sistema de drenagem.

GLOSSÁRIOTerminologia - definições

Adensamento: na mecânica dos solos o adensamento é a redução do índice de vazios no solo.

Cimentação: Consiste no enchimento do espaço anelar existente entre os tubos e a parede da formação e tem a principal finalidade da união da tubulação de revestimento com a parede do poço e evitar que as águas imprestáveis contaminem o aqüífero, além do objetivo de formar um tampão de selo no fundo do poço ou para corrigir desvios do furo durante a perfuração.

Cisalhamento: Fazer corte em; cortar as bordas de (em matéria dura ou metálica).

Colmatação: Elevar um terreno por meio do acúmulo de detritos, depósitos lodosos, terra etc.; atulhar, aterrar. P. ext. Tapar fendas, brechas.

Completação: Diz respeito ao ato de completar o poço, ou seja, colocar a tubulação do poço (revestimento e filtro), o cascalho (pré-filtro) e o cimento (cimentação).

Drenagem subterrânea: Processo de remoção do excesso de água do solo, com a finalidade de propiciar condições favoráveis de umidade, aeração e manejo agrícola, prevenir a salinização ou remover excesso de sais.

Dreno: Condutor aberto ou subterrâneo, tubular ou de material poroso, destinado a remover o excesso da água proveniente de sua área de influência.

Dreno: Condutor aberto ou subterrâneo, tubular ou de material poroso, destinado a remover o excesso da água proveniente de sua área de influência.

Filtro: É uma Tubulação ranhurada ou perfurada colocada no poço com a finalidade de facilitar o fluxo de água proveniente do aqüífero, permitir que a água entre no poço sem a perda excessiva de carga, impedir a passagem de material fino durante o bombeamento, e servir como suporte estrutural, sustentando a perfuração no referido material.

Gnaisse: s.m. Rocha metamórfica constituída de cristais de mica, quartzo e feldspato, disposta em lâminas paralelas. Algumas variedades de gnaisse contêm hornblenda, granada, ou outros minerais em lugar da mica.

Meio Filtrante: localizado abaixo da camada suporte, constituído de material granular (areia e pedra britada). Obedecendo uma variação granulométrica decrescente de baixo para cima, de modo que a última camada (superior) seja constituída de areia grossa.

Percolar: Passagem lenta de um líquido através de um meio filtrante.

Sistema Drenante: é constituído de pedra britada e tubos-dreno, colocados logo abaixo do meio filtrante, destinado a recolher e conduzir o líquido drenado do lodo.

Sistema de drenagem: Conjunto de drenos, estruturas e equipamentos interligados visando o escoamento do excesso de água de sua área de influência.

Sistema de drenagem subterrânea: Conjunto de drenos subterrâneos, coletores, estruturas e equipamentos, que tem por finalidade controlar o nível de ascensão do lençol freático de sua área de influência.

Solifluxão: s.f. Geologia Deslocamento em massa do solo superficial encharcado de água, sob a ação do gelo ou do degelo.

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http://ipr.dnit.gov.br/normas/DNIT015_2006_ES.pdf

http://www.ufsm.br/engcivil/Material_Didatico/TRP1003_mecanica_dos_solos/unidade_6.pdf

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http://www.impercia.com.br/pt-br/todas-tecnologias/tecnologias/DRENAGEM/ARTIGOS%20TECNICOS/OBRAS%20DE%20PROTECAO%20DO%20MEIO%20AMBIENTE.pdf

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