UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTOCENTRO TECNOLÓGICO
PROJETO DE GRADUAÇÃO
NATHÁLIA TABACHI BIMBATO
USO DO PERMEÂMETRO TIPO GUELPH PARA A OBTENÇÃO DA PERMEABILIDADE EM UMA ÁREA POTENCIAL PARA IMPLANTAÇÃO DE ATERRO DE
RESÍDUOS SÓLIDOS NÃO PERIGOSOS
VITÓRIA2014
NATHÁLIA TABACHI BIMBATO
USO DO PERMEÂMETRO TIPO GUELPH PARA A OBTENÇÃO DA PERMEABILIDADE EM UMA ÁREA POTENCIAL PARA IMPLANTAÇÃO DE ATERRO DE
RESÍDUOS SÓLIDOS NÃO PERIGOSOS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento de Engenharia Civil do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo, para obtenção do grau de Engenheiro Civil.
Orientador: Prof. Dr. Patrício José Moreira
Pires
VITÓRIA2014
NATHÁLIA TABACHI BIMBATO
USO DO PERMEÂMETRO TIPO GUELPH PARA A OBTENÇÃO DA PERMEABILIDADE EM UMA ÁREA POTENCIAL PARA IMPLANTAÇÃO DE ATERRO DE
RESÍDUOS SÓLIDOS NÃO PERIGOSOS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento de Engenharia Civil
do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo, para obtenção do
grau de Engenheiro Civil.
COMISSÃO EXAMINADORA:
_____________________________________________Prof. Patrício José Moreira PiresUniversidade Federal do Espírito SantoOrientador
_____________________________________________Prof. Romulo Castello Henriques RibeiroUniversidade Federal do Espírito SantoCo-Orientador
_____________________________________________Prof. João Luiz Calmon Nogueira da GamaUniversidade Federal do Espirito SantoExaminador
AGRADECIMENTOS
Agradeço aos meus pais, pelo apoio durante toda minha vida acadêmica até o
presente momento, me incentivando a estudar e a sonhar com as conquistas na
vida.
A minha irmã, pela paciência e ajuda incondicional.
Aos meus amigos, pelo incentivo e apoio ao estudo nas disciplinas do curso de
engenharia civil.
Ao Professor Patrício José Moreira Pires, pela orientação fundamental para
realização deste projeto, pela sua dedicação e tempo dispendidos.
Aos funcionários da empresa Marca Ambiental, pela disponibilidade e atenção
concedidas para realização dos ensaios e esclarecimento de dúvidas.
A todos os professores do curso de Engenharia Civil, por todo conhecimento
transmitido durante o andamento do curso.
A Deus, que me dá a possibilidade de concretizar mais este sonho.
RESUMO
O presente trabalho descreve um ensaio de permeabilidade realizado em uma área
que servirá de subsolo para um aterro sanitário de resíduos sólidos urbanos,
localizado em Cariacica, Espírito Santo. O valor da condutividade hidráulica foi
obtido a partir de um ensaio de infiltração em campo com o Permeâmetro Guelph,
instalado a profundidade de 24 cm. O Permeâmetro Guelph é um permeâmetro de
carga constante que trabalha sob o princípio do tubo de Mariotte. Ele é um
equipamento leve, fácil de ser operado e os ensaios são rápidos. Há um interesse
cada vez maior sobre as características de um aterro sanitário, pois quando os
resíduos são dispostos nele, os impactos ambientais são minimizados. A
permeabilidade é um fator que merece atenção especial em aterros sanitários, visto
que é preciso impedir a infiltração de poluentes no lençol freático e aquíferos
próximos. Os procedimentos de cálculo seguidos neste trabalho utilizam os modelos
teóricos propostos por Reynolds & Elrick (1983) e Reynolds & Elrick (1989). Para o
ponto ensaiado, obteve-se uma condutividade hidráulica saturada de campo = 9,32 x
10-6 cm/s. De acordo com a NBR 13896 (1997), uma camada impermeabilizante
deve ser implantada na base de um aterro sempre que houver predominância no
subsolo de material com condutividade hidráulica superior a 5x10 -6 cm/s. Assim,
levando em consideração apenas essa recomendação, há necessidade de uma
proteção adicional. É preciso destacar, contudo, que uma série de fatores como a
não utilização do líquido percolante real no ensaio, possíveis erros de leitura e
manuseio do equipamento, não representatividade do terreno, podem ter
influenciado o resultado, tornando-o não representativo da situação de campo.
Palavras-chaveAterro sanitário, Condutividade Hidráulica, Permeâmetro Guelph.
ABSTRACT
This project describes a permeability test performed in an area that will serve as a
basement to a landfill for municipal solid waste, located in Cariacica, Espírito Santo.
The value of hydraulic conductivity was obtained from an infiltration field test with
Guelph Permeameter, installed with 24 cm of depth. The Guelph permeameter is a
constant head permeameter and it works under the principle of Mariotte tube. It’s a
lightweight device, it’s easy to operate and the tests are fast. There is an increasing
interest on the landfill characteristics because when waste is disposed therein, the
environmental impacts are minimized. Permeability is a factor that deserves special
attention in landfills because it’s necessary to prevent the infiltration of pollutants in
groundwater and in near aquifers. Thus, this study aimed to understand the
characteristics, mode of operation, theoretical foundations of the Guelph
Permeameter for then use it determining the hydraulic conductivity of the landfill. The
calculation procedures followed in this project use the theoretical models proposed
by Reynolds & Elrick (1983) and Reynolds & Elrick (1989). We have obtained a
hydraulic conductivity = 9.32 x 10-6 cm / s in the tested point. According to NBR
13896 (1997), a waterproofing layer should be located on the base of a landfill where
there is a predominance of material with hydraulic conductivity greater than 5x10 -6 cm
/ s. Thus, considering only this recommendation, there would be necessary an
additional protection. However, there are a number of factors such as not using real
percolating liquid in the test, possible errors in reading and handling the equipment,
not representative site, which may have influenced the result turning it in a non-
representative site situation.
KeywordsLandfill, Hydraulic Conductivity, Guelph Permeameter.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Variação de v em função de i.........................................................18
Figura 2 - Elementos da Rede........................................................................19
Figura 3 - Permeâmetro curvo........................................................................20
Figura 4 - Permeâmetro curvo........................................................................21
Figura 5 - Fluxo através de um elemento.......................................................26
Figura 6 - Permeâmetro de carga constante..................................................28
Figura 7 - Permeâmetro de carga variável.....................................................29
Figura 8 - Ensaio de bombeamento de um poço em uma camada permeável
não confinada.................................................................................................31
Figura 9 - Ensaio de bombeamento de um poço que penetra até a
profundidade total de um aquífero confinado.................................................32
Figura 10 - Piezômetro cravado.....................................................................35
Figura 11 - Piezômetro escavado...................................................................35
Figura 12 - Estrutura de solo residual com micro e macroporos....................38
Figura 13 - Conjunto de tripé..........................................................................41
Figura 14 - Tubo de apoio e ligações de tubo de ar inferior...........................41
Figura 15 - Permeâmetro Guelph...................................................................42
Figura 16 - Bulbo de saturação......................................................................43
Figura 17 - Cinturão verde..............................................................................49
Figura 18 -Guarita..........................................................................................49
Figura 19 - Célula em fase de funcionamento................................................50
Figura 20 - Estação de tratamento do chorume.............................................51
Figura 21 - Impermeabilização de célula........................................................52
Figura 22 - Aplicação do mix de geosintéticos...............................................52
Figura 23 - Drenagem dos gases...................................................................53
Figura 24 - Esquema geral do processo de degradação...............................54
Figura 25 -(a) Escavador de solo. (b) Escavador de classificação. (c) Escova
de preparação do poço...................................................................................56
Figura 26 - Montagem Guelph 1.....................................................................57
Figura 27 - Montagem Guelph 2.....................................................................57
Figura 28 - Montagem Guelph 3.....................................................................58
Figura 29 - Enchimento dos reservatórios......................................................58
Figura 30 - Posicionamento do permeâmetro................................................59
Figura 31 - Célula do ensaio..........................................................................62
Figura 32 -Solo retirado do poço....................................................................62
Figura 33 - Curva granulométrica...................................................................63
Figura 34 - Relatório Guelph..........................................................................65
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Valores típicos de k para solos saturados ...................................26
Tabela 2 - Classificação dos ensaios para determinação da condutividade
hidráulica em campo .....................................................................................30
Tabela 3 - Estimativa de α*.............................................................................44
Tabela 4 - Ensaio peneiramento....................................................................62
Tabela 5 - Frações de solo.............................................................................63
Tabela 6 - Resumo resultados.......................................................................66
SUMÁRIO
AGRADECIMENTOS.......................................................................................4
RESUMO..........................................................................................................5
LISTA DE FIGURAS........................................................................................7
LISTA DE TABELAS.......................................................................................9
SUMÁRIO.......................................................................................................10
1 INTRODUÇÃO.....................................................................................13
2 OBJETIVO...........................................................................................14
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA................................................................15
3.1 PERMEABILIDADE..............................................................................15
3.1.1 Equação de Bernoulli..................................................................15
3.1.2 Fluxo unidimensional...................................................................16
3.1.2.1 Lei de Darcy....................................................................16
3.1.3 Fluxo bidimensional.....................................................................18
3.1.3.1 Equação de Laplace.......................................................18
3.1.3.2 Rede de fluxo..................................................................19
3.1.4 Fluxo tridimensional....................................................................25
3.2 Condutividade Hidráulica.....................................................................26
3.2.1 Ensaios de laboratório.................................................................27
3.2.1.1 Permeâmetro de carga constante...................................27
3.2.1.2 Permeâmetro de carga variável......................................28
3.2.2 Ensaios de campo.......................................................................30
3.2.2.1 Bombeamento a partir de poços.....................................30
3.2.2.2 Furos de sondagem........................................................33
3.2.2.3 Piezômetro......................................................................34
3.2.3 Propriedades e interações que influenciam a condutividade
hidráulica..............................................................................................36
3.2.3.1 Estado do solo................................................................36
3.2.3.2 Grau de saturação..........................................................36
3.2.3.3 Temperatura....................................................................37
3.2.3.4 Estrutura..........................................................................37
3.2.3.5 Anisotropia......................................................................39
3.3 Permeâmetro de Guelph......................................................................40
3.4 Aterros sanitários.................................................................................47
3.4.1 Definição.....................................................................................47
3.4.2 Critérios para localização............................................................48
3.4.3 Elementos componentes.............................................................48
3.4.4 Dinâmica de funcionamento........................................................51
3.4.4.1 Preparação das células...................................................51
3.4.4.2 Recebimento e disposição dos resíduos........................53
3.4.4.3 Recobrimento..................................................................54
3.4.5 Líquido percolante - Chorume.....................................................54
4 METODOLOGIA..................................................................................56
4.1 Experiências realizadas.......................................................................56
4.1.1 Fundamentos operacionais.........................................................56
4.1.2 Descrição da área de estudo......................................................60
4.1.2.1 Clima e condições meteorológicas.................................60
4.1.2.2 Solos...............................................................................61
4.1.3 Resultados..................................................................................61
5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES.........................................................67
5.1 Conclusões...........................................................................................67
5.2 Sugestões............................................................................................68
6 REFERÊNCIAS....................................................................................69
1 INTRODUÇÃO
A disposição de resíduos de maneira inadequada no solo contribui para a poluição e
contaminação do meio ambiente, uma vez que causa um impacto ambiental
negativo no meio biológico, físico e até mesmo socioeconômico e cultural. Os
problemas gerados vão desde a proliferação de vetores de doenças (baratas, ratos,
moscas), até a geração de odores desagradáveis e, principalmente, poluição do solo
e das águas superficiais e subterrâneas pelo líquido percolante gerado.
O aterro sanitário surge como uma técnica que visa dispor os resíduos sólidos no
solo, sem causar danos à saúde pública e a sua segurança, minimizando os
impactos ambientais. A determinação da condutividade hidráulica (k) do solo da
fundação e das camadas de base e de revestimento do aterro é uma das etapas
mais importantes nas investigações geotécnicas que visam projetos de aterros
sanitários, pois ela é a principal propriedade do solo que controla o processo de
infiltração.
De acordo com Stephens (1996), a condutividade hidráulica na zona não saturada
muda em função das propriedades do meio poroso, das características do fluído e
do teor de umidade volumétrica do material.
O valor de k pode ser encontrado de forma direta, através de métodos de campo ou
de laboratório, ou ainda, de forma indireta, através de previsão com modelos
numéricos. Vários são os métodos disponíveis para determinação in situ dessa
propriedade, assim, a escolha de um determinado método dependerá das
características do solo e das condições do local a ser estudado.
13
2 OBJETIVO
Propôs-se neste trabalho determinar o valor da condutividade hidráulica em uma
área que servirá de subsolo para um aterro sanitário de resíduos sólidos urbanos,
localizado em Cariacica, Espírito Santo. Com o resultado obtido, será possível
verificar se o solo em questão atende às recomendações das normas quanto ao
parâmetro permeabilidade. O equipamento empregado no ensaio de campo foi o
Permeâmetro de Guelph e os procedimentos de cálculo seguidos utilizam os
modelos teóricos propostos por Reynolds & Elrick (1983) e Reynolds & Elrick (1989).
14
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 PERMEABILIDADE
Frequentemente, a água ocupa a maior parte ou a totalidade dos vazios do solo.
Quando a água é submetida a diferenças de potenciais, ela desloca-se dos pontos
de alta energia para os de baixa energia.
Em Mecânica dos solos, o parâmetro permeabilidade é a propriedade que
caracteriza uma maior ou menor facilidade de percolação da água através dos poros
de determinado solo.
Segundo Pinto (2006), o estudo da percolação da água nos solos é de extrema
importância, pois ela intervém em problemas práticos como no cálculo de vazões, na
análise de recalques e nos estudos de estabilidade.
3.1.1 Equação de Bernoulli
De acordo com a equação de Bernoulli, explicitada abaixo, a carga total de um ponto
na água em movimento pode ser dada pela soma das cargas piezométrica, cinética
e altimétrica.
H=( uγw )+( v s22 g )+he(1)Onde:
H: carga total
u: poropressão
γw: peso específico da água
vs: velocidade de percolação
g: aceleração da gravidade
he: cota do ponto = carga altimétrica
15
O termo vs2/2g, que representa a carga cinética, pode ser desprezado na maioria
dos problemas de percolação de água através dos solos, em vista do pequeno valor
da velocidade.
Assim, no estudo da percolação nos solos, a equação básica é:
H=( uγw )+he (2)
A perda de carga do fluxo entre dois pontos a e b pode, então, ser determinada por:
∆ h=Ha−Hb=(( uaγw )+hea)−(( ubγw )+heb)(3)
O gradiente hidráulico é um número que representa a dissipação de energia por
unidade de peso de fluxo, numa distância L. Ele é expresso pela relação (4).
i=(∆hL )(4)Onde:
i: gradiente hidráulico
∆h: perda de carga do fluxo
L: distância percorrida para perda
3.1.2 Fluxo unidimensional
3.1.2.1 Lei de Darcy
Em 1856, Henry Darcy publicou a lei experimental (5) correlacionando a velocidade
de descarga da água, através de solos saturados, com o gradiente hidráulico.
v=k ×i(5)
Onde:
v: velocidade de descarga
16
k: condutividade hidráulica
i: gradiente hidráulico
Na equação (5), v é a velocidade de descarga da água com base na área da seção
transversal bruta da amostra de solo ensaiada. Porém, a velocidade efetiva da água
através dos espaços vazios do solo é maior que v, pois a área disponível é menor.
Para uma dada vazão Q, é possível relacionar a velocidade de descarga com a
velocidade efetiva (velocidade de percolação), através da equação (6).
Q=v× A=vs× A v (6)
Onde:
Q: vazão
v: velocidade de descarga
A: área da seção transversal bruta do solo
Av: área de vazios da seção transversal do solo
vs: velocidade de percolação
Aplicando-se os conhecimentos em índices físicos, a equação (6) pode ser reescrita
como:
vs=( vn )(7)Onde:
vs: velocidade de percolação
v: velocidade de descarga
n: porosidade
A lei de Darcy (5) é válida para condições de fluxo laminar e é aplicável para uma
grande variedade de solos. A figura 1 mostra a variação da velocidade de descarga
em função crescente do gradiente hidráulico. Como pode ser visualizado, na zona
de fluxo laminar a velocidade tem uma relação linear com o gradiente hidráulico.
17
Figura 1 – Variação de v em função de i.
Fonte: DAS, 2013, p.145.
3.1.3 Fluxo bidimensional
3.1.3.1 Equação de Laplace
De acordo com Gerscovich (2011), a equação básica para fluxo laminar
tridimensional em solos é reduzida à Equação de Laplace (equação (8)), após as
considerações e suposições seguintes:
componentes da vazão de água no subsolo somente nas direções x e z;
fluxo estacionário;
solo saturado permanente;
efeitos de capilaridade desprezíveis;
água e esqueleto de partículas sólidas incompressíveis;
solo homogêneo;
condutividade hidráulica constante nas direções x e z;
validade da lei de Darcy;
solo isotrópico em relação à permeabilidade.
(∂¿¿2h)/∂ x2 ¿+(∂2h/∂ z2)=0 (8)
18
3.1.3.2 Rede de fluxo
De acordo com Pinto (2006), o estudo do fluxo bidimensional é simplificado através
de uma representação gráfica dos caminhos percorridos pela água e da
correspondente dissipação de carga. Essa representação é conhecida como rede de
fluxo. Desde que as condições de contorno da região onde ocorre o fluxo sejam
satisfeitas, a rede de fluxo obtida constituirá uma solução particular da equação de
Laplace para este problema específico.
É conveniente que as redes de fluxo bidimensionais sejam traçadas considerando
canais de igual vazão, conhecidas como linhas de fluxo, e zonas de igual perda de
potencial, conhecidas como equipotenciais (ver figura 2). Além disso, a condição
fundamental a ser satisfeita em uma rede de fluxo é a de que todas as interseções
entre linhas de fluxo e equipotenciais ocorram segundo ângulos retos.
A construção gráfica das redes de fluxo é feita por tentativas a partir da definição
das linhas limites, portando requer experiência.
Figura 2 – Elementos da Rede.
Fonte: PINTO, 2006, p.145.
No caso dos permeâmetros curvos (figura 3), as linhas de fluxo são arcos de
círculos concêntricos. Como o comprimento das linhas de fluxo é diferente, os
gradientes hidráulicos também diferem. Através da Lei de Darcy (5), tendo em vista
que a condutividade hidráulica é constante, conclui-se que as velocidades de
19
percolação são variáveis e inferiores junto à superfície externa, local com menores
gradientes hidráulicos (PINTO, 2006).
Como dito anteriormente, o ideal é que as redes de fluxo sejam traçadas
considerando canais de igual vazão. Assim, já que a velocidade junto à superfície
externa é menor, é necessário que os canais próximos a ela sejam mais largos do
que os canais junto à superfície interna (PINTO, 2006).
As distâncias entre as linhas equipotenciais serão variáveis também. Para
determinar o afastamento entre essas linhas, deve-se dividir o comprimento da linha
de fluxo em questão pela quantidade de equipotenciais.
Figura 3 – Permeâmetro curvo.
Fonte: PINTO, 2006, p.146.
A figura 4 ilustra uma rede de fluxo correspondente à percolação sob uma
pranchada penetrante numa camada de areia. Observa-se que diferentemente da
rede correspondente ao permeâmetro curvo, os canais de fluxo possuem
espessuras variáveis ao longo de seus desenvolvimentos (PINTO, 2006).
Desse modo, para que a vazão seja constante, a velocidade tem de ser maior
quando o canal se estreita. Além disso, para manter a perda de potencial constante
de uma linha equipotencial para a outra, o espaçamento entre as linhas deve
diminuir.
20
Figura 4 – Rede de fluxo sob pranchada.
Fonte: PINTO, 2006, p.148.
A rede de fluxo permite a estimativa da vazão, poropressões e, consequentemente,
gradientes hidráulicos.
Vazão
Se a razão entre as dimensões médias das malhas de uma rede de fluxo for
constante, a vazão que ocorre nos vários canais de fluxo desta rede também será
constante e igual a Q. Assim, se a rede possui nf canais de fluxo, a vazão total por
unidade de comprimento na direção perpendicular a página(considerando figura 4)
será igual a:
Q =nf ×Q(9)
Onde:
Q`: vazão total por unidade de comprimento
nf: número de canais de fluxo
Q: vazão em um canal de fluxo
Ainda, se a razão entre as dimensões médias das malhas de uma rede de fluxo for
constante, a perda de carga entre duas equipotenciais adjacentes quaisquer
também será constante e igual a:
∆ h=∆Hnq
(10)
21
Onde:
∆h: perda de carga entre duas equipotenciais adjacentes
∆H: diferença de carga total que provoca percolação
nq: número de faixas de perda de potencial
Considerando um elemento qualquer da rede, como o visto na figura 2, pela Lei de
Darcy, tem-se que a vazão por esse elemento vale:
Q=k×( ∆hl )×b(11)Onde:
Q: vazão em um canal de fluxo
k: condutividade hidráulica
∆h: perda de carga entre duas equipotenciais adjacentes
l: distância entre duas equipotenciais adjacentes
b: distância entre duas linhas de fluxo adjacentes
Levando-se a equação (10) em (11) e substituindo-se em (9), tem-se que a vazão
total por unidade de comprimento é:
Q=k×∆ H ×( bl )×( nfnq )(12)Onde:
Q: vazão total por unidade de comprimento
k: condutividade hidráulica
∆H: diferença de carga total que provoca percolação
l: distância entre duas equipotenciais adjacentes
b: distância entre duas linhas de fluxo adjacentes
nf: número de canais de fluxo
22
nq: número de faixas de perda de potencial
Como b=l, para a malha de “quadrados”, tem-se:
Q=k×∆ H ×( nfnq )(13)Onde:
Q: vazão total por unidade de comprimento
k: condutividade hidráulica
∆H: diferença de carga total que provoca percolação
nf: número de canais de fluxo
nq: número de faixas de perda de potencial
Gradiente hidráulico
O gradiente hidráulico em uma malha qualquer da rede fluxo é calculado através da
equação (14). Se a distância entre as equipotenciais for variável ao longo da linha de
fluxo, é importante notar que o gradiente varia de ponto para ponto.
i=∆hl
(14)
Onde:
i: gradiente hidráulico
∆h: perda de carga entre duas equipotenciais adjacentes
l: distância entre duas equipotenciais adjacentes
Poropressão
A poropressão em qualquer ponto de uma região de fluxo é obtida através da
equação (15).
23
u=hp×γw(15)
Onde:
u: poropressão
hp: carga piezométrica
γw: peso específico da água
Reorganizando a equação (2), tem-se que:
hp=H−he(16)
Onde:
hp: carga piezométrica
H: carga total
he: carga altimétrica
A carga total em cada equipotencial é facilmente encontrada desde que a perda de
carga seja constante entre as equipotenciais adjacentes. Estabelecendo o
referencial em uma posição qualquer, a carga total na equipotencial de entrada é
obtida de acordo com as condições de contorno. Então, os valores das cargas totais
nas equipotenciais subsequentes serão sempre iguais ao valor de carga total
anterior menos a perda de carga constante e igual a ∆h.
Assim, para finalmente encontrar o valor da poropressão em um ponto qualquer,
basta que o valor da carga total neste ponto seja calculado e que a carga de
elevação seja conhecida.
u=γw (H−he )(17)
Onde:
u: poropressão
γw: peso específico da água
H: carga total
24
he: carga altimétrica
3.1.4 Fluxo tridimensional
Segundo Gerscovich (2011), encontra-se a equação básica para fluxo laminar
tridimensional em solos homogêneos (equação (18)), após as considerações e
suposições seguintes:
a diferença entre o volume de água que entra e o volume que sai do elemento
de solo por unidade de tempo é igual à variação de volume de água por
unidade de tempo no interior do elemento de solo;
validade da lei de Darcy;
gradiente hidráulico negativo, pois a perda de carga total diminui com o
aumento do caminho de percolação;
condutividade hidráulica constante nas direções x, y, z;
volume de sólidos constante.
k x∂2h
∂ x2+k y∂
2h∂ y2
+kz∂
2h∂ z2
=( 11+e )(e ∂S∂t +S ∂e∂ t )(18)
Onde:
Kx,ky,kz: condutividade hidráulica
h: perda de carga total
x,y,z: direções (ver figura 5)
e: índice de vazios
S: grau de saturação
t: tempo
A figura 5 ilustra o elemento de solo homogêneo com dimensões dx, dy e dz, através
do qual a água flui em regime laminar.
25
Figura 5 – Fluxo através de um elemento.
Fonte: PINTO, 2006, p.152.
3.2 CONDUTIVIDADE HIDRÁULICA
O valor da condutividade hidráulica altera muito entre solos distintos. Alguns valores
típicos para solos saturados são apresentados na tabela 1.
Tabela 1: Valores típicos de k para solos saturados.
Fonte: DAS, 2013, p.147.
A condutividade hidráulica pode ser obtida de forma direta, através de métodos de
campo ou de laboratório, ou ainda, de forma indireta, através de previsão com
modelos numéricos. A equação (19), desenvolvida por Taylor em 1948, é um
exemplo de método indireto para obtenção de k.
k=D2×( γwμ )×( e3
1+e )×C (19)
Onde:
26
k: condutividade hidráulica
D: diâmetro de uma esfera equivalente ao tamanho dos grãos do solo
γw: peso específico do líquido
μ: viscosidade do líquido
e: índice de vazios
C: coeficiente de forma
3.2.1 Ensaios de laboratório
Dois tipos de ensaios laboratoriais padrão são empregados para determinar a
condutividade hidráulica do solo: o ensaio de carga constante e o ensaio de carga
variável.
O ensaio de carga constante é principalmente utilizado para areias e solos arenosos.
Por outro lado, o de carga variável é usado para solos argilosos, visto que
quantidades de água muito pequenas atravessam a amostra (VARGAS, 1978).
Em ambos os ensaios, admite-se que a água percola através do solo em regime de
escoamento laminar.
3.2.1.1 Permeâmetro de carga constante
O arranjo típico desse tipo de ensaio é ilustrado na figura 6. Segundo a NBR 13292
(1995), com as válvulas abertas, deve-se aguardar até que a diferença de cargas
entre a entrada e saída de água se estabilize. Então, deve-se medir e registrar a
carga, a temperatura e o volume de água percolado em determinado tempo. O valor
de k pode ser calculado através da Lei de Darcy.
Q=A×v ×t=A× (k× i )×t=A×(k×( hL ))×t(20)Onde:
27
Q: volume de água coletada
A: área da seção transversal do corpo de prova
v: velocidade de descarga
t: tempo de coleta
h: diferenças nos níveis dos tubos manométricos
L: comprimento do solo
Reescrevendo a equação (20), tem-se:
k=( Q×LA×h×t )(21)
Figura 6: Permeâmetro de carga constante.
Fonte: DAS, 2013, p.149.
3.2.1.2 Permeâmetro de carga variável
Um típico ensaio de permeabilidade com carga variável é esquematizado na figura
7. Neste ensaio, deve-se registrar a carga inicial h1 a um tempo t=0 e, após a água
fluir através da amostra de solo, a carga final h2 no tempo t=t2. Efetuam-se, também,
medidas da temperatura da água coletada em um recipiente colocado ao lado do
permeâmetro.
A NBR 14545:2000 prescreve os métodos completos para realização deste ensaio.
28
A equação para o cálculo da condutividade hidráulica é:
k=( a× LA×t )× ln( h1h2 )(22)Onde:
k: condutividade hidráulica
a: área da seção transversal do tubo onde a variação de carga é medida
A: área da seção transversal do corpo de prova
t: intervalo de tempo
h1 e h2: carga inicial e final, respectivamente
L: comprimento do solo
Figura 7: Permeâmetro de carga variável.
Fonte: DAS, 2013, p.150.
A principal vantagem da realização de ensaios em laboratório é o controle das
condições do ensaio, possibilitando a realização de uma série de simulações.
Contudo, a qualidade dos resultados de ensaios laboratoriais depende muito da
qualidade e representatividade das amostras. Além disso, muitas vezes os
resultados obtidos nestes ensaios não representam com fidelidade algumas das
características do maciço, essenciais para a previsão do seu comportamento
(GIACHETI et al., 2000).
29
3.2.2 Ensaios de campo
A classificação dos ensaios de campo para determinação da condutividade
hidráulica pode ser função de vários parâmetros. Na tabela 2, é possível visualizar
alguns desses parâmetros, como a metodologia de prospecção empregada no
campo, a maneira de realização e a pressão aplicada.
Nos ensaios em porções não saturadas dos solos, admite-se apenas a injeção de
água no solo, ou seja, a realização do ensaio de carga. Por outro lado, em porções
saturadas dos solos, permite-se tanto a retirada quanto a injeção de água no solo
(OLIVEIRA E CORRÊA, 1996).
Tabela 2: Classificação dos ensaios para determinação da condutividade hidráulica em campo.
Fonte: OLIVEIRA E CORRÊA, 1996.
Alguns desses ensaios são descritos a seguir:
3.2.2.1 Bombeamento a partir de poços
Trata-se de um ensaio de grande uso para a determinação da permeabilidade in situ
de camadas de areia e pedregulho, situados abaixo do nível freático (CAPUTO,
1988).
30
De acordo com Das (2013), durante o ensaio deve-se bombear a água a uma taxa
constante para fora do poço de ensaio. Deve-se, também, escavar poços
testemunhas a diferentes distâncias radiais do poço de ensaio. A partir do momento
em que o nível da água nos poços se torna constante, a vazão de água do solo para
dentro do poço, que é igual à vazão de bombeamento, pode ser expressa por:
Q=k×(dydx )×2×π ×x × y (23)
Separando as variáveis e integrando, tem-se:
k=( Q× ln ( x2x1 )π × ( y22− y1
2 ) )(24)A figura 8 mostra o principio no qual se baseia o ensaio. As variáveis x1,x2,y1 e y2,
também são representadas.
Figura 8: Ensaio de bombeamento de um poço em uma camada permeável não confinada.
31
Fonte: Produzido pela autora
A condutividade hidráulica média de um aquífero confinado também pode ser
determinada pela realização do ensaio de bombeamento. Nesse caso, como a água
possui apenas a possibilidade de entrar no poço através do aquífero de espessura
H, a condutividade na direção do fluxo assume a seguinte forma (DAS, 2013):
k=( Q× ln( x2x1 )2×H × ( y2− y1) )(25)
A figura 9 mostra o principio no qual se baseia o ensaio. As variáveis x1, x2, y1, y2 e
H também são representadas.
Figura 9: Ensaio de bombeamento de um poço que penetra até a profundidade total de um aquífero confinado.
Fonte: Produzido pela autora
32
O custo para realização do ensaio de bombeamento é consideravelmente alto e,
portanto, devem-se preceder investigações que estabeleçam a natureza geral das
formações.
3.2.2.2 Furos de sondagem
Trata-se de um ensaio no qual se determina a permeabilidade de solos e rochas
injetando-se ou bombeando-se água através de perfurações executadas durante a
fase de investigação. Segundo Davilla1, a utilização deste método requer cuidados,
pois sua aplicação prática está sujeita a uma série de inconsistências, tais como a
falta de precisão nas medidas dos elementos geométricos e o amolgamento do solo
devido à perfuração (informação verbal). Além disso, Lima, citado por Santos (2004),
adverte que as fórmulas deduzidas para o cálculo da condutividade hidráulica são
aplicáveis somente em casos específicos. Assim, é necessário muito cuidado para
não utilizar fórmulas em ensaios cujas condições não se enquadram na formulação
proposta.
Estes ensaios podem ser de carga variável ou de carga constante.
Carga variável
No ensaio de carga variável, o nível de água é alterado para uma posição
denominada inicial. Essa posição pode ser estabelecida através da introdução de
água (ensaio de rebaixamento) ou da retirada de água (ensaio de recuperação). No
decorrer do ensaio, há uma tendência do nível de água retornar à posição inicial.
Deve-se acompanhar, portanto, a velocidade para uma determinada variação da
carga (OLIVEIRA E CORRÊA, 1996).
Carga constante
33
No ensaio de carga constante, o nível de água pode ser mantido constante através
da introdução de água (ensaio de infiltração) ou da retirada de água (ensaio de
___________________
1DAVILLA,C. Permeabilidade dos solos. [S.I.:s.n.], 2008. Disponível em: <ftp://ftp.ifes.edu.br/cursos/Transportes/CelioDavilla/Solos/Literatura complementar/Notas de aula/unidade_6.pdf>. Acesso em: 10 fev. 2014.
bombeamento). Na primeira situação, deve-se medir a vazão injetada para manter o
nível constante. Já para o caso de retirada de água, deve-se medir a vazão
bombeada (OLIVEIRA E CORRÊA, 1996).
3.2.2.3 Piezômetro
Os ensaios conduzidos em piezômetros podem ser do tipo slug test. Nesse tipo de
ensaio, o nível de água no piezômetro pode aumentar ou diminuir,
instantaneamente, pela adição ou remoção de água ou pela adição ou remoção de
um sólido cilíndrico. A estabilização desse nível pode ser tão rápida, que muitas
vezes só é possível acompanhá-lo através de transdutores de pressão (OLIVA;
KIANG; CAETANO-CHANG, 2005). O resultado do monitoramento da posição do
nível da água é uma curva de rebaixamento ou recuperação desse nível com o
tempo. Assim, de posse das características geométricas do poço e dos parâmetros
extraídos da curva obtida, pode-se calcular o valor da condutividade hidráulica
(DAWSON; JONATHAN, 1991, apud OLIVA; KIANG; CAETANO-CHANG, 2005).
A condutividade hidráulica pode ser calculada através de vários métodos.
A equação básica para a determinação da condutividade hidráulica a partir de
resultados de ensaios com piezômetros foi apresentada por Hvorslev, 1951, e
correspondia à condição do solo abaixo do nível de água. Para utilizá-la, é preciso
conhecer a relação entre a carga hidráulica aplicada no interior do furo e a vazão
medida durante o ensaio, e, ainda, o fator de forma da ponteira. O fator de forma
depende da geometria do piezômetro e do tipo de ensaio (com aplicação de carga
hidráulica constante ou variável) (PINTO, 2005).
34
De acordo com Tavenas et al., citado por Pinto(2005), existem dois tipos de
piezômetros amplamente utilizados, são eles:
Piezômetro cravado
Este piezômetro é composto por uma ponteira metálica e um elemento poroso unido
a um tubo de água. Este tipo de ensaio não deve ser utilizado para solos argilosos,
uma vez que no momento da cravação ocorre uma pertubação e colmatação na
estrutura do solo. A figura 10 mostra o esquema de um piezômetro cravado.
Figura 10: Piezômetro cravado.
Fonte: PINTO, 2005, p.41.
Piezômetro escavado
A execução de um ensaio de condutividade hidráulica com piezômetro escavado
(figura 11) requer basicamente: tubos de PVC, bentonita para a execução do selo,
areia para execução do filtro, bureta graduada para a medição do volume de água
infiltrado e, ainda, trados e hastes para a execução do furo de sondagem.
Figura 11: Piezômetro escavado.
35
Fonte: PINTO, 2005, p.41.3.2.3 Propriedades e interações que influenciam a condutividade hidráulica
De acordo com Stephens (1996), a condutividade hidráulica na zona não saturada
muda em função das propriedades do meio poroso, das características do fluído e
do teor de umidade volumétrica do material.
3.2.3.1 Estado do solo
Quanto maior o índice de vazios, isto é, quanto mais fofo o solo, mais permeável ele
é. Caso o valor da condutividade hidráulica, k, seja conhecido para certo solo com
índice de vazios e, pode-se calcular k para outro e através da equação (26) (mais
utilizada para areias) (PINTO, 2006).
( k1k2 )=(e13
1+e1e23
1+e2)(26)
Onde:
k: condutividade hidráulica
e: índice de vazios
36
3.2.3.2 Grau de saturação
A condutividade hidráulica de um solo não saturado é menor do que se ele estivesse
totalmente saturado. Essa diferença ocorre, pois as bolhas de ar, contidas pela
tensão superficial da água, criam obstáculos ao fluxo de água (PINTO, 2006).
3.2.3.3 Temperatura
Como pode ser observado na equação (19), o peso específico, γw, e a viscosidade
do líquido percolante, μ, influenciam na condutividade hidráulica, k.
Segundo Prevedello (1996), citado por Cunha (2006, p. 21), a variação do parâmetro
γw com a temperatura é muito pequena, tendo pouca influencia na condutividade
hidráulica. Entretanto, a viscosidade decresce sensivelmente com o aumento da
temperatura.
Dessa forma, quanto maior for a temperatura, menor a viscosidade da água e,
portanto, mais facilmente ela escoa pelos vazios do solo com correspondente
aumento de k.
De acordo com Youngs (1991), mencionado por Cunha (2006, p. 21), a
condutividade hidráulica varia aproximadamente 3% para cada 1°C de alteração na
temperatura.
Convencionou-se então, em vista da uniformidade, adotar a condutividade referida à
água na temperatura de 20° Celsius, o que se faz pela seguinte equação:
k 20=k ×( μμ20 )(27)Onde:
k: condutividade hidráulica
μ: viscosidade do líquido percolante
37
3.2.3.4 Estrutura
A disposição relativa dos grãos também influi na permeabilidade de um solo.
No caso de solos residuais e de solos compactados, por exemplo, existem
aglomerações de partículas argilosas que se arranjam de modo a formar vazios de
maiores dimensões, como pode ser visto na figura 12. Assim, em virtude dos
macroporos de sua estrutura, a água percola com maior facilidade nestes solos
(PINTO, 2006).
Figura 12: Estrutura de solo residual com micro e macroporos.
Fonte: PINTO, 2006, p.20.
A superfície das partículas de argila é, normalmente, carregada negativamente.
Cátions intercambiáveis como o Ca2+, Mg2+, Na+ e K+ balanceiam essa carga
negativa, no caso de argilas secas (DAS, 2013). De acordo com Pinto (2006, p.
18), “Quando a água se encontra em contato com as partículas argilosas, as
moléculas orientam-se em relação a elas e aos íons que circundam as partículas. Os
íons afastam-se das partículas e ficam circundados por moléculas de água”. Essa
configuração é chamada de dupla camada difusa.
As características da dupla camada dependem da valência dos íons presentes na
água, da concentração eletrolítica, da temperatura e da constante dielétrica do meio
38
(PINTO, 2006). A equação (28) permite avaliar a influência de algumas variáveis
sobre a espessura da dupla camada (Aguiar, 2001).
1K
=(ε0×D×k×T2×n0×e
2×v2)1 /2
(28)
Onde:
1/K: espessura da dupla camada
ε0: permissividade do vácuo (8,8542 x 10-12 C2J-1m-1)
D: constante dielétrica do fluido
k: constante de Boltzman
T: temperatura
n0: concentração iônica
e: carga eletrônica
v: valência catiônica
Através da equação (28), é possível observar que solos percolados por líquidos
contendo cátions monovalentes, como Na+, K+, entre outros, exibem duplas camadas
mais espessas do que os percolados por líquidos com cátions polivalentes, como o
Ca2+, Mg2+ e outros. Além disso, soluções com alta concentração iônica apresentam
uma menor espessura da dupla camada.
Segundo Aguiar (2001), quanto mais espessa for a dupla camada, mais estreito será
o caminho para a solução e, por conseguinte, menor será condutividade hidráulica.
A constante dielétrica do fluido também exerce uma influência significativa sobre o
fluxo no solo. Quanto maior o valor de D, menor será o valor da condutividade
hidráulica.
3.2.3.5 Anisotropia
39
Usualmente, o solo não é isotrópico em relação à permeabilidade. Em solos
sedimentares e em solos compactados, as diversas camadas podem apresentar
permeabilidades diferentes e, ainda, as partículas possuem uma tendência de se
posicionarem com suas maiores dimensões orientadas na posição horizontal. Isso
faz com que esses solos habitualmente apresentem maiores condutividades
hidráulicas na direção horizontal do que na vertical ( PINTO, 2006).
3.3 PERMEÂMETRO DE GUELPH
O Permeâmetro Guelph é um permeâmetro de furo e de carga hidráulica constante
que mede a condutividade hidráulica saturada de campo acima do lençol freático.
Ele foi desenvolvido por Reynolds & Elrick (1983) e, posteriormente, aperfeiçoado
pelos mesmos na University of Guelph, Canadá (RIBEIRO;PEREIRA; IWASHITA,
2009).
De acordo com as Instruções Operacionais do Permeâmetro Guelph, fornecido pela
Contenco, devido às melhorias práticas incorporadas na operação do Permeâmetro
Guelph e a análise avançada que a teoria fornece, ele é idealmente apropriado para
aplicações envolvendo o projeto e o monitoramento de sistemas de irrigação,
sistemas de drenagem, canais, reservatórios, aterros sanitários, sistemas de
reservatórios sépticos, estudos e pesquisas de solo e hidrológicas, entre outros.
Algumas das vantagens deste equipamento são: leveza do aparelho, facilidade de
operação e rapidez dos ensaios.
O Manual do Permeâmetro Guelph divide o equipamento em quatro seções básicas.
São elas:
conjunto de tripé;
tubo de apoio e ligações de tubo de ar inferior;
conjunto de reservatório;
escala de cabeça do poço e ligações do tubo de ar superior.
40
O conjunto de tripé, ilustrado na figura 13, é constituído por uma base de tripé com
bucha de tripé, luva de aperto e três pernas de tripé destacáveis.
Figura 13: Conjunto de tripé.
Fonte: Instruções Operacionais – Permeâmetro Guelph Modelo I-1034 L, Contenco, p.05.
O tubo de apoio suporta o conjunto de reservatório sobre a abertura do poço e
conduz água do reservatório até a ponta de saída de água. A ponta de entrada de ar
é acoplada ao fundo do tubo inferior e é utilizada para regular a altura da cabeça de
poço. Quando a ponta de entrada de ar está completamente posicionada contra a
arruela de restrição de ar, o ar não pode se mover para cima do tubo de apoio e,
portando, não ocorre nenhum fluxo de água para fora do reservatório. A figura 14
exibe o esquema desses itens.
Figura 14: Tubo de apoio e ligações de tubo de ar inferior.
41
Fonte: Instruções Operacionais – Permeâmetro Guelph Modelo I-1034 L, Contenco, p.06.
O conjunto de reservatório, visualizado na figura 15, é constituído por um
reservatório interno com escala graduada e um reservatório externo. O conjunto
fornece o meio para o armazenamento de água e para medir a taxa de fluxo de
saída enquanto o permeâmetro está em uso. Através da válvula dos reservatórios,
pode-se optar pela utilização dos dois reservatórios ou apenas do interno. Esta
escolha depende se o ensaio será realizado em solos de alta ou baixa
permeabilidade, respectivamente.
Figura 15: Permeâmetro Guelph.
42
Fonte: SANTOS, 2004, p.58.
Por fim, o tubo com escala graduada permite realizar a leitura da altura de carga do
poço. Esse item também pode ser visto na figura 10.
O Permeâmetro Guelph trabalha sob o princípio do tubo de Mariotte. Após a
execução de uma abertura de poço cilíndrica, uma carga constante no furo deve ser
estabelecida e mantida no nível do fundo do tubo de ar. À medida que o nível de
água no reservatório diminui, um vácuo é criado no espaço acima da água. O vácuo
pode apenas ser aliviado quando o ar da pressão atmosférica ambiente entra pela
parte superior do tubo de ar, sai da ponta de entrada de ar e sobe, então, para a
parte superior do reservatório. Desta forma, sempre que o nível de água no poço
começa a afastar-se da ponta de entrada de ar, bolhas de ar emergem da ponta e
ascendem para o reservatório. O vácuo é assim parcialmente aliviado e a água
proveniente do reservatório restabelece o nível de água no poço. Ainda, o tamanho
da abertura e a geometria da ponta de entrada de ar controlam o tamanho das
43
bolhas de ar e impedem que o nível de água no poço flutue (INSTRUÇÕES
OPERACIONAIS : PERMEÂMETRO GUELPH MODELO I-1034 L).
Após determinado tempo, que dependerá, dentre outros fatores, da umidade
antecedente do solo e da sua textura, um bulbo em torno do furo estará saturado
(ver figura 16) e, então, o fluxo externo de água do poço torna-se constante. Este
valor de fluxo é empregado no cálculo da condutividade hidráulica (AGUIAR, 2001).
Figura 16: Bulbo de saturação.
Fonte: AGUIAR, 2001, p.25.
Durante o ensaio, geralmente, não se consegue expulsar completamente o ar dos
vazios do solo e, portanto, a saturação total não é atingida. O que se alcança é a
chamada saturação de campo, que não chega a ser um inconveniente, já que os
processos naturais e artificiais de infiltração resultam na captura de ar no solo.
A condutividade hidráulica saturada de campo pode ser obtida por meio de
diferentes métodos de cálculo. Quando se utiliza o método de uma cabeça, proposto
por Reynolds & Elrick (1989), a análise de descarga estável de um poço considera
todas as forças que colaboram para o fluxo de água tridimensional dentro dos solos:
o impulso hidráulico de água para dentro do solo, o impulso gravitacional de líquido
para fora através do fundo do poço e o “impulso” de capilaridade de água fora do
poço para dentro do solo adjacente (INSTRUÇÕES OPERACIONAIS:
PERMEÂMETRO GUELPH MODELO I-1034 L).
As fórmulas e procedimentos desse método estão abaixo explicitados.
Inicialmente, o parâmetro da extensão capilar macroscópica, α*, deve ser
determinado para cada locação onde será realizado o ensaio. Deve-se utilizar para
tanto, os valores encontrados na tabela 3, sugeridos por ELRICK et al.(1989). O
44
parâmetro α* representa a relação da gravidade com as forças de capilaridade
durante a infiltração.
Tabela 3: Estimativa de α*.
Fonte: Instruções Operacionais do Permeâmetro Guelph modelo I-1034 L, Contenco, p.47.
De acordo com Zang et al. (1998) citado pelas Instruções Operacionais do
Permeâmetro Guelph, o fator de forma do bulbo, C, pode ser obtido através das
equações empíricas (29), (30) e (31).
C1=
Ha
2,074+0,093×(Ha )
0,754
(29)
C2=
Ha
1,992+0,091×(Ha )
0,683
(30)
C3=
Ha
2,081+0,121×(Ha )
0,672
(31)
Onde:
C1: fator de forma quando α* ≥ 0,12 cm−1
C2: fator de forma quando α* = 0,04 cm−1
45
C3: fator de forma quando α* = 0,01 cm−1
H: Cabeça de água no poço
a: Raio do poço
Quando se deseja determinar a condutividade hidráulica com um nível maior de
precisão, o ensaio é realizado com duas cabeças de água no poço, H1 e H2,
seguindo os métodos de cálculo desenvolvidos por Reynolds e Elrick (1983).
A taxa de queda estável, R, é a taxa de queda de água no reservatório que
permaneceu aproximadamente constante em três intervalos de tempo consecutivos
de medição. As taxas estáveis RH1 e RH2 são utilizadas para determinar as vazões
QH1 e QH2, através das fórmulas abaixo explicitadas.
QH1=X ×RH1ouQH1=Y ×RH 1(32)
Onde:
QH1: Vazão para a cabeça de água no poço H1
X: Área da seção transversal dos reservatórios combinados
Y: Área da seção transversal do reservatório interno
RH1: Taxa estável para a cabeça de água no poço H1
QH2=X ×RH 2ouQH2=Y × RH 2(33)
Onde:
QH2: Vazão para a cabeça de água no poço H2
X: Área da seção transversal dos reservatórios combinados
Y: Área da seção transversal do reservatório interno
RH2: Taxa estável para a cabeça de água no poço H2
A condutividade saturada de campo será, então:
k fs=G2×QH 2−G1×QH1(34 )
46
Onde:
G1=( H2×CH1
π × (2×H 1×H2× (H 2−H1 )+a2× (H1×CH 2−H2×CH 1 )) )(35)
G2=( H 1×CH 2
π × (2× H1×H 2× (H2−H1 )+a2× (H1×CH 2−H2×CH 1 ) ) )(36)
O potencial de fluxo matricial, Φm, é o indicador da habilidade do solo em retirar a
água por capilaridade de uma seção transversal (SANTOS, 2004). Ele pode ser
calculado através da equação (37).
Φm=G3×QH1−G 4×QH 2(37)
Onde:
G3=( (2×H22+a2×C H2)×CH 1
2×π × (2× H1×H 2× (H2−H1 )+a2× (H1×CH 2−H2×CH 1 ) ) )(38)
G4=( (2×H 12+a2×CH 1)×CH 2
2×π × (2×H1×H2× (H 2−H1 )+a2× (H1×CH 2−H2×CH 1 )))(39)
Segundo Scotter (1982) citado por Santos (2004, p.66), o valor calculado de α* pode
ser encontrado através da fórmula (40).
α∗¿ (K fs
Φm)(40)
Se forem obtidos valores negativos de α* ou fora da faixa impraticável de 0,01 ≤ α*≤
0,05 cm−1, deve-se realizar uma análise de uma cabeça para cada uma das duas
47
cabeças e os valores encontrados para Kfs e Φm devem ser rateados. Seguem as
fórmulas propostas por Elrick et al. (1989) para análise de uma cabeça.
K fs=( C×Q
2×π×H 2+π ×a2×C+2×π×(Hα¿ ))(41)
Φm=( C ×Q(2×π×H 2+π ×a2×C )×α ¿+2×π×H )(42)
3.4 ATERROS SANITÁRIOS
3.4.1 Definição
Segundo a NBR 8419 (1992, p. 01), um aterro sanitário de resíduos sólidos urbanos
é:
Uma técnica de disposição de resíduos sólidos no solo, sem causar danos à saúde pública e à sua segurança, minimizando os impactos ambientais, método este que utiliza princípios de engenharia para confinar os resíduos sólidos à menor área possível, cobrindo-os com uma camada de terra na conclusão de cada jornada de trabalho ou intervalos menores, se for necessário.
3.4.2 Critérios para localização
Para escolher o local mais apropriado para a construção de um aterro de resíduos
sólidos urbanos não perigosos, é preciso avaliar as possibilidades de impacto local e
sobre a área de influência do empreendimento, procurando medidas para mitigá-las.
48
A NBR 13896(1997) destaca algumas considerações técnicas que devem ser feitas
para avaliar a adequabilidade de um local. Alguns exemplos são:
não executar o aterro em áreas sujeitas a inundações em períodos de
recorrência de 100 anos;
camada natural mínima de 1,50m de solo insaturado entre o nível mais alto
de lençol freático e a superfície inferior do aterro (o desejável é que esta
camada tenha espessura superior a 3,0m);
predominância no subsolo de material com condutividade hidráulica inferior a
5x10-5 cm/s(o desejável é que a condutividade hidráulica seja inferior a 5x10 -6
cm/s);
distância mínima de 200m entre o aterro e qualquer recurso hídrico.
Outros aspectos como a área disponível e a vida útil do aterro influem diretamente
no custo para implantação desse e, portanto, na viabilidade econômica da iniciativa.
Aconselha-se a construção de aterros com vida útil de no mínimo 10 anos.
A anuência da população é, também, muito importante e deve ser maximizada.
Recomenda-se uma distância superior a 500m entre os núcleos populacionais e o
aterro.
3.4.3 Elementos componentes
Segundo Lanza e Carvalho (2006), os principais itens de infraestrutura necessários
a um aterro sanitário são:
Sinalização - Placas indicativas das unidades e advertência nos locais de
risco;
Isolamento - Cerca em todo o perímetro da área em operação para dificultar o
ingresso de pessoas não autorizadas e animais. Um portão de entrada, com
controle de acesso, completa o isolamento;
Cinturão Verde - Cerca viva, formada por arbustos e árvores nativas, no
perímetro da instalação, utilizada quando se exige melhor estética do local e a
dispersão o cheiro proveniente do lixo;
49
Figura 17 – Cinturão verde.
Fonte: Acervo Pessoal.
Acessos - Vias externas e internas construídas e mantidas de forma que seja
possível utilizá-las em segurança sob quaisquer condições climáticas;
Guarita - Local onde são realizados a recepção, inspeção e o controle da
entrada e saída de veículos no aterro;
Figura 18 – Guarita.
Fonte: Acervo Pessoal.
Balança - A balança é utilizada para a pesagem dos veículos coletores.
Dessa forma, é possível controlar o volume de resíduos dispostos diariamente
no aterro, além de facilitar a remuneração dos serviços prestados em aterros
empreitados;
Iluminação, Força, Comunicação e Abastecimento de água - É necessário
que haja no aterro uma ligação com a rede de energia para o uso dos
equipamentos como compressores e bombas e, também, para que ações de
emergência possam ser realizadas mesmo no período noturno. Além disso,
50
deve haver um sistema de comunicação interno e externo através da ligação
à rede de telefonia fixa, móvel ou rádio. Não menos importante, é a ligação
com a rede pública de abastecimento de água tratada, ou ainda, outro modo
de abastecimento para suprir as instalações de apoio;
Instalações de apoio - O aterro deve conter instalações como sanitários,
vestiários, refeitório, copa e escritório;
Área de disposição dos resíduos - Deve ser realizado um trabalho preliminar
de impermeabilização e de drenagem de águas pluviais, chorume e gases
nas áreas em que serão dispostos os resíduos;
Figura 19 – Célula em fase de funcionamento.
Fonte: Empresa Marca Ambiental.
Instrumentos para monitoramento - O monitoramento para avaliação das
obras de captação dos percolados, das obras de drenagem das águas
superficiais e do sistema de queima dos gases deve continuar mesmo após a
conclusão das células. Para isso, são utilizados equipamentos e técnicas de
controle como os poços de monitoramento de águas subterrâneas,
piezômetros, medidores de vazão e inclinômetros;
Sistema de tratamento do líquido percolado - Deve ser projetado um sistema
que trate os líquidos percolados do aterro de modo que os efluentes
respeitem os padrões de lançamento e garantam a qualidade do corpo
receptor.
51
Figura 20 – Estação de tratamento do chorume.
Fonte: Empresa Marca Ambiental.
3.4.4 Dinâmica de funcionamento
3.4.4.1 Preparação das células
Como já mencionado anteriormente, é necessário realizar um trabalho de
impermeabilização e de drenagem de águas pluviais, chorume e gases antes de
dispor os resíduos sólidos nas células.
Uma camada impermeabilizante deve ser implantada sempre que a camada natural
de solo insaturado entre o nível mais alto de lençol freático e a superfície inferior do
aterro tiver espessura inferior a 3,0m ou houver predominância no subsolo de
material com condutividade hidráulica superior a 5x10-6 cm/s (NBR 13896,1997).
A impermeabilização tem como objetivo impedir a infiltração de poluentes no lençol
freático e aquíferos próximos. Assim, para garantir tão função, ela deve ser
estanque, ser durável, ter resistência mecânica, ser resistente a intempéries e ser
compatível com os resíduos a serem aterrados. Além disso, é importante que a
camada impermeabilizante seja instalada cobrindo toda a área de contato com o
solo. Normalmente, são empregadas geomembranas sintéticas ou argilas
compactadas para tal posto.
52
Figura 21 – Impermeabilização de célula.
Fonte: Empresa Marca Ambiental.
Figura 22 – Aplicação do mix de geosintéticos.
Fonte: KOERNER,1998.
De acordo com a NBR 13896 (1997), as estruturas para drenagem de águas pluviais
devem ser dimensionadas para drenar uma chuva de pico com período de retorno
de cinco anos. Estes dispositivos para drenagem são importantes, pois a drenagem
ineficiente das águas pluviais pode resultar em um aumento no volume de chorume
gerado, devido à maior infiltração de água no maciço do aterro, contribuindo para a
instabilidade do mesmo.
O sistema de drenagem do chorume deve ser instalado imediatamente acima da
impermeabilização. Ele deve ser construído com um material quimicamente
resistente ao resíduo e ao liquido percolado e, ainda, ser resistente a pressões da
estrutura total do aterro.
53
O sistema de drenagem dos gases pode ser interligado à drenagem do chorume. A
queima dos gases deve ocorrer imediatamente após o início de sua produção, de forma a evitar que a sua dispersão pelo aterro contamine a atmosfera (LANZA; CARVALHO, 2006).
Figura 23 – Drenagem dos gases.
Fonte: Acervo pessoal
3.4.4.2 Recebimento e disposição dos resíduos
Inicialmente, os veículos coletores são recepcionados na guarita do aterro sanitário.
Nessa etapa são realizadas a vistoria e a pesagem desses veículos, que já devem
ter cadastro e identificação prévios. O aterro deve ter um funcionário responsável
por verificar e registrar a origem, a natureza e a classe dos resíduos e orientar os
motoristas acerca da unidade na qual o descarregamento deve ocorrer.
O caminhão deve, então, descarregar os resíduos na área de disposição delimitada
pela equipe de topografia. Com um equipamento adequado, os resíduos são
espalhados e compactados até que seja verificado visualmente que o incremento do
número de passadas não gera nenhuma redução significativa no volume aparente
da camada.
3.4.4.3 Recobrimento
Cobertura Diária – Ao término de cada jornada de trabalho, uma camada de terra ou
de material inerte deve ser disposta sobre os resíduos compactados a fim de evitar a
54
disseminação de odores desagradáveis, proliferação de vetores e impedir que os
resíduos sejam arrastados pelo vento (LANZA E CARVALHO, 2006).
Cobertura Final – Quando a capacidade da plataforma do aterro se esgota, uma
camada de argila compactada (espessura definida no projeto) deve ser disposta
sobre as superfícies que ficarão expostas permanentemente. Após realizar o
recobrimento, gramíneas devem ser plantadas nos taludes definitivos para protegê-
los contra a erosão (LANZA E CARVALHO, 2006).
3.4.5 Líquido percolante - Chorume
Os resíduos sólidos urbanos acumulados continuamente em aterros sanitários
formam uma mistura com grande variedade química. Sob a influência de agentes
naturais, como a chuva e microrganismos, essa mistura sofre evoluções complexas,
constituídas pela superposição de mecanismos físicos, químicos e biológicos. O
esquema da figura 24 resume os fenômenos que provocam a degradação dos
resíduos e acarretam o carreamento pela água de moléculas diversas, as quais
originam os vetores de poluição (CASTILHOS JUNIOR et al., 2003).
Figura 24 – Esquema geral do processo de degradação.
Fonte: CASTILHOS JUNIOR et al., 2003, p.20.
Diversos fatores influenciam a composição dos chorumes como a idade do aterro, a
composição dos resíduos dispostos, as condições climáticas e a altura da camada
de resíduo. Apesar da composição ser muito variável, algumas características são
marcantes nos chorumes: a presença de sais de sódio, cálcio e potássio; compostos
Degradação
dos resíduos sólidos urbanos em aterro sanitário
Fenômenos de dissolução dos elementos minerais presentes nos resíduos
Bioconversão da matéria orgânica em formas solúveis
Carreamento pela água de percolação das finas partículas e do material solúvel.
55
orgânicos; compostos amoniacais (GIORDANO; BARBOSA FILHO; CARVALHO,
2011).
4 METODOLOGIA
O estudo de caso contempla a realização de um ensaio de campo, utilizando o
Permeâmetro de Guelph (Modelo I – 1034 L), para determinar a condutividade
56
hidráulica em uma área que servirá de subsolo para um aterro de resíduos sólidos
urbanos da empresa Marca Ambiental.
4.1 EXPERIÊNCIAS REALIZADAS
4.1.1 Fundamentos operacionais
Para medir a condutividade hidráulica através dos métodos mencionados no tópico
do Permeâmetro de Guelph, devem-se seguir os passos abaixo listados (fornecidos
no manual do equipamento).
1. Avaliar a locação em relação a topografia, aspectos gerais do solo, aplicação
desejada e selecionar um número e a localização de áreas que são
representativas dos solos sendo estudados. Em cada locação, deve-se utilizar
a tabela 3 para determinar o valor adequado para α*;
2. Fazer um furo com a profundidade e diâmetro desejados. Os instrumentos
necessários para escavação e preparação de uma abertura de poço,
ilustrados na figura 25, estão incluídos no Kit de Permeâmetro de Guelph;
Figura 25 – (a) Escavador de solo. (b) Escavador de classificação. (c) Escova de preparação do poço.
Fonte: Acervo pessoal.3. Montar o tripé;
4. Conectar o tubo de ar inferior ao tubo de ar central na base do reservatório
usando o acoplamento de tubo de ar, conforme mostra a figura 26;
Figura 26 – Montagem Guelph 1.
57
Fonte: Acervo pessoal.
5. Deslizar a bucha do tripé para fora do tubo de apoio. Em seguida, deslizar o
tubo de apoio sobre o tubo de ar e conectá-lo firmemente ao fundo da base
do reservatório, como ilustra a figura 27;
Figura 27 – Montagem Guelph 2.
Fonte: Acervo pessoal.
6. Rebaixar o tubo de apoio para o tripé, conforme figura 28;
Figura 28 – Montagem Guelph 3.
58
Fonte: Acervo pessoal.
7. Remover o plugue de enchimento na tampa do reservatório e ajustar a válvula
do reservatório girando-a no sentido anti-horário três voltas
aproximadamente. Despejar, então, água dentro do recesso na tampa do topo
do reservatório, como ilustra a figura 29. Após o enchimento, recolocar o
plugue de enchimento. É prudente verificar se não há vazamento nas roscas
e ligações;
Figura 29 – Enchimento dos reservatórios.
Fonte: Acervo pessoal.
59
8. Centralizar o tripé sobre a abertura do poço e, lentamente, abaixar o
permeâmetro, de forma que o tubo de apoio entre na abertura do poço. Essa
situação é visualizada na figura 30;
Figura 30 – Posicionamento do permeâmetro.
Fonte: Acervo pessoal.
9. Levantar lentamente a ponta de entrada de ar até que a primeira altura de
pressão, que será mantida no interior do furo, seja atingida. A leitura da altura
é feita na borda inferior do indicador de altura de poço, com o auxilio de uma
escala graduada;
10. Com base na avaliação da locação, optar pela utilização de ambos os
reservatórios ou apenas do reservatório interno. Se a opção for apenas o
reservatório interno, girar a válvula no sentido horário até a mesma encostar-
se à base do reservatório para fechá-la;
11.Observar e registrar, em intervalos de tempo regulares, o nível de água no
reservatório. Utilizar a escala impressa no tubo do reservatório interno para
fazer essas leituras;
12.Quando a taxa de queda de água no reservatório for constante em três
intervalos de tempo consecutivos, a taxa de queda estável é atingida e a
primeira etapa do ensaio se encerra;
13. Sem mexer no permeâmetro, levantar lentamente a ponta de entrada de ar
até que a segunda altura de pressão, que será mantida no interior do furo,
seja atingida;
14.Quando a taxa de queda de água no reservatório for constante em três
intervalos de tempo consecutivos, a taxa de queda estável é atingida e pode-
se parar o ensaio.
60
4.1.2 Descrição da área de estudo
A Marca Ambiental está no mercado capixaba desde 1995 - primeiro aterro sanitário
privado do Espírito Santo - e é referência na gestão de resíduos sólidos. Os serviços
prestados pela empresa incluem: coleta, transporte, tratamentos e destinação final
dos resíduos sólidos.
A sua central de tratamento, localizada na BR 101 – km 282 em Nova Rosa da
Penha, Cariacica, Espírito Santo, possui uma área superior a 200 hectares e está
apta e licenciada a receber resíduos Classes I e II.
Seguem abaixo algumas características geomorfológicas da região do
empreendimento, extraídas do EIA-RIMA da CTR Marca Ambiental.
4.1.2.1 Clima e condições meteorológicas
Os principais centros de pressão que atuam sobre a região litorânea do Espírito
Santo, onde se situa o empreendimento, são o anticiclone semifixo do Atlântico Sul e
o anticiclone Polar móvel. As frentes frias dificilmente atingem o litoral capixaba
durante a primavera e o verão, atingindo-o durante o inverno.
O verão caracteriza-se pela predominância de efeitos locais como a convecção e as
chuvas e sistemas de ventos causados e condicionados pelo aquecimento diurno.
No inverno, porém, ocorre um predomínio do tempo associado à passagem de
sucessivas frentes frias.
Assim, pode-se caracterizar o verão como a estação que apresenta os maiores
índices de precipitação, temperatura média e insolação.
Na área de influência, a precipitação anual média de longo termo (1931 a 1996) é de
1315 mm, ocorrendo a maior média mensal no mês de dezembro (196,6 mm) e a
menor média mensal no mês de agosto (51,2 mm). Quanto à temperatura do ar, a
análise dos dados para o mesmo período mostra que a temperatura média anual de
longo termo é de 24,3 °C, ocorrendo as maiores médias mensais nos meses de
61
fevereiro (26,6°C) e março (26,2°C) e a menor temperatura média mensal no mês de
julho (21,5°C).
4.1.2.2 Solos
Na área do empreendimento, verificou-se a ocorrência de solos Latossolo Vermelho-
Amarelo Podzólico álico. São normalmente muito profundos, com maior
diferenciação entre os horizontes A, B e C e com transições entre os sub horizontes
difusas e graduais, acentuadamente a bem drenados. São desenvolvidos na maior
parte da área sobre as rochas pré-cambrianas, Gnaisses Kinzigitos (Complexo
Paraíba do Sul) e, numa menor incidência sobre os sedimentos terciários do Grupo
Barreiras. Apresentam horizonte A de cor bruno-claro-acizentado, com médio teor de
matéria orgânica e uma moderada quantidade de areia sobre a camada adensada
de argila, verificada em profundidade variada, normalmente entre 10 a 25 cm de
profundidade; duro, muito friável, plástico e pegajoso; transição gradual e plana. O
horizonte B é de cor vermelho-amarelado, muito argiloso; muito duro, friável, plástico
e pegajoso.
4.1.3 Resultados
O ensaio foi realizado no dia onze de abril de 2014. No local escolhido para
realização do ensaio, figura 30, o serviço de compactação do solo da fundação do
aterro já havia sido realizado.
Figura 31 – Célula do ensaio.
Fonte: Acervo pessoal.
62
Após a execução do furo, coletou-se o solo retirado do interior do poço (figura 32)
para realização do ensaio de granulometria por peneiramento.
Figura 32 – Solo retirado do poço.
Fonte: Acervo pessoal.
Seguiram-se os passos descritos na NBR 7181 (1984) para realização desse ensaio.
Os resultados obtidos estão representados nas tabelas 4 e 5 e na figura 33.
Tabela 4 – Ensaio peneiramento.
Peneira Abertura (mm)
Massa Retida (g) % Retida
% Retida Acumulad
a
% que Passa
- 9,500 0 0,00 0,00 100,004 4,750 1,01 0,28 0,28 99,7210 2,000 9,27 2,57 2,85 97,1516 1,180 15,09 4,18 7,03 80,4930 0,600 15,73 4,36 11,39 63,1240 0,425 5,09 1,41 12,80 57,5060 0,250 6,57 1,82 14,62 50,25
100 0,150 4,08 1,13 15,75 45,74200 0,075 5,3 1,47 17,22 39,89
Fundo 298,8 82,78 100,00 0,00Total 360,94
Fonte: Produzido pela própria autora.
63
Tabela 5 – Frações de solo.
Pedregulho % passa P76mm (100) - % passa P4(99.72) = 0.28 %;Areia % passa P4 (99.72) - % passa P200(39.89) = 59.83 %;
Areia Grossa % passa P4 (99.72) - % passa P10(97.15) = 2.57 %;Areia Média % passa P10 (97.15) - % passa P40(57.50) = 39.65 %;Areia Fina % passa P40 (57.50) - % passa P200(39.89) = 17.61 %;
Finos( Silte e Argila) % passa P200 = 39.89 %.
Fonte: Produzido pela própria autora.
Figura 33 – Curva granulométrica.
Fonte: Produzido pela própria autora.
De acordo com as observações feitas em campo, apoiadas por consultas à literatura
e pela realização do ensaio de granulometria, elegeu-se para o solo em estudo, α* =
0,04 cm-1(Tabela 03).
O ensaio para determinar a condutividade hidráulica decorreu de acordo com os
passos descritos no tópico de Fundamentos Operacionais do Permeâmetro Guelph.
O furo realizado possuía diâmetro igual a 7,5 cm e profundidade de 24 cm.
Foi utilizada água natural para o enchimento dos reservatórios e, com base na
avaliação da locação, optou-se pela utilização apenas do reservatório interno
(Y=2,14 cm²).
64
Aplicaram-se, respectivamente, cargas hidráulicas de 5 cm e 10 cm no interior do
poço.
As leituras do nível de água no reservatório, bem como os intervalos de tempo entre
as mesmas, foram inseridos juntamente com os dados acima citados em uma
planilha desenvolvida pelo professor doutor Patrício José Moreira Pires. Essa
planilha utiliza as fórmulas propostas por Reynolds & Elrick (1983) e Reynolds &
Elrick (1989), já mencionadas no tópico referente ao Permeâmetro de Guelph, para
encontrar os valores da condutividade hidráulica e do potencial de fluxo matricial do
solo analisado. A figura 34 é o relatório gerado pela planilha.
Após análise dos resultados fornecidos, observa-se que foi sugerida a utilização do
método de uma cabeça (método 2), desenvolvido por Reynolds e Elrick (1989). Isso
aconteceu, pois foi encontrado um valor negativo para a condutividade hidráulica ao
utilizar, inicialmente, o método de duas cabeças de água no poço (método 1),
desenvolvido por Reynolds e Elrick (1983). Assim, realizou-se uma análise de uma
cabeça para cada uma das duas cabeças e os valores encontrados para Kfs e Φm
foram rateados. A tabela 6 mostra os valores encontrados em cada análise e o
resultado final.
65
Figura 34 – Relatório Guelph.
Fonte: Produzido pela própria autora.
66
Tabela 6 – Resumo resultados.
Análise de cabeça única: Primeira cabeça aplicadaPrimeira cabeça aplicada 5 cm
α* 4.00 E-02 cm-1Condutividade hidráulica(kfs1) 1.30 E-05 cm/s
Potencial de fluxo matricial(Φm1) 3.25 E-04 cm³/s
Análise de cabeça única: Segunda cabeça aplicada
Segunda cabeça aplicada 10 cmα* 4.00 E-02 cm-1
Condutividade hidráulica(kfs2) 5.63 E-06 cm/sPotencial de fluxo matricial(Φm2) 1.41 E-04 cm³/s
Valores médios de análise de cabeça únicaCondutividade hidráulica saturada em
campo(kfs) 9.32 E-06 cm/s
Potencial de fluxo matricial médio(Φm) 2.33 E-04 cm³/s
Fonte: Produzido pela própria autora.
67
5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES
5.1 CONCLUSÕES
O Permeâmetro Guelph demonstrou ser um instrumento muito útil ao estudo
envolvendo o projeto de aterros sanitários devido a sua facilidade e praticidade de
transporte e operação, a rapidez na execução dos ensaios e a análise avançada que
a teoria fornece. Além disso, por ser um ensaio de campo, um volume muito maior
de solo pode ser analisado. Ainda, segundo Pinto (2005), os ensaios in situ tem
como vantagem a eliminação dos problemas com amolgamento das amostras
indeformadas e a dificuldade de amostragem para solos arenosos.
Como dito anteriormente, ao utilizar o método de duas cabeças de água no poço, foi
encontrado um valor negativo para a condutividade hidráulica. De acordo com Soto,
Chang e Vilar (2009, p.138) “[...]Philip (1985), Amoozegar (1989), entre outros,
sugerem que esses resultados são causados pela heterogeneidade ou
macroporosidade no meio poroso, resultando em características de fluxo diferentes,
entre um e outro estágio de medição”.
Foi utilizado, então, para obtenção da condutividade hidráulica saturada e do
potencial matricial de fluxo, o método de uma cabeça. Foi feita uma análise de uma
cabeça para cada uma das duas cabeças e os valores encontrados para Kfs e Φm
foram rateados.
Para o ponto ensaiado, obteve-se uma condutividade hidráulica saturada de campo
= 9,32 x 10-6 cm/s. A NBR 13896 (1997) profere que uma camada impermeabilizante
deve ser implantada na base de um aterro sempre que houver predominância no
subsolo de material com condutividade hidráulica superior a 5x10 -6 cm/s. Desse
modo, levando em consideração apenas essa recomendação, haveria necessidade
de uma proteção adicional.
68
5.2 SUGESTÕES
Sugere-se que seja utilizado como líquido percolante, nos ensaios de
permeabilidade, uma amostra do chorume do aterro sanitário estudado. Como
mencionado em tópico anterior deste trabalho, existem vários fatores que
influenciam na condutividade hidráulica, e as características do fluído percolante são
um deles.
Ainda, seria interessante realizar um estudo para determinar qual o número de
pontos ensaiados necessários para a representatividade do terreno, visto que não
existe uma norma que oriente acerca dessa quantidade.
Por fim, seria conveniente traçar uma relação dos resultados obtidos no ensaio de
campo com o Permeâmetro Guelph com os ensaios de laboratório, visto que até a
presente data o aterro estudado realizava ensaios em laboratório para determinação
da condutividade hidráulica dos solos das células.
69
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