1. Introdução
Os movimentos de vertente translacionais superficiais, es-coadas detríticas e os movimentos complexos são reconhe-cidos como as principais causas de mortalidade e destrui-ção em regiões vulcânicas (Costa, 1984), tal como se tem verificado na ilha de S. Miguel e em particular no Concelho da Povoação.
Com efeito, os episódios de instabilidade geomorfológica têm demonstrado uma elevada taxa de recorrência ao lon-go da história passada e recente no concelho da Povoação, regra geral desencadeados por episódios de precipitação in-tensa, provocando a perda de vidas humanas e danos con-sideráveis em infra-estruturas, moradias, etc. (e.g. Ribeira Quente, 31/10/1997; Povoação 12/02/2002 e 06/04/2005). O estudo de movimentos de vertente e a sua predição atra-vés da aplicação de modelos suportados em premissas de base física, nomeadamente modelos hidrológicos acopla-dos a modelos geotécnicos, devem ser baseaacopla-dos na
ava-liação exaustiva e rigorosa dos parâmetros hidrológicos e geotécnicos dos materiais que constituem as vertentes. O presente trabalho centra-se na caracterização hidrológica e geotécnica de materiais vulcânicos, a qual servirá de base e de input a modelos determinísticos, com vista à avaliação da susceptibilidade e previsão de fenómenos de instabilida-de instabilida-de vertentes no concelho da Povoação.
2. Enquadramento geral
As áreas de estudo situam-se na parte SE da ilha de S. Mi-guel, mais concretamente no concelho da Povoação (Fig. 1). Os vulcões das Furnas e da Povoação ambos com caldei-ra, caracterizam-se por apresentarem cursos de água nor-malmente muito encaixados e vertentes muito declivosas, essencialmente cobertas por materiais piroclásticos de que-da e de fluxo, provenientes do vulcão que-das Furnas. Alguns destes depósitos foram afectados por processos pedogené-ticos, revelando, na sua parte superficial, níveis pomíticos alterados.
Caracterização hidrológica e geotécnica de solos vulcânicos
pomíticos com vista à integração em modelos determinísticos
para a avaliação da estabilidade de vertentes no concelho da
Povoação (S. Miguel, Açores)
P. Amaral
15, R. Marques
1, J.L. Zêzere
2, F. Marques
3, G. Queiroz
1, T.B. Ramos
4&
M.C. Gonçalves
41Centro de Vulcanologia e Avaliação de Riscos Geológicos, Universidade dos Açores. 2Centro de Estudos Geográficos da Universidade de Lisboa.
3Centro e Departamento de Geologia, Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa. 4Instituto Nacional de Recursos Biológicos, INIA-Oeiras.
5Emai: Paulo.AP.Amaral@azores.gov.pt / Fax: +351296650142
Resumo:
A aplicação de modelos de base física no domínio da previsão de movimentos de vertente, nomeadamente através da articulação de modelos hidrológicos e geotécnicos, deve ser suportada pelo estudo exaustivo e rigoroso dos parâmetros hidrológicos e geotécnicos dos ma-teriais das vertentes em estudo. Neste trabalho, os parâmetros de resistência ao corte foram determinados através de ensaios de corte directo nas condições consolidado/drenado (CD), em amostras no estado natural e recolhidas em diferentes níveis estratigráficos no concelho da Povoação (S. Miguel, Açores). No contexto hidrológico, a condutividade hidráulica saturada (Ks) foi determinada, em laboratório, através do método de carga constante e de ensaios edométricos, e no campo, através de permeâmetros de duplo anel. A curva da condutividade hidráulica não satu-rada, K(h) ou K(!), foi determinada pelos métodos da evaporação e do ar quente, enquanto que as curvas de retenção de água no solo, !(h), foram obtidas por caixas de areia, por dispositivos de placas de pressão e ainda pelo método da evaporação. Os resultados determinados com os diferentes métodos utilizados mostraram-se consistentes, e os pontos experimentais ajustam-se aos modelos de parametrização das propriedades hidráulicas com R2 entre 0.95 e 0.99. Os resultados obtidos servirão de base e como input para os modelos determinísticos analíticos e numéricos,com vista à avaliação da susceptibilidade e previsão de fenómenos de instabilidade de vertentes no concelho da Povoação.
Abstract:
The reliable use of physically-based models for landslide forecasting, namely hydrological models coupled with slope stability models need to be based on rigorous and exhaustive study of the slope hydrological and geotechnical parameters. Several consolidation drained (CD) direct shear tests were performed on undisturbed samples collected from different stratigraphic layers in the Povoação County (S. Miguel, Azores). In the hydrological context, the saturated hydraulic conductivity (Ks) was measured in the laboratory using a constant head permeam-eter and long term oedompermeam-eter tests; in the field it was used a double ring constant head permeampermeam-eter. Unsaturated hydraulic conductivity, K(h) or K(!), was measured with evaporation and hot air methods, while the soil water characteristic curves, !(h), were obtained using a suction table, a pressure plate apparatus and an evaporation method. The obtained results regarding the different methods shown a good agreement between them, and the experimental data was fitted using parameterization models of the hydraulic properties with R2 between 0.95 and 0.99. Theob-tained results will be used in the future as baseline and as input for analytical and numerical deterministic models to assess landslide susceptibil-ity and forecast slope instabilsusceptibil-ity in the Povoação County.
Palavras-chave:
Propriedades Hidráulicas e Geotécnicas, Solos Pomíticos, Concelho da Povoação, Açores.Com o intuito de se proceder à avaliação da estabilidade de vertentes através da utilização de métodos de equilíbrio limite, um extenso programa de caracterização geotécnica e hidrológica foi efectuado em 5 locais teste distintos (ver Fig. 1, L1 a L5), através do estudo de 6 perfis (P1, P2, P4, P5, P6 e P9).Os perfis foram estudados em sanjas escavadas no terreno e em afloramentos naturais existentes em locais que anteriormente sofreram instabilidade.
Os locais estudados correspondem a taludes que apresen-tam declives moderados a elevados (26-50º), com coman-dos que variam de 16 a 90 m. Estes taludes são constitu-ídos, regra geral, por alternâncias de depósitos pomíticos (dominando as classes dimensionais das areias e dos siltes), intercalados com paleosolos normalmente de pouca espes-sura e truncados superiormente por solos superficiais. A excepção observa-se no local teste (L1), que apresenta uma escoada lávica basáltica (s.l.) completamente alterada (de acordo com a classificação ISRM, enquadrada no grau V).
3. Caracterização geotécnica
3.1. Parâmetros Físicos
Atendendo às especificidades de cada talude, no que res-peita aos pontos de vista genético, textural e composicio-nal, os diferentes materiais foram caracterizados em 6 uni-dades geológico-geotécnicas: U1 - Solos Superficiais (SS); U2 - Depósitos de Cinzas (DC); U3 - Depósitos Pomíticos Grosseiros (DPG); U4 - Paleosolos (PS); U5 – Depósitos de Vertente (DV); e U6 – Materiais Rochosos Completamente Alterados (MRCA).
A tabela 1 ilustra as principais propriedades de caracteriza-ção física e de identificacaracteriza-ção dos tipos de unidades geologi-cos-geotécnicas identificadas no terreno.
O material analisado apresenta uma ampla variabilidade textural, com baixos teores em partículas com a dimensão das argilas (≤14%), baixos valores de pesos específicos se-cos e saturados, elevados valores de porosidades e de índice
Figura 1 – Localização dos locais de teste para caracterização dos materiais e designação dos perfis analisados, no Concelho da Povoação, ilha de S. Miguel-Açores.
de vazios, elevados valores de limites de liquidez e de limi-tes de plasticidade, resultando em índices de plasticidades geralmente baixos ou em solos não plásticos.
3. 2. Parâmetros Mecânicos
Para determinar os parâmetros de resistência ao corte, fo-ram caracterizadas 17 amostras mediante a execução de ensaios de corte directo do tipo consolidado/drenado. Os ensaios foram realizados em corpos de prova no estado na-tural e perturbado, aplicando-se uma velocidade de corte de 0.016 mm/min., tendo em atenção a moderada a ele-vada permeabilidade dos materiais, de forma a reproduzir condições próximas das de um ensaio drenado. As pressões verticais aplicadas variaram de 23 kPa a 204 kPa.
Os resultados das amostras relativamente aos parâmetros de resistência ao corte organizam-se em duas famílias dis-tintas: uma contemplando as unidades geológico-geotécni-cas U1, U2, U4 e U5; outra incluindo as unidades U1, U3 e U6.
No que se refere ao ângulo de atrito interno, a primeira fa-mília apresenta valores entre 30º e 35º, e a segunda, valores entre 35º e 43º. Relativamente à coesão efectiva, a primeira família variou entre 0 e 9 kPa, enquanto a segunda apre-sentou valores de coesão de 0 kPa (Fig. 2). A separação das duas famílias foi ainda suportada pelos parâmetros físicos analisados (e.g. pesos específicos secos e índice de vazios). A primeira família, que apresenta menores ângulos de atri-to interno, evidencia, regra geral, pesos específicos secos mais elevados e índices de vazios mais baixos, enquanto a segunda família apresenta pesos específicos secos baixos e índices de vazios mais elevados.
De todos os provetes dos ensaios de corte foram efectua-das análises granulométricas, de modo a obter correlações empíricas que permitissem estimar os parâmetros de
re-sistência ao corte na condição drenada a partir de índices granulométricos simples de determinação.
A correlação empírica construída a partir do modelo de re-gressão linear múltipla, obtida entre o ângulo de atrito in-terno e a distribuição granulométrica (e.g. cascalho e siltes mais argilas), revelou um bom ajustamento, apresentando um coeficiente de correlação ajustado (R2ajust) de 0.6. A equação 1 expressa a relação empírica obtida para a deter-minação do ângulo de atrito interno do solo, em condições drenadas:
No entanto, o ângulo de atrito interno pode ser ainda es-timado, usando apenas uma variável explicativa como por exemplo a Média Gráfica (Mz) (Folk e Ward, 1957),
sen-Tabela 1 – Parâmetros físicos, limites de Atterberg e texturas das unidades geológico-geotécnicas caracterizadas: Legenda:- (Gs) densidade das partículas sólidas; (gd) peso específico seco; (e) índice de vazios; (n) porosidade; (gsat) peso específico saturado; (LL) limite de liquidez; (LP ) limite de plasticidade; (IP) índice de plasticidade; (Cas.) cascalho; (Ar.) areia; (Sil.) silte; (Arg.) argila; (Class. USCS) classificação unificada de solos; (GP) cascalho mal gradu-ado; (GW) cascalho bem gradugradu-ado; (SW) areia bem graduada; (SP-SM) areia mal graduada com silte; (SM) areia siltosa; (ML) silte; (CL) argila magra; (MH) silte elástico; e (CH) argila gorda.
Índices Físicos Limites de Atterberg Análise Textural
Unid.
Litol. Gs !d (g cm-3) e n (%) (gcmgsat -3) LL (%) LP (%) IP (%) Casc. (%) Ar. (%) Sil. (%) Arg. (%) USCSClass.
U1 2.342.56 0.71 1.16 1.232.47 5571 1.421.71 - - - 1862 2643 1037 27 SWGP SP-SM U2 2.342.52 0.84 1.19 1.021.88 5065 1.491.70 33 27 NP6 5- 3051 3958 145 SMML U3 2.262.60 0.51 0.97 1.673.87 6279 1.311.60 - - - 2562 3155 235 27 GWSW SP-SM U4 2.412.62 0.55 1.18 1.193.47 5478 1.321.72 35 33 NP2 236 3351 2252 29 SP-SMML U5 2.342.74 0.79 1.28 2.051.06 5167 1.461.80 4554 2733 18-21NP 231 3341 54.431 116 SP-SMCL MH U6 2.692.90 1.01 1.15 1.431.77 5964 1.651.74 67 31 36 22 35 36 7 CH
Figura 2 – Envolvente de rotura de Mohr Coulomb dos diferentes mate-riais analisados.
do este expresso através de uma regressão linear simples (f`=ax+b), com um coeficiente de correlação ajustado (R2 a-just) de 0.71, onde a=-1.744 e b=41.590 são os parâmetros da função.
Deste modo, demonstra-se a importância da distribuição granulométrica nos valores de ângulo de atrito interno ob-tidos, bem como a fácil obtenção deste parâmetro do solo a partir de ensaios simples, rápidos e de baixo custo.
4. Caracterização hidrológica
4.1. Condutividade Hidráulica Saturada
Para a obtenção da condutividade hidráulica saturada (Ks), utilizou-se o método de carga constante (Stolte, 1997) em laboratório, e o método do permeâmetro de duplo anel no campo. A condutividade hidráulica saturada vertical obti-da variou entre 10-4 a 10-7 m/s. Este parâmetro também foi estimado para alguns materiais (e.g. U2) através de ensaios edométricos. A figura 3 mostra a variação de Ks em função dos patamares de carga para uma amostra desta unidade. Os resultados obtidos para Ks permitem classificar o mate-rial de permeável a semi-permeável (Aysen, 2005). 4.2. Curva de retenção e condutividade hidráulica não sa-turada do solo
As relações do teor de água com a tensão efectiva para ex-pressar a curva de retenção de água no solo ou curva ca-racterística, foram obtidas através da caixa de areia para pressões negativas de 0 cm a 100 cm, pelo método da eva-poração (Wind, 1966) para pressões negativas de 20 cm a 800 cm e através do método das placas de pressão para pressões negativas acima de 100 cm.
A condutividade hidráulica não saturada foi obtida pelo método da evaporação (Wind, 1966) que permite estimar simultaneamente os valores da curva de retenção e da con-dutividade hidráulica. Para pressões negativas superiores a 50 cm, esta propriedade foi estimada pelo método do ar quente (Arya et al., 1975). Este tem por base o cálculo da difusividade, sendo a condutividade hidráulica
determina-da pela seguinte equação:
Onde K (θ) é a condutividade hidráulica do solo insaturado (depende do teor de água no solo), D(θ) é a difusividade hidráulica e dθ/dh é o declive da curva de retenção de água no solo, sendo (θ) o teor de água volumétrico e (h) a tensão efectiva. Os valores obtidos para a difusividade hidráulica variaram entre 10-2 e 10-4 m2/s.
A descrição dos vários métodos laboratoriais para a deter-minação das propriedades hidráulicas pode ser encontra-da, por exemplo, em Gonçalves et al. (2000). Estes autores descrevem os procedimentos, os processos de cálculos e co-mentários sobre os diferentes métodos, quer para obtenção da curva característica de retenção de água solo, quer para a curva de condutividade hidráulica.
Os dados experimentais da curva característica e da con-dutividade hidráulica foram parametrizados no modelo de Mualem-van Genuchten (van Genuchten, 1980), e ajusta-ram-se simultaneamente os dados através das equações 3 e 4, utilizando-se para o efeito o código RETC (van Ge-nuchten et al., 1991).
onde q é o teor de água volumétrico observado (cm3/cm3), h é a pressão de água imposta (cm de água), qr e qs são os teores de água residuais e saturados, respectivamente (cm3/ cm3), K(h) é a condutividade hidráulica não saturada (cm/ dia), Ks é a condutividade hidráulica saturada (cm/dia) e !, n e l são os parâmetros de ajustamento empírico que defi-nem a forma da curva.
A figura 4 ilustra um exemplo de uma curva característica (4a) e da condutividade hidráulica (4b) obtidas pelos mé-todos atrás referidos.
A tabela 2 apresenta os valores dos parâmetros obtidos no ajustamento do modelo Mualen van Genuchten para a cur-va de retenção de água no solo e para a curcur-va da condutivi-dade hidráulica dos materiais analisados.
Globalmente, os diferentes métodos utilizados mostraram concordância entre si e os pontos experimentais ajustam-se aos modelos de parametrização das propriedades hidráuli-cas com R2 a variar entre 0.95 e 0.99.
5. Conclusões
A análise quantitativa da estabilidade de uma vertente é, sem qualquer dúvida, uma tarefa fundamental para ava-liar se a vertente é instável ou não, nomeadamente face à ocorrência de estímulos externos, como uma precipita-ção intensa ou um sismo. As características geotécnicas e
Figura 3 – Estimativa da condutividade hidráulica saturada em função do incremento da carga para a unidade U2 (depósitos de cinzas).
Equação 2
Equação 4 Equação 3
hidrológicas dos materiais vulcânicos descritos neste tra-balho diferem em muito daqueles que se encontram, por exemplo, em Portugal continental. Estes materiais apre-sentam propriedades singulares que os tornam propícios à ocorrência de manifestações de instabilidade, sempre que as condições que propiciam o desencadeamento de movi-mentos de vertente se verifiquem, como tem acontecido no passado recente (Marques et al., 2008).
Do ponto de vista geotécnico, estes materiais apresentam pesos específicos muito baixos e elevadas porosidades, ca-racterísticas que favorecem a ocorrência de liquefacção por saturação (Olivares e Damiano, 2004), a que acrescem pa-râmetros de resistência baixos em termos coesivos. Do ponto de vista hidrodinâmico, salienta-se a moderada a elevada permeabilidade dos depósitos e elevados teores de água mesmo a pressões negativas de 1500 kPa, o que faz com que estes materiais tenham uma elevada retenção de água, contribuindo claramente para que os solos se mante-nham com um elevado teor de água, mesmo em períodos
relativamente secos.
A informação obtida e descrita no presente trabalho cons-titui uma referência importante, quer para o dimensiona-mento de projectos de engenharia, quer para o ordenamen-to do território e o planeamenordenamen-to de emergência através da aplicação de modelos de previsão de ocorrência de movi-mentos de vertente, de base física.
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Tabela 2 – Valores dos parâmetros de ajustamento da curva de retenção de água e da curva da condutividade hidráulica segundo o modelo Mualen-van Genuchten.
Oeiras 8: 1-23
Marques, R., Zêzere, Trigo, R., Gaspar, J.L., Trigo, I., 2008. Rainfall pat-terns and critical values associated with landslides in Povoação County (São Miguel Island, Azores): relationships with the North Atlantic Os-cillation. Hydrol. Process. 22, 478-494. DOI: 10.1002/hyp.6879. Olivares, L., Damiano, E., 2004. Post-failure mechanics of
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