Confecçao de colchão drenante como estruturas superficiais
de infiltração utilizando garrafa PET.
4º Congresso Internacional de Tecnologias para o Meio
Ambiente
Cláudia Marcia Coutinho Gurjão
1, Conceição de Maria Cardoso Costa
2,
Luis Fernando Martins
3, Allan Adjuto Chaves Sousa
41 Universidade de Brasília (cgurjao@unb.br)
2 Instituto Federal de Brasília (conceicao.costa@ifb.edu.br) 3 Universidade de Brasília (lmartins@unb.br) 4 Universidade de Brasília (eng. allanchaves@gmail.com)
Resumo
A expansão do ambiente urbano causa o aumento das superfícies impermeabilizadas, alterando o ciclo hidrológico nas cidades. Com o aumento desordenado da população e o descaso em relação a técnicas para ocupação e uso apropriado do solo, observou-se um desequilíbrio ambiental em relação ao ciclo hidrológico, ocasionando enchentes e inundações. Por vezes estas inundações e alagamentos são frutos da falta de infraestrutura urbana principalmente quanto à drenagem de águas pluviais, outras vezes, são consequência dos sistemas de drenagem convencionais que sobrecarregam talvegues e cursos d’água gerando prejuízos socioambientais.
A alternativa do uso de obras de infiltração procura corrigir os processos hidrológicos alterados durante a urbanização, objetivando a reconstituição das condições de pré-ocupação. Essas estruturas denominadas técnicas compensatórias propiciam a infiltração antes que a água atinja a rede de drenagem convencional ou atue gerando processos erosivos no solo. As estruturas de infiltração, apesar de a priori apropriadas para os fins a que se destinam, devem quando dos estudos e projetos levarem em conta riscos geotécnicos como os oriundos de colapso estrutural e erosão interna do solo.
Considerando-se os fatores ecológicos mais discutidos nos dias de hoje, como é o caso da preocupação com a qualidade da água, com a disposição dos resíduos plásticos no meio ambiente e com os processos erosivos gerados pela ampliação do fluxo superficial, tem-se que: não só o uso de garrafas PET, como a própria implantação de colchão drenante, contribuem para a mitigação dos danos ambientais ora existentes junto aos centros urbanos, principalmente nas áreas de expansão.
Palavras-chave: Infiltração. Meio Ambiente. Colchão Drenante. Área Temática: Resíduos Sólidos.
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Introdução
Com o aumento desordenado da população e o desconhecimento ou descaso em relação a técnicas para ocupação e uso apropriado do solo, observou-se um desequilíbrio ambiental em relação ao ciclo hidrológico, ocasionando enchentes e inundações localizadas. Por vezes estas inundações e alagamentos são frutos da falta de infraestrutura urbana principalmente quanto à drenagem de águas pluviais, outras vezes, são consequência dos sistemas de drenagem convencionais que sobrecarregam talvegues e cursos d’água gerando prejuízos socioambientais.
Com a urbanização, vem à impermeabilização da superfície do solo e uma parcela da água que infiltrava passa a compor o volume de escoamento superficial, ocasionando o aumento dos volumes escoados e das vazões de pico, que provocam o crescimento na frequência e na magnitude das inundações que são anualmente, noticiadas pelos principais jornais do país. A origem do problema está normalmente ligada à impermeabilização excessiva e à falta de planejamento e gestão ambiental. A responsabilidade, no entanto, deve no estágio atual ser dividida entre o Estado e a sociedade. O Estado pelas limitações presentes no planejamento e gestão e a sociedade por não respeitar as normas urbanísticas estabelecidas tal como o coeficiente de ocupação. Talvez o ideal fosse, que em lugar de se fixar o coeficiente de ocupação se definisse o coeficiente de preservação fixando as condições em que esta deveria se dar.
No ciclo hidrológico têm-se uma troca constante de água na hidrosfera, entre a atmosfera, a água do solo, águas superficiais, subterrâneas e das plantas. Se qualquer um dos processos internos for afetado, todo o ciclo hidrológico é prejudicado. O processo mais afetado com o crescimento desordenado é o escoamento superficial. A impermeabilização do solo e a remoção da vegetação nativa alteram as condições naturais de infiltração, ao diminuir o atrito da água com a superfície do solo aumentando a velocidade de escoamento e ampliando o volume de água a ser escoado superficialmente o que tem como consequências o aumento da frequência e da magnitude das inundações e o surgimento e ampliação de erosões (Figura 1), gerando impactos econômicos e socioambientais.
Figura 1 – Rua localizada no Bairro São Francisco na cidade de Boa Vista-RR (a) e Erosão junto à cidade de Ceilândia-DF, (b), (2006).
Existem inúmeras técnicas que visam minimizar estes impactos das águas das chuvas, por exemplo, reservatórios de controle de cheia em obras subterrâneas (túneis reservatórios), desimpermeabilização dos espaços urbanos públicos e privados, instalação de pequenos e médios reservatórios domésticos e industriais de acumulação, uso e infiltração e plantio de médios e pequenos bosques em ações de reflorestamento.
O uso sistemático dos dispositivos de infiltração como elemento de drenagem urbana no Brasil ainda é muito restrito, sendo difícil encontrar trabalhos publicados relatando essa utilização. Os trabalhos publicados em encontros científicos internacionais trazem exemplos de aplicação em regiões com características hidrológicas diferentes das encontradas no Brasil, principalmente no que se refere à precipitação e tipo de solo, o que significa que são necessários mais estudos para o emprego de tais tecnologias (SOUZA, 2002).
Este artigo busca apresentar conceitos, aplicações, vantagens e desvantagens de estruturas de infiltração superficiais, e os resultados de pesquisas recentes obtidos para um modelo físico experimental do tipo colchão drenante implantado no Campus da Universidade Federal de Roraima na cidade de Boa Vista, localizada na região norte do Brasil, no Estado de Roraima. Caracteriza-se por ser uma cidade plana, o que por um lado dificulta o processo convencional de drenagem e por outro requer estudo de técnicas alternativas como é o caso do colchão drenante. Nela, concentra-se 80% da população do estado, apresentando excessiva impermeabilização da superfície do solo, o que ocasiona maior fluxo superficial e o frequente transbordamento e mesmo ruptura de canais quando estes são em diques, com consequentes alagamentos e grandes transtornos para a população, objetivando avaliar o uso desta técnica no controle de fluxos superficiais. Tal estrutura foi estudada com a finalidade de minimizar os impactos da impermeabilização nas cidades, áreas industriais, rodovias e aeroportos em regiões em que o lençol freático é superficial.
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Conceitos
Segundo Baptista et al, 2005, as técnicas compensatórias surgem para atuar na retenção e na infiltração das águas precipitadas, possibilitando ganhos na qualidade das águas pluviais. Os mesmos autores citam a classificação das técnicas compensatórias em: não
estruturais que atuam no retardamento do escoamento (revestimento de canais e pavimentos
rugosos, controle na fonte, etc.) e, estruturais, que permeiam as técnicas de retenção e infiltração e se diferem principalmente pela geometria e pela capacidade de captação do volume escoado (trincheiras, colchões drenantes, valetas, valas, poços de infiltração, etc).
As águas de origem pluvial podem possuir carga poluente equivalente e, às vezes, até mesmo superior àquela presente nos esgotos sanitários (ELLIS e HVITED-JACOBSEN, 1996). Ide (1985) e Chebbo (1992) relatam ainda que a carga de poluição nas águas pluviais é tão nociva quanto a dos esgotos domésticos, e da mesma ordem de grandeza, não podendo ser desprezada quando se trata da qualidade do meio receptor. A diferença crucial é que a poluição transportada pelas águas do escoamento pluvial é composta, essencialmente, por materiais em suspensão e metais pesados. Apesar da importância destas referências cabe salientar que a coleta cuidadosa da água da chuva pode torná-la quase que isenta de poluentes, exceto os presentes na atmosfera. Portanto, a captação e infiltração apropriados deve ser entendida como uma opção viável e capaz de resolver vários problemas socioambientais, evitando inclusive, a poluição dos mananciais que recebem indiscriminadamente os sistemas de drenagem das águas pluviais coletadas sem qualquer controle e que servem de suporte a publicações como as referidas neste parágrafo.
O conhecimento do funcionamento dos dispositivos ditos "alternativos" envolve pesquisas em um campo extremamente vasto e abrangente. São diversas as técnicas disponíveis, podendo-se citar: as bacias, os poços, as valas, os colchões drenantes, as
trincheiras, pavimentos drenantes e os reservatórios de retenção e detenção. Os sistemas podem ser únicos ou em separado e dotados ou não de tratamento.
Apesar da grande diversidade de alternativas, neste artigo será tratada apenas as estruturas de infiltração consideradas superficiais, que são aquelas cuja profundidade é pequena em relação ao comprimento e/ou largura. Estas estruturas são geralmente utilizadas em áreas cujo lençol freático é superficial. Pode-se citar como estruturas superficiais as valas e os colchões drenantes, sendo este último o apresentado neste artigo.
Segundo o DER-PR, o colchão drenante é a camada executada com areia selecionada, aplicada diretamente sobre os terrenos de fundação de aterros compostos por materiais saturados e de baixa resistência ao cisalhamento, antecedendo a execução do aterro. Destaca-se, no entanto, ser frequente a utilização da técnica em cortes rodoviários para proteger o corpo estradal contra a ascenção do lençol freático, e nesse caso, o mais utilizado é a brita em sua constituição. Embora estes sejam os usos mais comuns, os colchões drenantes podem ainda serem utilizados como sistemas de acumulação e infiltração das águas pluviais em áreas urbanas como parques. Para a composição paisagística os mesmos podem ser recobertos por materiais granulares como o seixo rolado ou por grama, requerendo neste caso cobertura de solo.
Os colchões drenantes apresentam-se com características funcionais semelhantes as das valas de infiltração, podendo, no entanto, serem citados dois aspectos que os diferenciam: 1) a vala é uma depressão com seção em V e ângulos inferiores a 90º em relação à horizontal; já o colchão drenante destaca-se por apresentar estrutura escavada com ângulos de 90º em relação à horizontal; 2) as valas são geralmente estruturas abertas enquanto os colchões são preenchidos com materiais drenantes e filtros de proteção (Figura 2), podendo também apresentar-se sob lajes e com muretas de contenção.
Figura 2 – Seção esquemática de colchão drenante.
O uso do colchão drenante se torna mais vantajoso em casos em que o lençol freático apresenta-se superficial, como é encontrado na região de Boa Vista – RR, onde se realizou a pesquisa que ilustrará este artigo.
No caso dos colchões drenantes objetivando a infiltração, os cálculos podem ser efetuados levando em conta as condições relativas ao regime de precipitação, ao perfil geológico-geotécnico do solo e ao nível do lençol freático (GURJÃO, 2008).
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Materiais Utilizados na Execução do Colchão Drenante
Convencionalmente os colchões drenante são preenchidos com agregados pétreos graúdos de modo a possibilitar a drenagem e garantir certo armazenamento de água. O peso excessivo destes materiais, no entanto, geralmente termina por compactar ou consolidar o fundo das estruturas de infiltração reduzindo a capacidade de infiltração de modo significativo, pois no caso do colchão drenante a maior área de infiltração localiza-se em sua base. Para resolver esse problema e maximizar os volumes do reservatório do colchão
Filtro (geotêxtil)
Tubo dreno Material drenante
(Agregado graúdo)
drenante foram utilizadas garrafas PET (Politereftalato de etila) no seu enchimento. O material destaca-se por sua leveza e o seu uso contribui para a redução de problemas ambientais oriundos do seu lançamento indiscrinado na natureza.
O colchão drenante foi dimensionado considerando-se a profundidade do lençol freático igual a 0,54m determinada na sondagem SPT, a infiltrabilidade determinada a partir de ensaios de infiltração e as características do solo do local. Adotou-se para o modelo físico estudado profundidade de 0,50m, largura igual a 2,00m e comprimento igual a 3,00m.
Foram utilizadas um total de 767 garrafas PET inteiras e fechadas com tampa. O uso das garrafas fechadas objetivou garantir uma maior capacidade de suporte das mesmas tendo em vista que a área utilizada não era isenta de circulação. Destaca-se, no entanto, que ao se minimizar a circulação devem ser utilizadas garrafas perfuradas e sem tampas de modo a ampliar a capacidade de armazenamento do sistema. A implantação do sistema seguiu a seguinte sequência:
• Escavação e retirada de amostra deformada e indeformada (Figura 3); • Preparação dos materiais de enchimento (Figura 4);
• Construção e montagem da instrumentação (Figura 5); • Colocação da manta de geotêxtil (Figura 6);
• Acomodação das garrafas PET e posicionamento da instrumentação (Figura 7); • Fechamento da manta de geotêxtil (envelopamento das garrafas PET) (Figura 8); • Colocação de 10 cm de areia grossa para o fechamento da vala (Figura 9).
Figura 3 – Rua em um bairro na cidade de Boa Vista-RR, 2006.
Figura 4 – Materiais utilizados no enchimento da célula; (a) Geotêxtil Bidim OP 20, (b) Areia grossa e (c) Garrafas PET inteiras.
(a) (b) (c)
Figura 6 – Colocação da manta de geotêxtil.
Figura 7 – Acomodação das Garrafas PET.
Figura 8 - Envelopamento das garrafas e colocação de areia grossa para fechamento da célula.
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Resultados dos ensaios de campo e laboratório
Foram realizados dois ensaios de infiltração em furo de sondagem, um até 0,50 m e outro até 0,80 m de profundidade (Tabela 1). Como de qualquer modo a infiltração não dispõe de camada de filtração, dada a proximidade no nível de água, a instalação dos colchões drenantes um pouco mais profundos favoreceria, no caso, a infiltração, pois apesar da diferença de carga em relação ao nível freático ser mantida a permeabilidade do solo local aumenta com a profundidade conforme indicado na Tabela 1. Por facilidade de execução manteve-se, no entanto, a profundidade especificada de 0,50m.
Tabela 1 – Taxa de Infiltração e Permeabilidade.
Profundidade
(m) Taxa de Infiltração (mm/h) Permeabilidade de Campo (cm/s)
0,5 11,7 3,2 x 10-4
0,8 45,0 1,2 x 10-3
A Tabela 2 reúne os resultados de umidade natural (wo), umidade higroscópica (wh),
peso específico dos sólidos (γs), peso específico aparente seco natural (γd), índice de vazios (e)
e porosidade (n) do solo estudado, obtidos para 0,5 m de profundidade. Considerando-se estes índices físicos obtém-se um grau de saturação baixo (Sr = 35%) para o solo, indicando, dada a proximidade do lençol freático pequeno potencial de ascensão capilar o que reflete a natureza arenosa do solo confirmada pelo pequeno valor de umidade higroscópica.
Tabela 2 – Caracterização física dos solos. Amostra wn (%) wo (%) (γs) (kN/m3) (kN/m(γd)3) e n (%) UFRR 7,5 1,0 25,8 16,57 0,557 36
A Tabela 3 apresenta os resultados de granulometria obtidos a partir de ensaios de sedimentação realizados sobre amostras coletadas a 0,50m de profundidade com e sem o uso de defloculante. Nesta tabela verifica-se que, com o uso do defloculante hexametafosfato de sódio, houve um aumento na quantidade de argila e uma proporcional redução no teor de areia, ou seja, as partículas de argila encontravam-se agregadas compondo a fração areia. O solo no estado natural pode ser classificado como uma areia pouco siltosa e quando desagregado como uma areia argilosa. O significativo grau de agregação da fração argila reflete o grau de intemperismo pelo qual passou o solo, uma vez que na mineralogia verificou-se a presença marcante apenas de quartzo e caulinita, sendo o quartzo um mineral resistente ao intemperismo e a caulinita um mineral fruto do intemperismo já profundo.
Tabela 3 – Resultados das análises granulométricas.
Propriedades Amostra 0,5 m Granulometria ABNT (%) s/d c/d Argila (<0,005 mm) 3,1 27,1 Silte (0,05 – 0,005 mm) 7,7 6,2 Areia (2,0 – 0,05 mm) 89,2 66,7 Pedregulho (>2,0 mm) 0 0
Considerando os resultados da granulometria, para o solo sem defloculante, com o resultado do coeficiente de uniformidade, Cu, e o coeficiente de curvatura, Cc, trata-se, portanto, de um solo SP, areias e areia com pedregulho, mal graduados sem finos ou com
pequenas quantidades. O solo para a profundidade de 0,5m foi analisado segundo a metodologia expedita de classificação MCT. Quanto ao índice c’, que traduz a argilosidade do solo, o resultado foi abaixo de 1,6, caracterizando-o assim como texturalmente arenoso. Concluiu-se neste sistema de classificação, segundo os resultados obtidos, tratar-se de solo variando de LA (areia siltosa laterítica) a LA’ (areia argilosa laterítica).
Considerando-se os dados de infiltração contidos na Tabela 1, seria recomendável para o caso analisado aprofundar um pouco a profundidade do colchão de modo a melhorar a taxa de infiltração do solo. Por exemplo, a se passar da profundidade de 0,50m para a 0,80m se teria uma taxa de infiltração de 45mm/h em lugar de 11,7mm/h o que cobriria a maioria dos índices pluviométricos regionais além de ampliar a capacidade de armazenamento. Assim, se em uma hora precipitar 45 mm seria possível coletar, considerando-se apenas a parcela de solo não saturada (0,50m), a água de uma área equivalente a aproximadamente 5 vezes a área do colchão drenante. Essa informação é útil na definição do coeficiente de ocupação do solo nos casos em que se preveja que cada ocupante será responsável pela evacuação da água proveniente da área impermeabilizada.
Destaca-se finalmente que dentro da técnica concebida não há risco de comprometimento da capacidade de infiltração do solo em consequência do colapso estrutural, pois este não deve em princípio ocorrer uma vez que a tensão total induzida pelo sistema é inferior aquela originalmente atuante com no perfil de solo natural. Tem-se ainda, diante dos valores de coesão obtidos, mesmo para a condição residual, que os riscos de ruptura dos taludes do colchão são mínimos.
O sistema de infiltração proposto ao associar as características dos materiais utilizados na construção de colchão drenante, ao potencial colapsível e erodível dos solos regionais, mostra ser possível a mitigação dos riscos técnicos e dos danos ambientais com solução de menor custo que os resultantes de práticas convencionais. O uso das garrafas PET no colchão drenante, contempla: aspectos ambientais, ao dar destinação a elas; sociais, ao valorizar o trabalho dos catadores; e técnico, ao possibilitar uma maior capacidade de acumulação de águas pluviais no colchão drenante e uma menor sobrecarga sobre o solo suporte
Referências
BAPTISTA, M. B.; NASCIMENTO, N. O.; BARRAUD, S. (2005). Técnicas Compensatórias em Drenagem Urbana. ABRH – Associação Brasileira de Recursos Hídricos. Porto Alegre – RS.
CHEBBO, G. (1992). Solides des rejets pluviaux urbains caracterisation et traitabilité. 413P. Tese (Doutorado) – Ecole Nationale des Ponts et Chaussées.
ELLIS, J. B.; HVITED-JACOBSEN, T. Urban drainage impacts on receiving waters. Journal of Hydraulic Research, vol. 34, pp. 771 – 783, 1996.
IDE, C. N.; DE LUCA, S. J. 1985. Qualidade da Drenagem Pluvial Urbana. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE HIDROLOGIA E RECURSOS HÍDRICOS, 6., 1985, São Paulo, Anais. ABRH. V.3.p 135-141.
SOUZA, V. C. B. (2002). Estudo Experimental de Trincheiras de Infiltração no Controle da Geração do Escoamento superficial. Tese de Doutorado, Departamento de Engenharia de Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, 127 p.
