Caracterização de processo erosivo tipo voçoroca no oeste do estado do Rio Grande do Sul

(1)

Caracterização de processo erosivo tipo voçoroca no oeste do estado do Rio Grande do Sul

Pinheiro, R.J.B.

Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, RS, Brasil, rinaldo66@hotmail.com Nummer, A.V.

Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, RS, Brasil, nummer@smail.ufsm.br Sangoi, D.S.

Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, RS, Brasil, dionisiosangoi@yahoo.com.br

Resumo

: A região oeste do estado do Rio Grande do Sul tem apresentado vários processos de dinâmica superficial, principalmente relacionados com ravinas, voçorocas e extensas áreas de solos expostos (arenização). Este trabalho tem como objetivo o estudo de uma área degrada no município de São Francisco de Assis com a caracterização geológica e geotécnica dos materiais (solos e rochas) que constituem uma voçoroca de grande dimensão. Na análise de laboratório a erodibilidade dos materiais foram avaliadas diretamente pelo ensaio de Inderbitzen e indiretamente pelos ensaios de desagregação, perda por imersão e infiltrabilidade. O solo do horizonte C e as camadas de arenito foram as que apresentaram um forte comportamento erodível nos ensaios de laboratório. Para estas camadas foram obtidos valores de tensão de cisalhamento críticas inferiores a 1Pa e perdas de solo da ordem 1,6 a 8,5 g/cm² no ensaio Inderbitzen.

Abstract

: The region west of the state of Rio Grande do Sul has made several dynamic surface processes, mainly related with ravines, gullies and extensive areas of exposed soil (sandization). This work has as objective the study of a degraded area in the city of São Francisco de Assis with the geological and geotechnical characterization of materials (soils and rocks) which form large gullies. In the laboratory analysis of the erodibility of the materials were evaluated by testing Inderbitzen directly and indirectly by testing the slacking, loss by immersion and infiltrability. The horizon pedologic C and layers of sandstone that had been the strong behavior erosive in laboratory tests. For these layers were obtained values of critical shear stress of less than 1Pa and soil losses of the order 1,6 a 8,5 g/cm² in Inderbitzen test.

1 INTRODUÇÃO

A erosão é um agente geológico capaz de gerar a modificação das paisagens terrestres ao longo do tempo geológico. Quando da intensificação ou deflagração desse processo pela interferência humana, adotamos o termo erosão hídrica acelerada, tendo a chuva como agente erosivo se manifestando pela ação da gota e o escoamento superficial (Nagel et al., 2009).

As conseqüências que os processos erosivos têm causado, tanto no meio rural quanto no meio urbano, tem provocado, nos últimos anos, uma intensa investigação e debate sobre os parâmetros e mecanismos responsáveis pela erosão e possíveis medidas a serem adotadas para a prevenção e controle das áreas afetadas. No Brasil, em especial na região oeste do estado do Rio Grande do Sul, ocorrem inúmeros problemas relacionados a

causam a perda de solo para uso em agricultura e pecuária, ocasionando um empobrecimento desta região pela desvalorização de suas terras (Suertegaray, 2009).

O presente trabalho consiste na caracterização geológica-geotécnica dos horizontes superficiais pedológicos e de camadas de rochas sedimentares na base de uma voçoroca localizada em São Francisco de Assis.

2 ÁREA DE ESTUDO

A área de estudo localiza-se na porção oeste do estado do RS, em área de relevo suave com cotas altimétricas variando entre 100 e 160m, onde se encontram diversas formas de erosão como sulcos, ravinas, voçorocas e areais. Na região ocorrem uma sucessão de arenitos finos a conglomeráticos,

(2)

cruzadas planas de pequeno a grande porte e laminação plano–paralela, intercalados ocasionalmente com níveis centimétricos de lamitos.

Os arenitos apresentam-se com graus de cimentação variáveis devido à presença de óxidos de ferro e uma pequena fração de argilominerais. Sobre estes, ocorrem predominantemente neossolos quartzarênicos, argissolos e latossolos.

Os processos erosivos têm início em áreas com declividades inferiores a 15% próximos às cabeceiras de drenagem, associados ao fluxo superficial que apresenta um forte controle estrutural de direção NW. Para a realização da caracterização dos parâmetros geológico- geotécnicos que controlam as erosões nesta região, foi escolhida uma voçoroca localizada à leste da RS 377 no sentido São Francisco – Manuel Viana, a 22Km deste conforme Figura 1a. A microbacia de drenagem, na qual se desenvolve a voçoroca, se

localiza a margem direita do Rio Ibicuí, desaguando diretamente no mesmo, sendo cortada pela RS 377 conforme Figuras 1b e 1c. A voçoroca chega a atingir, aproximadamente, 20m de altura em relação ao nível freático e um comprimento de 1000m.

Foram coletadas e analisadas amostras de cinco camadas no interior da feição erosiva, sendo as três primeiras associadas aos horizontes pedológicos A, B e C e a as outras duas pertencentes a camadas de arenitos fino a médio, na base da voçoroca a 20m de profundidade. As camadas de arenito possuuem uma cor avermelhada, estratificação cruzada planar de pequeno a médio porte com nódulos esparsos de óxido de ferro. Os pontos de coleta das amostras deformadas para realização da caracterização física, e amostras indeformadas para a caracterização geológica-geotécnica, podem ser visualizados na Figura 2

Figura 1: Localização da área de estudo: a) localização da voçoroca no estado do RS (Landsat 3-4-5;

22/05/2005 – adaptada), b) imagem da voçoroca (Google Earth 2-3-4, 05/01/2006 E:1:170.000), c) microbacia de drenagem tendo destaque a incisão erosiva estabelecida (E:1:200.000)

(3)

Figura 2: Vista parcial da voçoroca no seu trecho de anfiteatro (Tatto, 2007).

3 CARACTERIZAÇAO GEOTÉCICA

Para a realização da caracterização geotécnica dos materiais amostrados, foram realizados os seguintes ensaios: análise granulométrica, limites de consistência, caracterização dos índices físicos como umidade, peso específico natural, peso específico seco, peso específico real dos grãos, índice de vazios, grau de saturação e porosidade.

Além destes foram realizados ensaios destinados à avaliação indireta da erodibilidade como os ensaios de desagregação e da Metodologia MCT-perda de massa por imersão e infiltrabilidade e direta como o ensaio Inderbitzen.

Na tabela 1 estão apresentados os resultados dos ensaios de caracterização e a determinação dos indices fisicos em amostras indeformadas. Os limites de consistência resultaram em valores nulos, pois os horizontes e camadas analisadas possuem sua gênese em rochas sedimentares, tendo uma percentagem de materail granular (areias) superior aso finos (siltes e argilas) não apresentando plasticidades.

3.1 Ensaio de desagregação

O ensaio de desagregação (slaking test) tem como objetivo a descrição qualitativa da desagregação de uma amostra de solo, circular ou quadrática, não confinada, quando submersa em água destilada. A técnica adotada foi a de imersão parcial, em que as amostras são colocadas inicialmente sobre uma

período de 30min. Em seguida o nível de água é aumentado sucessivamente para 1/3 da altura do corpo de prova, 2/3 e a completa imersão da amostra, mantendo-se, em cada uma destas fases, um intervalo de tempo de 15min, exceto o último estágio, que é mantido por 24h. Santos (1997) e Santos e Carvalho (1998) apresentam uma sugestão de análise do resultado do ensaio em 4 níveis: sem resposta, abatimento, fraturamento e dispersão.

Tabela 1: Resultados dos ensaios de caracterização

Horiz. HA HB HC 2C 1A

AG(%) 1 2 2 0 1 AM(%) 49 50 72 56 39

AF(%) 40 36 21 41 58

Silte(%) 2 6 1 1 2

Argila(%) 8 6 4 2 0

LL,LP(%) N.P. N.P. N.P. N.P. N.P.

SUCS SP SM SP SP SP w(%) 3,5 5,3 3,7 6,8 3,5 γ (kN/m³) 16,1 15,5 16,0 17,5 18,1 γd(kN/m³) 15,5 14,7 15,6 16,2 17,6 γs(kN/m³) 26,5 26,5 26,7 26,8 26,4

e 0,7 0,8 0,7 0,6 0,5

S(%) 13,0 17,7 10,6 29,1 18,5 η(%) 41,2 44,6 41,8 38,8 33,3 Obs.: AG = areia grossa; AM = areia média; AF = areia fina; LL = Limite de liquidez; LP = limite de plasticidade; w = teor de umidade; γ = peso esp. ap.

natural; γd = peso esp. ap. seco; γ = peso esp. real dos grãos; e = indice de vazio; S = grau de saturação; η =

(4)

O ensaio foi realizado com as amostras na umidade natural e secas ao ar previamente (72 horas), conforme a metodologia proposta por Santos (1997) e Bastos (1999). Outros trabalhos foram realizados por Bastos et al (2000) e Carvalho et al (2006).

Os solos dos horizontes A e B, independentemente de sua condição de umidade, mostrou-se mais resistente frente a sua inundação.

Sua estrutura, não confinada, permaneceu, quase que intacta após o término do ensaio, devido a presença de grãos de tamanho silte e argila, presença de óxidos de ferro e matéria orgânica. O mesmo comportamento não foi verificado para o horizonte C e as camadas de arenitos da base da feição erosiva. Esta demonstrou um alto poder de desagregação, não resistindo à inundação completa.

Constatou-se que as condições nas quais se encontravam as amostras, sendo natural ou seca ao ar, não foram um fator de influência no teste, pois em ambas as condições, as amostras apresentaram uma completa desagregação, principalmente por abatimento, formando uma pilha de material desestruturado. Em relação a este ensaio Facio (1991) quanto menor o grau de saturação, maior a sucção, ou seja, a capacidade do solo em absorver água. Com o umedecimento, reduz-se a coesão aparente e o ar presente nos vazios é comprimido, sendo capaz de gerar uma poropressão positiva que, dependendo da estrutura do solo, pode desagregá-lo.

Tabela 2 : Resultados dos ensaios de caracterização Horizonte Condição

inicial

Comportamento Natural Intacta A

Seca ao ar Intacta

Natural Intacta B

Seca ao ar Intacta

Natural Desag. total

C

Seca ao ar Desag. total

2C

1A

3.2 Ensaio de perda de massa e infiltrabilidade Perda de massa por imersão ou erodibilidade específica, juntamente com o ensaio de infiltrabilidade, fazem parte do conjunto de ensaios da Metodologia MCT que serviram de base para Nogami e Villibor (1979) analisarem parâmetros relacionados a erodibilidade. O coeficiente de sorção (s) é obtido no ensaio de infiltrabilidade e a

perda de massa (PI) obtido do ensaio de perda de massa por imersão.

O ensaio de perda de massa por imersão consiste na imersão em água de um anel de PVC com uma amostra de solo indeformada em seu interior (com 5cm de altura por 5cm de diâmetro), na posição horizontal por 20h. As alturas das amostras no interior dos anéis são reduzidas em laboratório para 2,5cm. As amostras têm em sua face, no interior do molde, uma pedra porosa e um papel-filtro, enquanto a face exposta é mantida rente à borda do molde. Desta forma, a perda de massa (PI) poderá ser calculada através da relação entre o peso do solo seco desagregado e o peso do solo seco total da amostra.

As amostras analisadas encontraram-se na umidade natural e seca ao ar. Observou-se que o colapso das amostras da camada de arenito ocorreu nos primeiros 10 min de ensaio, tendo estabilizado a perda posteriormente, independentemente, de seu estado de umidade. O resultados estão apresentados na Tabela 3.

Tabela 3: Resultados dos ensaios de infiltrabilidade (s – cm/min^1/2) e perda por imersão (PI – %)

Horizontes/camadas

A B C 2C 1A N 0,028 0,074 0,091 0,078 0,058 s

S 0,039 0,073 0,096 0,085 0,075 N 0,21 22,43 77,94 79,03 85,12 PI

S 0,33 37,61 74,78 70,88 82,63 N 7,6 302,4 856,1 1008,6 1400,8 PI/S

S 8,5 515,9 777,6 837,6 1087,8 Obs.: N = natural; S = seca ao ar.

O ensaio de infiltrabilidade consiste em quantificar a velocidade de ascensão capilar em amostras de solo. Os anéis para a realização deste ensaio são os mesmos do ensaio de perda de massa por imersão. Sobre um sistema tubo capilar- reservatório saturado, na qual é disposta a amostra na condição de umidade previamente estabelecida e medi-se o deslocamento da água através de uma régua graduada junto ao tubo capilar, nos tempos que seguem uma relação quadrática (1, 2, 4, 9, 16, 25, 36, 49 min) até o movimento cessar.

As curvas L x t^1/2 possuem dois trechos distintos.

O primeiro trecho apresenta-se íngreme, indicando a velocidade de ascensão capilar da água no solo.

Quando esta curva muda de inclinação, a velocidade de ascensão é mais lenta, indicando que a frente de saturação está próxima ao topo do corpo de prova. O coeficiente de sorção (s) está relacionado a declividade do trecho inicial. Maiores detalhes podem ser encontrados em Bastos (1999). Os resultados destes ensaios de infiltrabilidade podem ser visualizados na Tabela 3.

(5)

Nogami e Villibor (1979) propuseram a relação da perda por imersão e sorção (PI/S) consideram que solos erodíveis são aqueles cuja relação PI/S é superior a 52. Pejon (1992) citado por Villar e Prandi (1993) propõe que esta relação seja 40. Os resultados encontrados dessa relação para estas camadas foram bem superiores a estes valores mínimos propostos. Sendo que a relação PI/S para as camadas de arenito foram superiores aos dos horizontes B e A.

3.3 Ensaio de Interbitzen

Facio (1991) realiza estudos com este equipamento nas erosões de Brasiília. Santos (1997) utiliza a mesma metodologia de Facio (1991) em seus estudos nas erosões de Goiânia. Lima (1999) verifica que o tempo dos ensaios é muito variável nos solos de Manaus. Nas erosões em Campo Grande, Motta (2001) verificou um tempo superior a 30 min para estabilização da perda de solo no ensaio Inderbitzen.

O ensaio de Inderbitzen realizado baseia-se no proposto por Inderbitzen (1961) e adaptado por Bastos (1999). Consiste em uma rampa hidráulica em chapa metálica (25cm de largura e 60cm de comprimento) dotada de um orifício central, onde é introduzida uma amostra de solo confinada em um anel de PVC biselado (com diâmetro de 10cm e altura 5cm). Esta rampa permite variar a inclinação simulando várias situações de vertentes. Os ensaios foram realizados nas inclinações de 10°, 26°, 45° e 54°. As vazões adotadas foram de 50 ml/s e 100ml/s. As amostras foram ensaiadas na condições de umidade natural, seca ao ar (por no mínimo 72 horas) e pré-úmida (por ascensão capilar, no mínimo por 24 horas).

Coloca-se o anel no orifício central e nos tempos 1 min, 5 min, 10 min e 20 min de ensaio, o material erodido é coletado em baldes de 60 l, e logo após, é passado por um conjunto de peneiras nas malhas 4,8 mm (peneira #4), 2,0 mm (peneira #10), 0,42 mm (peneira #40) e 0,074 mm (peneira #200). Maiores detalhes do ensaio podem ser vistos em Bastos (1999).

Neste trabalho serão apresentados os resultados referentes a perda de solo em função do tempo em uma vazão de 50 ml/s na inclinação de 10°. Estes parâmetros foram sugeridos por Fácio (1991) nas erosões de Brasília. Estes valores foram utilizados por se aproximarem mais das condições reais de campo. Os resultados são expressos em peso seco de solo erodido acumulado por unidade de área da amostra (g/cm²) e plotados em relação ao tempo do ensaio. As Figuras 4, 5 e 6 apresentam os resultados para as amostras na condição natural, seca ao ar e

Observa-se que a perda de solo dos horizontes A e B foram inferiores quando comparada a camada de arenito (2C e 1A). O solo do horizonte C apresentou comportmento intermediário.

Para as amostras do horizonte A, a perda acumulada (t = 10min) variou de 0,053 a 0,234 g/cm². Os valores mais elevados foram obtidos para declividade de 54°, e a vazão de 100 ml/s Para os ensaios realizados na amostra do horizonte B, a perda acumulada (t = 10min) variou de 0,083 a 7,21 g/cm². Os valores mais elevados foram encontrados para declividades de 45° e 54°, e a vazão de 100 ml/s. Para as camadas de arenitos, a perda acumulada variou de 1,657 a 8,46 g/cm², sendo que para as declividades de 45° e 54° a para vazão de 100 ml/s, a partir de 5 min, a perda de solo foi total.

Em uma análise simplificada determinou-se que a tensão hidráulica crítica para o solo do horizonte B situou-se entre 1,0 e 1,2 Pa e para as camadas de arenitos (2C e 1A) entre 0,6 e 0,9 Pa. Para as amostras do horizonte A, a tensão hidráulica critica foi indeterminada. O horizonte C apresentou valores entre 0,8 e 1,1 Pa. Os solos/camadas de comportamento mais erodível no campo foram aquelas que apresentaram valores de tensão hidráulica crítica menores. Na área estudada o horizonte C e as camadas de arenito 2C e 1A. Estes valores foram compatíveis com os apresentados na literatura (Bastos, 1999).

0 0,5 1 1,5 2 2,5

0 5 10 15 20 25

Tempo (min)

Perda acumulada (g/cm2)

Hor A Hor B Hor C Cam 2C Cam 1A

Figura 4: Curvas obtidas no ensaio Inderbitzen para declividade de 10º, vazão de 50 ml/s e umidade natural.

0 0,5 1 1,5 2 2,5

0 5 10 15 20 25

Tempo (min)

Figura 5: Curvas obtidas no ensaio Inderbitzen para

(6)

0 0,5 1 1,5 2 2,5

0 5 10 15 20 25

Tempo (min)

Figura 6: Curvas obtidas no ensaio Inderbitzen para declividade de 10º, vazão de 100 ml/s e amostra pré- umedecida.

4 CONCLUSÕES

As camadas estudadas possuem uma predisposição natural ao processo erosivo que esta relacionada a própria gênese do solo e da rocha. O potencial de desagregação em água tem forte relação com a fragilidade da estrutura dos materiais frente a ação erosiva pelo fluxo superficial e subsuperficial e ao mecanismo de hidratação e desaeração. São camadas, predominantemente, arenosas e não plásticas, com um índice de vazios inferior a 1 e não saturados. Pelos resultados preliminares, verificou- se a aplicabilidade do ensaio de Inderbitzen e os critérios de erobilibilidade da metodologia MCT a estes materiais. No ensaio de Inderbitzen verificou- se que com a declividade de 10º e vazão de 50 ml/s representam satisfatoriamente as condições a área de estudo.

Os solos/camadas mais erodíveis apresentaram uma tensão hidráulica critica inferior a 1Pa, valores de perda de solo mais elevadas e desagregaram completamente no ensaio de desagregação.

5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Bastos, C. A. B.(1999) Estudo geotécnico sobre a erodibilidade de solos residuais não saturados.

Porto Alegre/RS. Tese de Doutorado em Engenharia, PPGEC - Escola de Engenharia, Universidade Federal do Rio Grande do Sul.

251p.

Bastos, C. A. B.; Milititsky, J.; Gehling, W. Y. Y.

(2000) A avaliação da erodibilidade dos solos sob o enfoque geotécnico - pesquisas e tendências. Teoria e Prática na Engenharia Civil, Rio Grande/RS, v. 1, p. 17-26.

Carvalho, J.C.; Sales, M.M.; Souza, N.M.; Melo, M.T. S. (2006) Processos erosivos no Centro- Oeste brasileiro. Brasília, Editora FINATEC.

Facio, J.A. (1991) Proposição de uma metodologia de estudo da erodibilidade de solos do Distrito Federal. Dissertação de Mestrado em Geotecnia, Brasília, UnB, 8p.

Inderbitzen, A. L. (1961). An erosion tests for soils.

Material Reseach and Standarts, Philadelphia, v.

1, n. 7, p. 553-554.

Lima, M.C. (1999) Contribuição estudo do processo evolutivo de boçorocas na área urbana de Manaus. Dissertação de Mestrado em Geotecnia, Brasília, UnB, 150p.

Motta, N.O. (2001) Caracterização geotécnica e dos processos erosivos na cidade de Campo Grande - MS. Dissertação de Mestrado em Geotecnia, Brasília, UnB, 179p.

Nagel, F. Storgatto, G.; Basso, L., Nummer, A.V., Pinheiro, R.J.B. (2009) Ensaio Inderbitzen:

estudo da erodibilidade de solos e rochas sedimentares. GEORS 2009, V Seminário de Engenharia Geotécnica do Rio Grande do Sul.

Pelotas, ABMS, 2009.

Nogami, J.S.; Villibor, D. F. (1979) Soil characterization of mapping units for highway purposes in a tropical area. Bulletin of the International Association on Engineering Geology, Krefeld, n.19, p.196-199.

Santos, R.M.M (1997) Caracterização geotécnica e análise do processo evolutivo das erosões no município de Goiânia. Dissertação de Mestrado em Geotecnia, Brasília, UnB, 120p.

Suertergaray, D. M. A. (2009) Erosão nos campos sulinos. 8 Simpósio Nacional de Controle de Erosão, ABGE, São Paulo.

Tatto, J. (2007) Análise dos parâmetros geológico geotécnicos que condicionam erosão por voçoroca no município de São Francisco de Assis, RS. Trabalho de conclusão de curso (Engenharia Civil) Universidade Federal de Santa Maria.

Villar, O. M.; Prandi, E. C. (1993) Erosão dos Solos. Associação Brasileira de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica. Solos do interior de São Paulo. São Carlos:

ABMS/EESC/USP.p.177-206.