IMPLANTAÇÃO DE UM SISTEMA DE MONITORAMENTO AUTOMATIZADO PARA MONITORAMENTO DE UMA ENCOSTA LITORÂNEA RODOVIÁRIA

Liamara Paglia Sestrem Universidade Federal do Paraná

Departamento de Construção Civil - Geotecnia Alessander C. Morales Kormann

Universidade Federal do Paraná Departamento de Construção Civil - Geotecnia

RESUMO Um dos maiores desafios à operação das rodovias brasileiras se refere ao fato de freqüentemente atravessarem encostas naturais da Serra do Mar, cuja dinâmica é fortemente influenciada por agentes ambientais, destacando-se a ação da precipitação pluviométrica. O presente artigo descreve as principais etapas de um sistema de monitoramento implantado em uma encosta litorânea, situada em um maciço denominado Morro do Boi, localizado entre os municípios de Balneário Camboriú e Itapema, em Santa Catarina. O local caracteriza-se pela ocorrência de processos de movimentação onde, em novembro de 2008, intensas precipitações resultaram no acúmulo de detritos sobre a rodovia e consequente interrupção do tráfego. Após esse evento, uma solução de estabilização composta por grampos e tela metálica flexível foi instalada, reforçando as camadas de solo remanescentes na região escorregada. O sistema de instrumentação implantado propõe o controle de propriedades com grande influência para a segurança da encosta, tais como: poro-pressão, sucção, deslocamentos horizontais e precipitações, além de monitorar variações no carregamento dos grampos e deslocamentos na tela metálica. Após oito meses de leituras, foi possível observar que os eventos pluviométricos registrados até o momento não resultaram em variações significativas nos valores de poro-pressão, porém, refletem diretamente na redução da sucção nas camadas de solo não saturadas. Além disso, os deslocamentos tanto na massa de solo como no sistema de estabilização foram avaliados através das leituras dos inclinômetros, células de carga, strain gages e crackmeters, que indicaram a ausência de movimentos significativos na região estabilizada. As informações geradas com esses instrumentos representam uma ferramenta de grande importância e sem histórico de utilização para análises de risco geotécnico em encostas. A ampliação da série histórica de dados permitirá obter previsões de leituras bem como a definição de critérios de alerta, sendo possível ainda subsidiar decisões de engenharia em locais com condições geológicas semelhantes. Palavras-chave: encostas litorâneas; instrumentação geotécnica; movimentos de massa. 1. INTRODUÇÃO A implantação de rodovias pode envolver diferentes regiões ao longo de seu traçado com características específicas em termos de relevo, vegetação, geologia, geotecnia e condições climáticas. No Brasil, as rodovias instaladas ao longo da Serra do Mar muitas vezes são responsáveis pela interligação de importantes centros urbanos e industriais, representando grandes desafios no que diz respeito à sua construção e operação. Os maciços da Serra do Mar são compostos por solos de origem coluvionar e residual, cujo comportamento é bastante influenciado por agentes ambientais, dentre os quais destaca-se a ação de precipitações pluviométricas, responsável muitas vezes pela ocorrência de processos de movimentação do solo. A heterogeneidade presente nos solos que compõem essas encostas litorâneas torna o entendimento de seu comportamento mais complexo e compõe a principal motivação para o desenvolvimento do presente estudo. Como parte de uma pesquisa iniciada em março de 2011, o presente artigo irá descrever um plano de monitoramento concebido e implantado em uma encosta litorânea específica, localizada entre os municípios de Balneário Camboriú e Itapema, em Santa Catarina. O estudo busca alavancar um maior entendimento das condicionantes geológicas-geotécnicas ali

presentes, obtendo-se assim o maior número de informações possíveis do local que poderão ser utilizados para analisar a existência de comportamentos característicos comuns a outros locais de formação similar, bem como peculiaridades do solo local. O presente artigo tem como foco apresentar uma descrição uma das etapas dessa pesquisa que consistiu na concepção e implantação de um sistema de instrumentação denso e diversificado que permite acompanhar e avaliar parâmetros geológico-geotécnicos, hidrológicos e ambientais, além de determinar algumas características da estrutura de contenção ali presente. 2. CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO O presente artigo foca uma encosta situada no km 140+700 m da BR-101 - pista Sul em um maciço denominado Morro do Boi, localizado entre os municípios de Balneário Camboriú e Itapema, em Santa Catarina. Segundo Kormann et al. (2011), em novembro de 2008 foram registrados processos de movimentação com acúmulo de detritos sobre a rodovia e interrupção de tráfego nesse local, decorrentes das precipitações pluviométricas de extrema intensidade que ocorreram no estado de Santa Catarina naquele mês. A solução definida para estabilização desse maciço envolveu o uso de um sistema combinado de ancoragens passivas em conjunto com uma tela metálica específica para conter a massa escorregada em sua posição remanescente. Tal decisão se ateve à premissa de minimizar transtornos aos usuários da rodovia, pois uma alternativa simples sob uma ótica geotécnica envolveria a remoção de centenas de metros cúbicos de solo/rocha, intervenção que foi descartada devido aos impactos que acarretaria ao tráfego. Com relação aos aspectos geológicos, a região do Morro do Boi caracteriza-se pela ocorrência de dois tipos de rocha: Migmatitos Morro do Boi e Granitos da Suíte Intrusiva Nova Trento, sendo esta última representada por um corpo intrusivo no migmatito, alinhada na direção NE-SW (FIORI, 2011 apud SESTREM, 2012). As duas litologias identificadas, quando frescas, apresentam-se pouco fraturadas e mecanicamente muito resistentes porém são afetadas por zonas de cisalhamento de direção NE-SW e NW-SE e ainda por fraturas subhorizontais, que subdividem o maciço rochoso em blocos e diminuem drasticamente sua resistência mecânica. Além disso, por estarem conectadas, tais fraturas acabam facilitando o fluxo de água subterrânea pelo maciço em alguns pontos. Como consequência dos conjuntos de fraturas ali presentes ocorrem ainda deslizamentos translacionais ou em cunha, envolvendo a movimentação de blocos de rocha ao longo de uma superfície planar, com o deslizamento ocorrendo na direção do mergulho do plano, ou o deslocamento de blocos de rocha ao longo de pelo menos dois planos de juntas que se intersectam, respectivamente. Cabe salientar ainda que esses processos instabilizantes são muito influenciados pela presença de solos coluvionares/tálus que, além de serem bastantes heterogêneos conforme já descrito, apresentam elevado grau de alteração e coesão nula ou extremamente baixa. Quando sobrepostos a solos residuais em áreas de rochas mais alteradas, caracterizadas pela presença de zonas de cisalhamento, particularmente quando a estas se associa um fluxo de água subterrânea, as condições de resistência/estabilidade tornam-se ainda mais desfavoráveis. As encostas que compõe a região de interesse são cobertas por uma camada de solo coluvionar/tálus, geralmente não superior a 2m, onde os deslizamentos são superficiais e estão

frequentemente associados a cortes. De modo geral, esses processos ocorrem no contato solo e rocha subjacente ou ao longo de planos de descontinuidade presentes nos maciços rochosos, concordantes com a declividade das encostas. É possível verificar ainda a ocorrência de diversos escorregamentos nas proximidades, resultando em coberturas de solo com espessuras irregularmente distribuídas. Tal característica depende ainda de fatores que incluem desde a resistência até o intemperismo da rocha, bastante variável na área, devido às heterogeneidades naturais, grau de fraturamento e também ao acúmulo de movimentos de massa mais antigos. Como consequência disso, o nível freático é irregularmente distribuído ao longo da encosta, sendo ainda a permeabilidade do maciço rochoso caracterizada como de natureza secundária, ou seja, controlada por fraturas, especialmente as de alívio de pressão, geralmente dispostas paralelamente às encostas. A topografia irregular da superfície de contato entre o solo coluvial e a rocha subjacente, bem como a variação na espessura da cobertura têm influência decisiva na circulação do fluxo sub-superficial, no acúmulo de águas de chuva e, consequentemente, na localização de escorregamentos. Com base no contexto descrito nos parágrafos precedentes, viu-se a necessidade de implantar uma ferramenta possibilitasse aumentar o entendimento sobre o comportamento dos solos presentes nesses locais, sendo possível ainda utilizar essas informações em locais com geologia semelhante. 3. PLANO DE INSTRUMENTAÇÃO: CONCEPÇÃO E IMPLANTAÇÃO 3.1. Definição dos sensores Conforme descrito anteriormente, o monitoramento proposto envolveu a análise de aspectos geológico-geotécnicos, hidrológicos e ambientais, que envolveram medições de variações de poro-pressões, deslocamentos da massa de solo, deformações do sistema de contenção e precipitações. Para o presente artigo, será apresentada uma breve descrição de todos os instrumentos instalados, além de apresentar alguns resultados de leituras provenientes do monitoramento geotécnico e ambiental. Uma descrição completa da etapa de concepção desse plano de instrumentação é apresentada em Sestrem (2012). O monitoramento de parâmetros geotécnicos da encosta compreendeu a instalação dos seguintes sensores: um piezômetro Casagrande, seis piezômetros de corda vibrante, dois inclinômetros e oito tensiômetros. Os deslocamentos horizontais no talude estão sendo medidos através de 2 inclinômetros convencionais, instalados com um embutimento em rocha sã de 3 m. Para a determinação das poro-pressões positivas, foram utilizados piezômetros elétricos de corda vibrante (4500S), que possuem bom desempenho para medições em longo prazo, tempo de resposta rápido e possibilidade de automação das leituras, o que não é possível no sensor tipo Casagrande, por exemplo (GEOKON, 2013a). O arranjo desses sensores doi definido em duas “ilhas”, sendo uma posicionada dentro da área de estabilização e outra à montante, compostas por três sensores em profundidades distintas. Tal configuração foi definida de modo a obter leituras no centro da camada de solo, na interface entre a camada de solo e a rocha alterada, e no contato da rocha alterada com a rocha sã. Instalou-se ainda um piezômetro Casagrande, posicionado próximo ao PZE-01, que tinha como premissa a obtenção de medidas de de poro-pressão na mesma camada que o sensor de corda vibrante, atuando como um valor comparativo às leituras obtidas com esse instrumento.

Após os dois primeiros meses de instalação, entretanto, o sensor apresentou sinais de obstrução e não foi possível prosseguir com o monitoramento de suas leituras. Para as camadas superficiais, propôs-se o monitoramento das poro-pressões negativas com a utilização de oito tensiômetros convencionais (2725A) (SOIL MOISTURE, 2013). Sua distribuição foi definida em três ilhas de instrumentos, sendo duas dentro da área de contenção e uma à montante (próxima a ilha 2 dos piezômetros de corda vibrante). Buscou-se, com esse arranjo, verificar o avanço de eventuais frentes de infiltração mediante comparação das leituras entre esses sensores. Cabe salientar ainda que as leituras desses instrumentos foram automatizadas por meio de um transdutor acoplado ao tensiômetro, sendo possível ainda efetuar leituras manuais durante as visitas a campo através de um manômetro. A Tabela 1 apresenta um resumo com a distribuição e as profundidades de instalação definidas para os tensiômetros e piezômetros. Tabela 1 – Profundidades de instalação dos piezômetros e tensiômetros

Piezômetros Tensiômetros

Ilha Instrumento Profundidade Ilha Instrumento Profundidade

1

PIEZ-01 8,65m 1

TENS-01 1.00m

PIEZ-02 6,40m TENS-02 2.00m

PIEZ-03 3,90m

2

TENS-03 0.50m

2

PIEZ-04 8,60m TENS-04 2.55m

PIEZ-05 7,20m TENS-05 1.00m

PIEZ-06 3,70m TENS-06 2.00m

3

TENS-07 1.00m

TENS-08 2.00

Para o monitoramento das precipitações pluviométricas foi instalado um pluviógrafo modelo TB4/0.2 da Hydrological Services. Suas leituras são obtidas através de uma caçamba basculante que permite caracterizar os eventos pluviométricos não apenas pelo volume precipitado diário mas também pela sua intensidade. Essa medida é realizada através de um datalogger (ML1-FL) que possui uma capacidade máxima de leitura de 700 mm/h com resolução de 0,2 mm e registra data e hora da ocorrência de cada evento (HYDROLOGICAL SERVICES, 2011). Com relação ao monitoramento do sistema de contenção foram utilizadas células de carga, strain gages, e crackmeters. Para a instrumentação dos grampos foram utilizadas 4 (quatro) células de carga modelo 4900 da Geokon, instaladas seguindo um alinhamento vertical definido com o propósito de se verificar a distribuição das tensões ao longo da encosta sistema, em diferentes cotas de instalação.O monitoramento das tensões nos grampos compreendeu ainda a instalação de strain gages (VK-4150) (GEOKON, 2013c). Foram instrumentados quatro grampos com quatro extensômetros em três regiões distintas, de modo a avaliar a distribuição dos esforços axiais ao longo das barras além de avaliar e quantificar os carregamentos atuantes com os sensores intermediários posicionadas nas extremidades da região da tela instrumentada.

Figura 1 – Planta com a localização dos instrumentos instalados A captação e o registro das leituras de todos esses sensores está sendo realizada desde maio de 2012 de maneira automatizada através de um datalogger (MICRO-1000) com o intervalo de leituras inicialmente definido em 8 horas (GEOKON, 2013d). Durante o período compreendido entre 08/11/2012 e 12/12/2012 os dados não foram registrados pelo sistema de aquisição automatizado, como resultado de uma alteração no sistema realizada no dia 07/11/2012 no momento da instalação do sistema de captação de energia solar, corrigida no dia 13/12/2012. Nessa mesma data, um sistema de proteção por alarmes foi instalado, aumentando assim a segurança do conjunto de instrumentação ali instalado. Tal aperfeiçoamento visou garantir a alimentação do sistema de aquisição de dados e reduzir o intervalo entre as leituras, inicialmente definido devido exclusivamente à vida útil da bateria conectada ao sistema. A partir dessa data, as leituras passaram a ser registradas de hora em

hora e, mesmo com a nova frequência, o sistema mantém a carga da bateria próxima à máxima. 3.2. Leituras obtidas 3.2.1 Pluviógrafo

Os dados obtidos com esse instrumento permitem definir o volume de chuva precipitado diário e analisar sua variação ao longo do dia. A Tabela 2 apresenta resumo com as principais características dos eventos registrados até o momento. Com base nesses resultados é possível verificar diferenças de até 600% entre o mês com maiores precipitações (Mar-13) e àquele com as menores (Ago-12), onde é possível observar que durante o período de uma hora em agosto ocorreu um volume próximo ao precipitado durante todo o mês de março. É possível notar ainda que um mesmo volume mensal de precipitação pode representar intensidades médias bem distintas, com ocorrências distribuídas ao longo de todo o mês, como é o caso do mês de Fev-13 ou ainda eventos mais concentrados como o ocorrido em Jun-12. Tabela 2 – Resumo dos eventos pluviométricos

Período

Precipitação

Total

(mm)

Dias com

registro de

precipitação

Intensidade

média mensal

(mm/dia)

Volume

máximo

horário (mm)

Volume

máximo

diário (mm)

Mai - 2012 245.75 15 16.4 24.25 116.75

Jun - 2012 254.25 13 19.6 14.50 87.50

Jul - 2012 325.00 22 14.8 18.25 73.75

Ago - 2012 61.50 12 5.1 5.00 30.75

Set - 2012 77.25 13 5.9 14.00 31.75

Out - 2012 217.75 27 8.1 16.75 100.75

Dez - 2012 140.00 14 10.0 37.00 58.50

Jan - 2013 137.00 16 8.6 47.50 65.00

Fev - 2013 270.75 28 9.7 38.75 83.50

Mar - 2013 382.50 24 15.9 59.75 95.75

Um comparativo entre esses dados e aqueles registrados pelo pluviógrafo mais próximo ao maciço em questão, localizado em Navegantes permitiu verificar a importância da instalação de um sistema de registros de precipitações no local de interesse, tendo em vista as grandes divergências observadas entre os resultados. Cabe salientar ainda a importância da ampliação da série histórica de dados que permitirá, entre outras características, determinar semelhanças entre as precipitações ocorridas em uma mesma época do ano, além de atuar como uma importante ferramenta para a definição de critérios de alerta, etapa futura da pesquisa em questão.

3.2.2 Piezômetros

Com base nas leituras obtidas com os seis piezômetros de corda vibrante instalados foi possível acompanhar as variações de poro-pressão ao longo do tempo em cada sensor instalado (Figura 2). Verifica-se a ocorrência de valores muito baixos de poro-pressão, estando as leituras inclusive negativas. Tais valores são coerentes para o modelo de sensor escolhido, capaz de medir valores de poro-pressão entre -100 kPa e +350 kPa. O fabricante descreve ainda que esse modelo possui uma ponta cerâmica adequada para leituras em solos parcialmente saturados (GEOKON, 2013a; GEOKON, 2013b).

Figura 2 - Comparativo entre precipitações e variações de poro-pressões – PZE-01 a PZE-06 Observam-se que durante um primeiro momento (leituras até novembro de 2012) as variações de poro-pressão mostraram-se mais sensíveis aos eventos pluviométricos. Após esse período, verificam-se variações menores e muito próximas entre todos os sensores. Contudo, nota-se que as mudanças mais significativas de poro-pressão estão associadas apenas a eventos com precipitações de volumes superiores a 20 mm diários. Verifica-se ainda uma tendência de crescimento das leituras ao final do período de monitoramento, estando os valores medidos muito próximos a zero. Cabe salientar ainda que tanto os pequenos valores de poro-pressão medidos como as variações máximas de aproximadamente de pequena representatividade (10 kPa) provavelmente estão relacionados às características do solo encontrado na encosta. Conforme descrito em item precedente, a área de estudo caracteriza-se pela ocorrência de camadas com espessuras irregulares de solo, composta por camadas de solos coluvionares e residuais. O local é formado ainda por quatro zonas de fraturamento, que definem a permeabilidade do

maciço como sendo de ordem secundária e consequentemente atuam impedindo a formação de colunas de água nas camadas de solo. 3.2.3 Tensiômetros

Com base nos oito tensiômetros instalados é possível observar as variações de sucção matricial ao longo do tempo. A apresentação destes resultados foi dividida de acordo com as ilhas de instrumentação (sensores instalados em um mesmo patamar), sendo esses valores comparados ainda aos dados de precipitações diárias acumuladas obtidas com o pluviógrafo, conforme pode ser observado entre as Figuras 3 e 5. Tais resultados permitem verificar um alto grau de sensibilidade entre as medidas de sucção nas camadas superficiais do solo e os eventos pluviométricos, responsáveis por reduções a valores muito próximos a zero ou até negativos, representando a ocorrência de poro-pressões positivas nessas camadas. É possível constatar ainda uma diferença no comportamento dos sensores no início do monitoramento e durante os últimos meses. Durante um primeiro período de leituras (até Setembro/2012), os acréscimos de sucção apresentavam uma mesma ordem de grandeza para todos os sensores. Após essa data, verifica-se que os tensiômetros instalados em camadas mais superficiais passaram a apresentar acréscimos nos valores de sucção muito maiores. Tal característica se explica pelo crescimento de vegetação na área em que foram instalados, que atua absorvendo a água de precipitações de menores intensidades e, consequentemente, aumentando os valores de sucção. Cabe salientar que tal comportamento não é verificado nas leituras dos TENS-07 e TENS-08, o que se justifica pelo fato de estarem instalados em uma região com vegetação formada por grama (região a montante da área estabilizada). Verifica-se ainda que, com exceção do TENS-02, as precipitações registradas nos últimos meses serviram para manter os níveis de sucção baixos ou ainda negativos. Além disso, é possível notar que mesmo as precipitações de baixa intensidade provocam uma ligeira tendência de acréscimo das leituras, característica essa relacionado com os efeitos de vegetação.

Figura 3 - Comparativo entre precipitações e a variação da sucção – TENS-01 e TENS-02

Figura 4 - Comparativo entre precipitações e a variação da sucção – TENS-03 a TENS-06

Figura 5 - Comparativo entre precipitações e a variação da sucção – TENS-07 e TENS-08 3.2.4 Inclinômetros

A instalação de dois inclinômetros permitiu a análise da evolução dos deslocamentos horizontais na encosta em questão. Com base nos valores medidos até então, verificam-se deslocamentos máximos de 2 mm, representando dimensões não significativas em relação a estabilidade do maciço. Esses resultados mostram-se ainda condizentes com os carregamentos medidos com as células de carga e strain gages, além dos pequenos deslocamentos medidos pelos crackmeters. 4. CONCLUSÕES A implantação do plano de monitoramento proposto, composto por um arranjo denso e diversificado de sensores representou uma etapa de alta complexidade da pesquisa, exigindo um planejamento detalhado e específico com base em características geológica-geotécnicas do local de instalação, histórico de movimentações bem como a delimitação dos objetivos de análise. Com base nesses primeiros meses de leitura foi possível validar o plano de monitoramento proposto e verificar um bom desempenho do sistema de instrumentação que atualmente é alimentado pelo sistema de captação de energia solar. Os dados monitorados pelo pluviógrafo evidenciaram a importância de implantar estações em locais de interesse específico. No presente estudo, esses dados foram comparados com àqueles medidos em uma estação metereológica em Navegantes que evidenciaram esse aspecto. Verifica-se ainda que as variações de de poro-pressões medidas até o momento não foram significativas, estando associadas ao nível de fraturamento do maciço. Os valores de

sucção medidos pelos tensiômetros mostraram-se bastante sensíveis aos eventos pluviométricos e representam uma excelente ferramenta para o monitoramento das camadas não saturadas de solo. Foi possível observar ainda que os tensiômetros mais superficiais apresentam as maiores variações na leituras, estando esses sensores mais sensíveis à influência da vegetação. Não foram observados valores significativos de deslocamentos horizontais, resultados estes condizentes com a instrumentação do sistema de contenção onde não foram verificadas grandes variações nos carregamentos obtidos nas células de carga e strain gages bem como grandes deslocamentos nos crackmeters. Por fim, deve-se observar que as leituras obtidas até o momento representam um período restrito de dados. O aprofundamento do entendimento das condicionantes ambientais, geotécnicas e estruturais implantadas requerem sua continuidade, estando previsto o monitoramento até fevereiro de 2015. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem as agradecem à ANTT – Agência Nacional de Transportes Terrestres e à Autopista Litoral Sul – Grupo Arteris pelo apoio à pesquisa e fornecimento dos dados utilizados. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS GEOKON. (2013a) Instruction Manual Model 4500 series Vibrating Wire Piezometers. Página Internet:

http://www.geokon.com/content/manuals/4500_Piezometer.pdf. GEOKON. (2013b) VW Piezometers & Pressure Transducer. Página Internet:

http://www.geokon.com/content/datasheets/4500_Series_VW_Piezometers.pdf. GEOKON. (2013c) Model VK-4100/4150 Vibrating Wire Strain Gages. Página Internet:

http://www.geokon.com/content/manuals/4100-4150_Strain_Gage.pdf GEOKON. (2013d) Model 8021 (MICRO-1000) Multi-Channel Datalogger. Página Internet:

http://www.geokon.com/content/manuals/8021-1_Micro-1000_Datalogger.pdf HYDROLOGICAL SERVICES. (2011) TB4 Tipping Bucket Rain Gauge Model TB4. Página Internet:

http://www.hydroserv.com.au/products/tb4.asp. KORMANN, Alessander Christopher Morales; SESTREM, Liamara Paglia; ASAKAWA, Sergio. Avaliações de

estabilidade e do desempenho de sistemas de proteção de taludes rodoviários em uma encosta litorânea instrumentada. In: VI Workshop Desenvolvimento Tecnológico nas Concessões Rodoviárias. Brasília. Anais, p. 8-9, 2011.

SESTREM, Liamara Paglia. Concepção e implantação de um plano de instrumentação para avaliação das condicionantes geotécnicas de uma encosta litorânea. Dissertação (Mestrado). Programa de Pós-Graduação em Construção Civil. Curitiba, 2012.

SOIL MOISTURE. (2013) 2725ARL Jet Fill Tensiometers. Página Internet: http://www.soilmoisture.com/pdf/0898-2710_2725.pdf

Liamara Sestrem, (41) 8808-7116, liamarasestrem@gmail.com Alessander Kormann, (41) 8856-3290, alessander@ufpr.br