Aplicação de Geossintéticos em Sistemas para Controle e
Dissipação de Subpressão em Canais
Regis Eduardo Geroto
Engecorps - Corpo de Engenheiros Consultores S.A., Barueri, Brasil, [email protected]
Afonso Celso Moruzzi Marques
Engecorps - Corpo de Engenheiros Consultores S.A., Barueri, Brasil, [email protected]
Marcelo Saad Taulois da Costa
Engecorps - Corpo de Engenheiros Consultores S.A., Barueri, Brasil, [email protected]
RESUMO: Devido à presença de água no maciço de fundação, podem ocorrer esforços ascendentes
nas obras de infraestrutura, sendo estes denominados como subpressão. Nas obras de canais de
adução revestidos com geomembranas e/ou concreto, os esforços de subpressão devido à presença
de água sob o revestimento podem ser críticos nas situações em que o canal encontra-se vazio ou
com reduzida lâmina d’água, ocasionando deformações e deslocamentos da geomembrana e/ou a
ruptura dos revestimentos de concreto. Para garantir a integridade destes elementos, uma das
soluções passa pela previsão de sistemas de drenagem interna para controle e dissipação dos
esforços de subpressão. Neste estudo são apresentados os geossintéticos empregados na execução
de sistema de drenagem interna, bem como os critérios adotados e os cálculos realizados no
dimensionamento dos elementos presentes neste sistema. Para a execução do sistema de drenagem
interna dos canais, foram empregados geocompostos drenantes, instalados em faixas por toda a
extensão dos taludes dos canais; geotubos perfurados, instalados em uma trincheira escavada sob o
fundo do canal; e geotêxteis não tecidos, atuando como elementos de filtração e separação juntos às
trincheiras e o colchão drenante executado na base dos canais. Foram realizadas simulações
computacionais para determinar as contribuições oriundas da percolação dos maciços e somadas às
possíveis contribuições advindas de potenciais danos na superfície da geomembrana, pode-se
realizar o dimensionamento dos materiais empregados na captação e condução da água do sistema
de drenagem interna para controle e dissipação de subpressões sob o revestimento dos canais.
PALAVRAS-CHAVE: geossintéticos, subpressão, drenagem, canais, irrigação.
1
INTRODUÇÃO
A eficiência e o desempenho das obras de
engenharia estão diretamente relacionados com
a integridade das estruturas que as compõe.
Para tanto, devem ser previstos dispositivos e
medidas complementares que garantam o
adequado
comportamento
da
estrutura
principal.
Nas obras de infraestrutura hidráulica podem
ocorrer esforços de subpressão na base de suas
estruturas, devido à presença de água no maciço
de fundação.
Os esforços de subpressão podem
instabilizar
determinadas
estruturas,
ocasionando deformações sigificativas ou
mesmo a ruptura de estruturas mais esbeltas.
No caso dos canais revestidos com
geomembrana e/ou concreto, deve-se prever um
sistema de drenagem interna, já que os esforços
de subpressão podem ocasionar, nos períodos
em que o canal apresenta-se vazio ou com
reduzida lâmina d’água, o deslocamento do
revestimento ou ruptura da laje em concreto.
O presente estudo apresenta os materiais
geossintéticos e critérios utilizados no
dimensionamento de um sistema de drenagem
interna e dissipação de subpressão, para um
canal revestido com geomembrana e concreto.
2
SISTEMAS DE DRENAGEM INTERNA
PARA CANAIS REVESTIDOS
2.1
Características do Canal
A seção hidráulica do canal de adução, objeto
deste estudo, apresenta geometria característica
trapezoidal, com largura da base de 6,0 m,
taludes laterais com inclinação de 1,0V:1,5H e
altura da seção hidráulica de 6,0 m. O canal
implantado possui declividade do fundo de 10
cm/km (0,01%), e sua seção foi projetada para a
vazão máxima de 99 m³/s.
Com o intuito de minimizar perdas de água,
a seção hidráulica do canal é revestida por uma
geomembrana polimérica, ancorada no topo do
talude. Sobre a superfície da geomembrana é
executada uma camada em concreto, que tem
como finalidade proteger a manta contra
possíveis danos mecânicos e a exposição a
intempéries.
Previamente à instalação do revestimento
com a geomembrana, deve-se executar a
regularização dos taludes e do fundo do canal,
bem como implantar os dispositivos relativos
ao sistema de drenagem interna dos canais.
2.2 Sistemas de Drenagem Interna para
Canais
Os sistemas de drenagem interna dos canais têm
por finalidade dissipar os esforços de
subpressão sob o revestimento dos canais,
através da captação e restituição da água
presente no maciço de fundação, oriunda de
possíveis danos no revestimento e/ou
percolação pelo maciço de fundação.
O sistema de drenagem interna dos canais,
executado sob a geomembrana, deve ser
constituído
por
drenos
transversais
posicionados sob os taludes, um colchão
drenante sob a base do canal e uma trincheira
drenante, executada imediatamente abaixo do
colchão drenante.
A Figura 1 apresenta uma seção esquemática
com os elementos constituintes do sistema de
drenagem interna descrito.
Figura 1. Componentes do sistema de drenagem interna.
2.3
Geossintéticos Utilizados
Para a execução do sistema de drenagem
interna dos canais podem ser empregados
materiais naturais e materiais manufaturados
(geossintéticos),
complementando
ou
substituindo os materiais naturais.
Dos materiais geossintéticos utilizados na
execução de sistemas de drenagem interna,
podem ser destacados: os geocompostos
drenantes, instalados em faixas nos taludes dos
canais, geotêxteis, atuando como elementos de
filtração e separação, e geotubos perfurados,
instalados na trincheira drenante, para captação
e direcionamento do fluxo de água para fora do
sistema.
2.3.1 Geocompostos Drenantes
O geocomposto drenante é um produto
desenvolvido para drenagem, composto
geralmente de um geotêxtil, que atua como
elemento de filtro, e uma georrede ou
geoespaçador, que atua como elemento
drenante (Aguiar & Vertematti, 2004a).
Em um sistema de drenagem interna, são
instaladas faixas de geocompostos drenantes
nos taludes dos canais, posicionados
transversalmente ao eixo do canal, captando e
direcionando a água para o colchão drenante
executado na base do canal.
A Figura 2 apresenta as faixas de
geocompostos drenantes, instaladas nos taludes
do canal, previamente à instalação do
revestimento com a geomembrana.
2.3.3 Geotubos
Geotubos são produtos de forma cilindrica
(tubular) com função drenante (Aguiar &
Vertematti, 2004a).
Os geotubos empregados no sistema de
drenagem interna devem ser perfurados sendo
instalados no interior de trincheiras drenantes
para coleta e direcionamento da água captada
pelo sistema de drenagem interna dos canais.
A Figura 4 apresenta o detalhe de um
geotubo instalado em uma trincheira drenante.
Figura 2. Geocompostos drenantes instalados nos taludes
de um canal.
2.3.2 Geotêxteis
Os geotêxteis são produtos bidimensionais
permeáveis, compostos por fibras cortadas,
filamentos
contínuos,
monofilamentos,
laminetes ou fios, formando estruturas tecidas,
não tecidas ou tricotadas (Aguiar & Vertematti,
2004a).
Nos sistemas de drenagem interna, foram
empregados geotêxteis não tecidos, atuando
como elementos de filtração e separação. Estes
elementos, além de compor os geocompostos
drenantes instalados nos taludes do canal, são
empregados na execução da trincheira drenante,
envolvendo o material granular constituinte
deste componente.
Na Figura 3 pode ser observado o geotêxtil
envolvendo a brita na trincheira drenante.
Figura 3. Geotêxtil não tecido envolvendo a brita no
interior de uma trincheira drenante.
Figura 4. Geotubo perfurado instalado em uma trincheira
drenante.
3
DETERMINAÇÃO DA VAZÃO DE
CONTRIBUIÇÃO
3.1
Cenários Analisados
As obras dos canais de adução podem ser
executadas em trechos com seções em aterro,
corte ou mista. Para a determinação da vazão de
contribuição, foram analisados dois cenários.
O primeiro cenário contempla as seções
onde o canal está implantado em aterro pleno.
Para este caso, admite-se somente a vazão de
contribuição proveniente de possíveis danos no
revestimento, face à reduzida possibilidade de
saturação e estabelecimento de linhas de fluxo
no maciço associadas à infiltração de águas e
chuva.
Para o segundo cenário foram contemplados
os trechos de canal implantados em seções de
corte ou de seção mista. Para este caso a vazão
de contribuição resulta de eventuais danos na
geomembrana, somada às vazões resultantes da
percolação de água pelo maciço.
3.2 Contribuição
Geomembrana
devido
a
Danos
na
Durante a etapa de instalação e operação as
geomembranas estão sujeitas a possíveis
degradações e danos ocasionados por esforços
de puncionamento, defeitos de fabricação e
problemas de solda, que podem gerar
pontos/áreas de perda d’água.
A quantificação destes possíveis danos e a
determinação da vazão associada à perda
d’água é tarefa de difícil realização. Neste
estudo os valores relativos aos danos no
revestimento foram estabelecidos a partir das
investigações realizadas por Giroud &
Bonaparte (1989) e Weber & Zornberg (2008),
que avaliaram a frequência e diâmetro médio de
perfurações observadas em geomembranas
instaladas em aterros sanitários e barragens.
Desta forma, adotou-se para este estudo um
valor médio dos resultados apresentados pelos
autores anteriormente citados, que resultou na
ocorrência de um dano ocasionado por
perfuração, com diâmetro médio de 0,8 cm, a
cada 2.400 m² de geomembrana instalada.
A vazão resultante de uma possível
perfuração (oríficio) no revestimento, com as
características descritas e considerando uma
carga hidráulica de 6,0 m, foi determinada
através da equação apresentada por Porto
(1999), apresentada a seguir:
Qc = Cd  A  2  g  h
(1)
Considerando a frequência de uma
perfuração a cada 2.400 m² de geomembrana
instalada, determinou-se a frequência deste tipo
de dano por metro linear de canal executado.
Para o canal em questão, verificou-se que as
eventuais perfurações na geomembrana
ocorrem com a frequência de um dano a cada
80,0 m de canal executado.
De posse destes valores, foi possível
determinar a vazão de contribuição oriunda de
possíveis danos no revestimento como sendo de
aproximadamente 0,0044 l/s por metro de
canal, ou 0,09 l/s por estaca (trecho de 20,0 m).
3.3 Contribuição devido à Percolação pelo
Maciço de Fundação
O cálculo da vazão de contribuição dos níveis
freáticos, passível de ocorrência nos trechos
com seções de escavação, foi realizado através
de análides de percolação, buscando definir
uma equação que melhor relacionasse a vazão
com a altura da seção.
Para esta análise foi empregado o método
dos elementos finitos, utilizando o Programa
SLIDE, da Rocscience, em sua versão 5.035. As
análises efetuadas foram bidimensionais e os
materiais envolvidos foram considerados
homogêneos e isotrópicos.
As análises de percolação foram realizadas
admitindo uma seção de cálculo onde o topo da
camada impermeável estivesse localizado a
10,0 m abaixo da cota de fundo do canal e o
comprimento de influência do modelo
(distância a partir do eixo do canal) fosse de
50,0 m a partir do eixo do canal. As hipóteses
admitidas estão ilustradas na Figura 5.
Onde:
Qc: vazão pelo orifício/dano (m³/s);
Cd: coeficiente de vazão;
A: área do orifício (m²);
g: aceleração da gravidade (m/s²);
h: carga hidráulica (m).
A aplicação da referida equação resultou na
vazão de 0,00035 m³/s, equivalente a 0,35 l/s,
por possível perfuração no revestimento.
Figura 5. Análise de percolação – Condições de contorno
da seção de cálculo.
Para as análises de percolação foi adotada
uma permeabilidade média de 5.10-5 cm/s para
os materiais envolvidos, não ocorrência de
fluxo através do revestimento do canal
(fronteira impermeável) e saturação total das
camadas.
A equação que relaciona a vazão de
contribuição devido à percolação com a altura
da seção do canal para a geometria estudada foi
determinada através de simulações realizadas
com seções de corte com alturas variando de
6,0 m a 15,0 m. A curva e a equação de melhor
ajuste (R² = 0,95) para a correlação entre a
altura escavada e a vazão percolada pelo
maciço, obtida por análises de regressão
numérica não linear, estão apresentadas na
Figura 6.
Figura 6. Correlação da vazão de contribuição percolada
pelo maciço com a altura da seção escavada.
Com base nos resultados obtidos foi
determinada a equação da vazão percolada em
função da altura escavada para trechos entre
estacas (20,0 m), conforme apresentada a
seguir:
Qp = -0,000185  h² + 0,005798  h - 0,015365 (2)
Onde:
Qp: vazão percolada (l/s/estaca);
h: altura escavada (m)
Para o trecho de canal analisado a altura
máxima de escavação existente e verificada foi
de 15,0 m. Para esta altura determinou-se uma
vazão de percolação de cerca 0,03 l/s, para um
trecho entre estacas (20,0 m).
4
DIMENSIONAMENTO
DOS
GEOSSINTÉTICOS EMPREGADOS NO
SISTEMA DE DRENAGEM INTERNA
4.1
Dimensionamento dos Geotêxteis
Os geotêxteis empregados no sistema de
drenagem interna atuam como elementos de
filtração e separação. Estes materiais são
utilizados nos geocompostos drenantes, como
material de envolvimento do núcleo drenante, e
na trincheira drenante, como material de
envolvimento da brita e do geotubo.
Os geotêxteis que desempenham a função de
filtração e separação devem atender aos
critérios de retenção, permeabilidade e
sobrevivência (Aguiar & Vertematti, 2004b).
Quanto aos critérios de retenção, o geotêxtil
deve apresentar características que permitam a
retenção do material fino, restringindo o
carreamento deste para o interior da trincheira.
Para a verificação do geotêxtil quanto à
retenção de partículas foi utilizado neste estudo
o critério proposto por Holtz et al. (1995).
No
que
tange
aos
critérios
de
permeabilidade, aplicando-se os devidos fatores
de segurança, o geotêxtil deve apresentar
permeabilidade superior à do solo adjacente,
que se deseja drenar.
Com relação aos critérios de sobrevivência,
os geotêxteis devem apresentar resistência
mecânica suficiente para resistir aos esforços de
tração e puncionamento, bem como resistência
à degradação química e/ou biológica induzida
pelo meio em que o material estará inserido.
4.2 Dimensionamento
Drenantes
dos
Geocompostos
Os geocompostos drenantes empregados no
sistema de drenagem interna devem ser
verificados
quanto
ao
comportamento
mecânico, de durabilidade e hidráulica.
As propriedades mecânicas dos materiais
devem atender às solicitações à tração e ao
puncionamento e cisalhamento do núcleo, bem
como garantir adequado desempenho à fluência
e à degradação química e biológica do material.
Com relação ao desempenho dos geotêxteis
como elementos filtrantes, estes devem atender
aos critérios já expostos no item 4.1 do presente
estudo.
Com relação ao comportamento hidráulico,
os geocompostos drenantes devem atender à
vazão crítica (máxima) determinada para o
Cenário 2 já descrito. Para este caso, a vazão
crítica em um trecho entre estacas (20,0 m) é de
0,12 l/s, resultante do volume oriundo de
possíveis danos na geomembrana (0,09 l/s),
somado à vazão determinada nas análises de
percolação para a máxima altura (0,03 l/s).
Com base nesta vazão e aplicando fatores de
redução para às propriedades do material e de
segurança para a majoração das vazões e tendo
em conta uma geometria de instalação
previamente estabelecida (largura das faixas e
espaçamento entre eixos dos mesmos),
determina-se a capacidade drenante requerida
aos geocompostos drenantes.
A equação para determinar a capacidade
drenante requerida está apresentada a seguir:
PDR 
Q MAX  FR GLOBAL
 FS
L FAIXA  n FAIXAS
(3)
Onde:
PDR: capacidade drenante (l/s/m);
QMÁX: vazão máxima de contribuição
(l/s)
FRGLOBAL: fator de redução global;
LFAIXA: largura da faixa (m);
nºFAIXAS: número de faixas;
FS: fator de segurança.
4.3
Dimensionamento dos Geotubos
Para o dimensionamento dos geotubos
empregados no sistema de drenagem interna
devem ser avaliadas suas propriedades
mecânicas, de durabilidade e hidráulicas.
Os geotubos devem apresentar resistência à
compressão diametral suficiente para suportar
as cargas sobrejacentes, restringindo as
deformações radiais e axiais aos valores
máximos estabelecidos pelas normas vigentes.
Também deverá apresentar a resistência
adequada às possíveis degradações químicas e
biológicas impostas pelo meio, além de
resistência à fluência.
Com relação aos aspectos hidráulicos, os
geotubos devem possuir capacidade de vazão
suficiente para coletar e transportar os fluxos de
água convergentes ao sistema de drenagem
interna de um determinado trecho.
A capacidade drenante (vazão) dos geotubos
é determinada através da equação de Manning,
descrita por Porto (1999), sendo esta
apresentada a seguir:
Q
A 2 3 0,5
 Rh  i
n
(4)
Onde:
Q: capacidade drenante dos tubos (m³/s);
A: área da seção (m²);
n: coeficiente de rugosidade;
Rh: raio hidráulico (m)
i: declividade (m/m)
Para a determinação do diâmetro dos
geotubos a serem empregados no sistema de
drenagem interna devem ser calculadas as
vazões acumuladas entre o ponto inicial de
captação e o ponto final de determinado trecho,
local onde deve ser prevista e executada
estrutura de deságue lateral. Registra-se que as
estruturas de deságue lateral podem representar
importantes dispositivos de controle e
monitoramento dos fluxos, possibilitando
identificar trechos com danos indesejáveis.
Caso sejam verificadas vazões acumuladas
superiores a capacidade do geotubo, pode-se
empregar um geotubo com maior diâmetro ou
segmentar os trechos de contribuição,
reduzindo a extensão dos mesmos.
5
CONCLUSÕES
A execução de sistemas de drenagem interna
para dissipação de subpressões é essencial para
garantir a integridade de canais revestidos com
geomembrana e concreto.
Neste estudo, para o dimensionamento do
sistema de drenagem interna, foram realizados
cálculos hidráulicos e análises de percolação,
sendo possível determinar as vazões advindas
de possíveis danos no revestimento, além de
volumes percolados pelo maciço de fundação.
A determinação da vazão de contribuição
permitiu dimensionar os materiais utilizados no
sistema de drenagem interna. Dentre os
materiais empregados na execução do sistema
de drenagem interna, podem ser destacados os
geocompostos drenantes, instalados nos taludes
do canal e os geotêxteis e geotubos instalados
em trincheira drenante executada sob o fundo
do canal.
Atualmente, o emprego de geossintéticos em
substituição aos materiais naturais nas obras de
drenagem, apresenta-se como prática usual e
extremamente vantajosa. Os geossintéticos
proporcionam otimização no cronograma
construtivo da obra, controle de qualidade dos
materiais utilizados e redução no custo final.
Cabe ressaltar, que o conhecimento das
propriedades dos geossintéticos e das
características do meio em que o mesmo estará
inserido, são condições essenciais para o
correto dimensionamento e seleção do material.
REFERÊNCIAS
Aguiar, P.R. e Vertematti, J.C. (2004a). Introdução,
Manual Brasileiro de Geossintéticos. Editora Edgard
Blücher, São Paulo, Brasil, pp. 1-12.
Aguiar, P.R. e Vertematti, J.C. (2004b). Aplicações em
Filtração, Manual Brasileiro de Geossintéticos.
Editora Edgard Blücher, São Paulo, Brasil, pp. 175198.
Giroud, J.P. & Bonaparte R. (1989). Leakage Through
Liners Constructed with Geomembranes – Part I –
Geomembrane
Liners.
Geotextiles
and
Geomembranes, Vol. 8, nº 1, pp 27-67.
Holtz, R.D., Christopher, B.R. & Berg, R.R. (1995).
Geosynthetic Design and Construction Guidelines.
Federal Highway Administration, FHWA-HI-95-038,
Washington, EUA, 460p.
Porto, R.M. (1999). Hidráulica Básica. EESC – USP,
São Carlos, 519p.
Weber, C.T. & Zornberg, J.G. (2008). Numerical
Analysis of Leakage through Geomembrane Lining
Systems for Dams. The First Pan American
Geosynthetics Conference & Exhibition, Cancun,
Mexico, pp 1728-1734.