Disposição Final de Resíduos Sólidos Urbanos:
Projeto, Operação e Descomissionamento de Aterros Sanitários
Barreiras Capilares
Fernando A. M. Marinho
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
Julho de 2006
Capacidade de retenção de água dos solos
Máximo teor de umidade gravimétrico
(MTUG)
e
MTUG =
G
Índice de vazios
Máximo teor de umidade volumétrico
(MTUV)
MTUV = n
Porosidade
Densidade
relativa dos
graõs
Capacidade de “campo” (CC)
MTU
Evaporação
Condensação
Presença de nível d’água
Perda de água por gravidade
CC
Capacidade de retenção de água dos solos
http://www.uwsp.edu/geo/faculty/ritter/glossary/e_g/field_capacity.html
Ciência do Solo
Agronomia
Vw Ahw hw
θ=
=
=
Vt
Ab
b
hw = θ CC b = CR
Capacidade de retenção de água dos solos
CC
Solo com capacidade de campo
CC
b
espessura
b
CR = ∫ θdz = (CC )b
0
θ
Capacidade de retenção de água dos solos
Camada de retenção
Clima: ÁRIDO ou SEMI-ÁRIDO
Evaporação
Qual o objetivo de uma barreira?
Isolar o resíduo.
Controlando a infiltração de água.
Minimizando a geração de chorume
O que é uma barreira capilar?
Pulmão
Alveolo
Barreira existente entre o
sangue capilar e o ar
alveolar.
As
trocas
gasosas ocorrem através
desta membrana.
alveolo-capillary barrier
O que é uma barreira capilar (geotécnica)?
Infiltração (e.g. chuva)
Duas situações
horizontal
Inclinada
Água “suspensa”
Água “desviada”
SOLO “FINO”
SOLO
“GROSSO”
Camada
Bloqueadora
RESÍDUO
Trecho horizontal
A Camada bloqueadora não pode atingir o ponto de entrada de água.
O perfil de teor de umidade ideal é:
Teor de umidade residual
Elevação
Solo “fino”
Solo “grosso”
Teor de umidade (%)
Capacidade de Retenção em Barreiras Capilares
O contraste de permeabilidade entre solo “fino” e
“grosso”, forma uma impedância hidráulica que limita
o movimento de água para baixo.
A água entra no solo “grosso” quando a sucção na
superfície do solo “grosso” é reduzida ao valor
próximo da sucção residual.
A sucção é ΨB e o teor de umidade volumétrico é ΘBC.
Para existir continuidade hidráulica a sucção nas duas
camadas deve ser igual na interface.
A sucção na camada “fina” deve ser ΨB.. A partir daí a
água entrará na camada “grossa”.
A água entra lentamente a partir deste ponto, pois a
condutividade hidráulica no solo “grosso” ainda é
baixa.
A impedância hidráulica induzida pela interface capilar
faz com que o solo “fino” atue como um reservatório
que guarda a água infiltrada (CR) até ΘBF ser atingido.
Tendo sido retida ao máximo a água é então evapotranspirada ou drenada lateralmente.
Khire et al. (2000)
Perfis de sucção na camada superior da barreira capilar
Infiltração baixa e constante
K (hq ) = q
z
≅ 45o
A
C
h*
w
D
h=
z+
Solo
“fino”
B
Solo
“grosso”
Potencial matricial (h)
h*w
Sucção de entrada
de água do solo
“grosso”
dq
≅1
dz
hq
Sucção
Baseado em Stormont & Morris (1998)
Perfis de sucção na camada superior da barreira capilar
Resposta aos efeitos de ET e infiltração
z
F
E
C
D
A
B
q > qc
q < qc
Solo
“fino”
Solo
“grosso”
Potencial matricial (h)
h*
w
Caso a infiltração combinada
com o perfil anterior for menor
que CR da camada “fina” a
barreira não será rompida
Baseado em Stormont & Morris (1998)
Curva de retenção e
Capacidade de retenção da camada de solos “fino”
θ (%)
Sucção (kPa ou m)
b
CR = ∫ θ ( z + h )dz
0
*
w
h*w
ψB
Estimativa de projeto de uma barreira capilar
Se a barreira capilar for projetada considerando-se apenas as duas camadas de solo:
a espessura e as características hidráulicas devem ser manipuladas para se obter um
projeto que seja adequado para a retenção de água e garanta uma percolação aceitável.
1. Escolha dos solos
2. Espessura do solo “grosso”
•
A espessura mínima a ser adotada deve ser tal que mantenha uma sucção no topo
da camada de solo “grosso” que esteja associada a uma condutividade hidráulica
baixa. (e.g. manter a sucção perto da sucção do teor de umidade residual).
3. Espessura do solo “fino”
•
A espessura do solo “fino” depende das propriedades hidráulicas do solo não
saturado das duas camadas e das condições meteorológicas do local.
Os quatro passos para o projeto
Passo 1: Determinação do período meteorológico crítico
• Em geral o período crítico a ser usado é o mais chuvoso.
• Deve-se determinar a capacidade de retenção requerida (CRR)
com base em todas as formas de infiltração de água possíveis.
• Pode-se assumir que a evapotranspiração e o escoamento
superficial são nulos.
Baseado em Khire et al. (2000)
Os quatro passos para o projeto
Passo 2: Estimativa da espessura da camada de solo “fino”
• A espessura é escolhida de forma que a capacidade de retenção
(CR) da camada seja maior que a capacidade de retenção
requerida (CRR).
• A capacidade de retenção de água no solo “fino” vale:
b
CRFo = ∫ θ ( z + ψ B )dz
0
Ou, incluindo a limitação da evapotranspiração
b
CRFo = ∫ θ ( z +ψ B )dz − θWP b
0
• A determinação da espessura da camada é feita
igualando-se CRF à capacidade de retenção requerida
(CRR), obtida com base nos aspectos meteorológicos
Khire et al. (2000)
Baseado em Khire et al. (2000)
Os quatro passos para o projeto
Passo 3: Ajuste da espessura
• Com base na espessura obtida no passo 2 deve ser feita uma análise
utilizando-se algum modelo de fluxo em meio não saturado que
considere evapotranspiração e escoamento superficial. Faz-se assim um
balanço de água do sistema.
• Deve-se alimentar o modelo com os seguintes dados:
• Dados meteorológicos
• Dados da vegetação
• Propriedade dos solos não saturados
Baseado em Khire et al. (2000)
Passo 4: Outros fatores
• Após o ajuste da espessura pode-se ainda majorar este valor com base
em aspectos tais como:
• Erosão (água e vento)
• Trincas de ressecamento
• Ou aumento do fator de segurança
Baseado em Khire et al. (2000)
Barreira Capilar - Trecho horizontal
Baixa (ou nenhuma) eficiência se não estiver associado com evaporação
Barreira evapotranspirativas
Evapo-transpiração
Precipitação
Evaporação
Run-off
Barreira evapo-transpirativa
Resíduo
A barreira capilar inclinada
Objetivo:
A inclinação cria uma drenagem lateral que reduz a
quantidade de água no solo “fino” para manter a capacidade
de retenção.
Trecho inclinado
• Efeitos da evapotranspiração
• A água é “desviada” para as laterais
k (m/s)
Log Sucção (kPa)
Modelo físico de uma barreira capilar inclinada
Parent & Cabral (2005)
O projeto de uma barreira capilar inclinada deve
observar os seguintes aspectos:
• A máxima infiltração aceitável
• A inclinação e comprimento do talude
• As funções de permeabilidade dos materiais
envolvidos
Parent & Cabral (2005)
distância de desvio ≈ ∫
ΨcMRL
ΨcCBL
k ( Ψ ) dΨ
ψcCB e ψcCR são as máximas sucções que existem nos materiais quando
submetidos a uma dada infiltração.
Pode-se utilizar o método de Bews et al. (1997) ou o modelo de Kish (1959)
para determinar estes valores.
Parent & Cabral (2005)
Aspectos Importantes:
•
•
•
•
•
•
Clima adequado (dados e estudos brasileiros)
Evapotranspiração (dados e estudos brasileiros)
Capacidade de retenção apropriada (ensaios)
Funções de permeabilidade (ensaios vs modelos)
Geometria ajustada (papel da inclinação)
Execusão controlada (importância da compactação)