Escolha do Sistema de Rebaixamento

Como realizar o Dimensionamento e Escolha do Sistema de Rebaixamento

Atualmente no Brasil existem vários tipos diferentes de sistemas para efetuar o rebaixamento do lençol freático, o que inevitavelmente, ao necessitarmos da execução desse serviço, gere no engenheiro dúvidas sobre qual sistema utilizar e sobre a configuração desse sistema. A Escolha de qual Sistema de Rebaixamento adotar deve ser tomada com bastante cuidado, existem alguns aspectos que devem ser levados em consideração antes de tomar uma decisão, pois um equívoco na escolha pode gerar uma elevação significativa no custo total do serviço, assim como um erro de dimensionamento do sistema pode causar um insucesso no rebaixo.

É necessário que o engenheiro quando for dimensionar o rebaixo analise alguns fatores que lhe darão capacidade de escolher o sistema mais adequado. A primeira coisa que deve ser analisada segundo ALONSO (2007 p, 107) é o cálculo da vazão necessária á retirar do subsolo através da equação = (Q = vazão, k = coeficiente de permeabilidade, i = gradiente hidráulico que é a perda de carga pela unidade de comprimento, A = área total da seção transversal da massa de solo) porém é muito difícil que os valores das variáveis envolvidas sejam precisos e também ocorre que necessitamos lidar com alguns fenômenos como presença de substratos heterogêneos (cuja permeabilidade horizontal é diferente da vertical) ou fluxo tridimensional, fazendo com que essa fórmula seja apenas para um pré dimensionamento que deverá ser ajustado no campo de obra após o inicio dos trabalhos. Para esse ajuste é necessário que durante a instalação do sistema seja instalados os instrumentos medidores de nível d’água e da vazão para que fossa ser feita uma comparação entre a situação real do rebaixamento com o projetado. Há também outros aspectos importantes para serem considerados, cabe ao engenheiro buscar um conhecimento aprofundado de cada sistema, pois o tipo de solo, o tamanho do rebaixo, em profundidade e em circunferência, o tipo do aquífero, todos esses fatores influenciam no dimensionamento e escolha do sistema, assim como o custo de cada sistema, sempre temos que associar a capacidade do sistema com seu custo, para que possamos encontrar a maior eficiência com o menor custo possível.

Dimensionamento

Segundo VELLOSO (1987 p, 14) para dimensionar um sistema de rebaixamento é necessário utilizar alguns conceitos teóricos que são muito simples que são utilizados na definição e projeto do rebaixamento.
Na maioria dos casos que se emprega o rebaixamento em áreas restritas, que possuem pequenas dimensões em planta, é essencial primeiramente definir o valor que terá o raio de influência do rebaixamento (R), que nada mais é do que uma aproximação feita da distância entre o centro da área a ser rebaixada e onde o abaixamento do lençol passa a ser desprezível, isso quer dizer que o nível dinâmico (ND) será aproximadamente igual ao nível estático (NE), que é o nível inicial do lençol freático da região.

Casos comuns de aquífero

Segundo VELLOSO ( 1987, p 09) é possível estabelecer algumas situações comuns que acabam enquadrando uma grande parte dos problemas de escavação abaixo no nível estático(NE) do lençol freático. Por isso é importante que o engenheiro civil se familiarize com os diferentes tipos de aquíferos que inevitavelmente será encontrado afim de estar melhor preparado as diferentes situações.

Aquífero uniforme e gravitacional

Podemos ver na figura 9 um caso bastante recorrente que é uma escavação que penetra parcialmente dentro de uma camada aquífera, com uma altura de água (H) sobre sua base, que é formada por um solo praticamente impermeável.

 

Para que seja possível manter o local de escavação seco, é necessário contornar a área a cavar com um sistema de poços, aquífero deverá ser bombeado para se manter em um nível dinâmico (ND) situado fora da área a escavar. Para definir o sistema a ser usado, o ponto básico que se dispõe é a espessura máxima que deve ter o nível de água dinâmico (ℎ) no centro da escavação. Unindo o conhecimento dessa informação com a geometria da escavação, a geometria do aquífero e do coeficiente de permeabilidade (k) é possível determinar uma disposição em planta do poços com uma quantidade (n) de poços, a vazão contínua necessária para cada poço () a espessura correspondente (ℎ) do nível de água dinâmico na entrada de cada poço, que deve penetrar, sob esse nível, em uma determinada espessura mínima (ℎ) que é necessária para que o aquífero circundante ao poço possa fornecer uma vazão () jamais inferior à vazão calculada (). Sempre que temos um caso onde o nível dinâmico do lençol freático se encontra no interios de uma camada aquífera podemos dizer que o fluxo é gravitacional.

Aquífero uniforme e artesiano

Já na figura 10 podemos ver o caso de um aquífero que possui uma espessura (D), confinado entre camadas de solo praticamente impermeáveis. Ao analisarmos a figura, podemos perceber que a escavação não se encontra com o lençol freático,
esse tipo de escavação que ocorre exclusivamente no solo impermeável poderia inclusive ser realizada sem o auxílio do rebaixamento do aquífero, porém ocorre que se as pressões da água () no aquífero forem altas (= x ℎ), ao ponto de serem maiores que o peso de terra do solo impermeável, localizado logo abaixo do fundo da escavação ( = ×ℎ) o solo pode acabar se rompendo, e em virtude disso, ocorrer uma grande penetração de água e de solo no fundo da escavação, vindo da camada aquífera. Por conta disso se torna necessária a execução do rebaixamento do lençol freático que vai ajudar a reduzir a pressão na camada aquífera. É também importante que, nesse caso, a altura da água no centro da escavação (ℎ) se encontre abaixo do nível mais fundo da escavação, pois nesse caso, além de se alcançar um nível aceitável de segurança à ruptura do fundo (FS > 1,5 para ℎ ≤ + ℎ) previne-se qualquer migração indesejada da água do aquífero para dentro da escavação, por causa de descontinuidades casuais na camada impermeável, que poderia ocorrer quando ℎ > + ℎ. Em casos assim onde os níveis dinâmicos, ou pressões, se encontram acima no nível mais alto da camada aquífera, se diz que o fluxo na camada aquífera é artesiano.

 

Aquífero uniforme e semi-artesiano

Nesse caso como podemos analisar na figura 11 a escavação adentra parcialmente na camada aquífera confinada. Em situações como esta, com a utilização do
rebaixamento teremos um fluxo gravitacional nas imediações da escavação e na zona mais distante do tipo artesiano. Por isso quando encontramos esse caso pode-se dizer que o fluxo é semi-gravitacional, artesiano-gravitacional ou semi-artesiano.

 

Aquífero uniforme com fluxo gravitacional máximo

Em outra situação, podemos encontrar um caso extremo de fluxo gravitacional, que é quando a escavação atravessa toda a camada aquífera como podemos ver na figura 12. Em uma situação como essa, é praticamente impossível evitar que algum volume de água acabe penetrando no interior da escavação, já que os sistemas de bombeamento através de poços não são contínuos, outro fator que contribui para que seja difícil impedir que a água adentre na escavação é porque a altura da água (ℎ) nos poços deve ser maior ou igual o valor da altura (ℎ) necessária para que a vazão ( = ) calculada seja fornecida pelo aquífero. O que deve ser buscado nesse caso é diminuir ao mínimo a altura da água jusante aos poços (ℎ) a tal ponto que as nascentes sejam praticamente insignificantes e fáceis de controlar para que qualquer problema inesperado na obra evitado. Ocorre algo muito parecido e com bastante recorrência em rebaixos para escavações em solo residual de gnaisse ( explicar o que é gnaisse). A compacidade desse solo pode sofrer um aumento
grande a uma dada profundidade fazendo com que o estrato inferior que se manteve menos alterado constituir-se uma camada impermeável em relação ao estrato superior.

 

Aquífero intercalado por camada impermeável

Esse é um caso um pouco mais complexo que os vistos anteriormente, é verdade que muito comumente encontramos essa situação onde no subsolo temos duas camadas aquíferas separadas por uma camada impermeável. Nesse caso o dimensionamento para o rebaixo deve contemplar que deve-se ocorrer um rebaixo simultâneo nas duas camadas aquíferas, superior e inferior, que conforme a figura 13 constituem um aquífero gravitacional e um artesiano respectivamente.

Quando temos uma situação onde o coeficiente de permeabilidade inferior (2) for maior que o coeficiente de permeabilidade superior (1), pode-se considerar como hipótese de solução subdrenar através de drenos verticais que cortam a camada impermeável a água do aquífero superior para o inferior, nesse caso é imprescindível verificar no dimensionamento se esses drenos serão capazes de que penetre no aquífero inferior a vazão (1) que é necessária para rebaixar de forma satisfatória o aquífero superior.

Fonte linear próxima a escavação

Outra situação muito comum é quando nas imediações da escavação se tem a presença de uma fonte linear de abastecimento de água livre para dentro da camada aquífera no subsolo, essa fonte pode ser constituída por mar, lago, reservatório ou rio, veja um exemplo dessa situação na figura 14.

Em situações como essa a vazão () necessária para rebaixar o lençol freático é condicionada pelo fluxo da água livre em direção a área de escavação pelo interior da camada aquífera. Nesse caso praticamente admite-se que, a contribuição do aquífero é insignificante se comparado com o grande afluxo de água cindo da fonte linear.

Recarga de um aquífero

Outra situação muito comum, encontrada ao executar o rebaixamento temporário do aquífero, é um eventual problema de recalques, que são deformações, construções vizinhas. Esse tipo ocorre quase que exclusivamente onde o abaixamento do lençol freático é expressivo e o solo do aquífero é constituído por material muito fofo, ou então quando a camada impermeável mais profunda é formada por solos muito compressíveis, como argilas moles. Uma medida que pode ser tomada a fim de evitar esse problema seria reduzir o máximo possível o abaixamento do lenço de água abaixo da construção, pois assim o rebaixo não aumentaria significativamente o peso próprio da camada. Podemos evitar o rebaixo excessivo do lençol carregando o aquífero entre a escavação e a obra, injetando parte da água recolhida no rebaixo de volta no subsolo, conforme é exemplificado na figura 15. Assim a fonte
injetada formaria uma fonte linear que abasteceria de água o rebaixamento, reduzindo assim o abaixamento sob a construção.

 

Formulários de cálculo para Escolha do Sistema de Rebaixamento

Formulário para Fonte Circular

Segundo Velloso (1988), os dados principais que são utilizados para o dimensionamento do projeto de rebaixamento foram desenvolvidos por Mansur em 1962.
Na maioria dos casos, a área que será rebaixada possui pequenas dimensões em planta, que pode ser quadrada ou retangular com semi-lados ( 1e2) e pode ser também circular com raio (A) como podemos ver na figura 16

No caso mais comum referente a áreas restritas com pequenas dimensões em plantas, é necessário primeiramente, definir o reio de influência do rebaixamento (R), que como vimos anteriormente, é a distância entre o centro da área a ser escavada e o nível dinâmico (ND) que é onde o rebaixamento do aquífero se torna insignificante. As fórmulas utilizadas para o cálculo se diferem de acordo com o tipo de aquífero que teremos na escavação, por conta disso teremos uma equação diferente para cada fluxo ( gravitacional, artesiano e semi artesiano)
A equação utilizada para o cálculo do fluxo gravitacional será:
2−ℎ2=1 (..ln)= ,
onde representa o Fator de fluxo no centro de uma área, para compreender a equação analise a figura 17

No caso de um fluxo artesiano a equação será: 2−ℎ2= 2 veja na figura 18 uma representação desse aquífero.

 

Para um fluxo semi-artesiano temos a expressão: 2−2−ℎ2= , a figura 19 ilustra esse aquífero.

Para estimar o valor de R usamos a expressão de Sichardt: ≅1.Δℎ.√, onde a constante 1 tem um valor da ordem de 3000 e os demais valores são fornecidos em metros e segundos. Assim , ao definir o valor de ℎ necessário para o rebaixamento da área e com os valores de A, R, k, D e H conhecidos podemos estabelecer uma relação entre o número de poços (n) e a vazão mínima correspondente por poço ().
Quando temos uma área retangular ou quadrada o raio(A) se dá pela expressão:
≅2 √1 2.
Para cálculo do ℎ em fluxo gravitacional temos a seguinte equação: 2−ℎ2=1 [.ln (−1)]=
Já para fluxo artesiano temos:
−ℎ=2

Formulário para fonte Linear

Em situações em que a escavação da obra é muito longa e estreita, e é constatada a necessidade do rebaixamento do aquífero, como por exemplo abertura de canais e implantação de tubulações, os sistemas de rebaixamento são na em sua maioria instalados em linhas de poços, geralmente duas, que ficam uma de cada lado da escavação, o fluxo nesse caso é bidimensional, com uma largura em planta igual ao afastamento entre os poços (a).
Como no caso anterior, este também possui expressões particulares que são usadas para definir e projetar os sistemas de rebaixamento, desta vez com fonte linear, seja ela natural ou arbitrada (L=R).
Nesse caso o dado básico que irá condicionar o cálculo será a altura de água máxima permitida a jusante da linha de poços: ℎ=ℎ+Δℎ
Para entender a expressão para fluxo gravitacional abaixo, analise a figura 20 2−ℎ2=( 2+1ln2 ) Δℎ2= ln2

Já a figura 21 nos ajuda a compreender as equações para fluxo artesiano: −ℎ=( +12 ln2 ) Δℎ=2 ln2

Na figura 22 compreendermos as equações para fluxo semi-artesiano: 2−2−ℎ2=(2+1 2 )

Seção de uma fonte linear com aquifero semi-artesiano.
Fonte: Velloso, (1988, p. 26)

 

Formulação Genérica

Em casos que a disposição em planta dos poços não é bem definida, como nos casos anteriores podemos adotar uma fórmula geral para o cálculo da altura de água (ℎ) em um ponto qualquer (P) da área, ou num poço (ℎ) qualquer (j).
Quando houver uma fonte circular ao redor de cada poço () as expressões seriam;
Para fluxo gravitacional em um ponto P qualquer: 2−ℎ2=1 (Σ==)=
Para fluxo artesiano em um ponto P qualquer: −ℎ=2
Para fluxo gravitacional em um poço j qualquer: 2−ℎ2=1 (+Σln==≠)=
Para fluxo artesiano em um poço j qualquer: −ℎ=2
Quando houver uma fonte linear próxima aos poços teremos as seguintes expressões;
Para fluxo gravitacional em um ponto P qualquer: 2−ℎ2=1 (Σ==1)=′
Para fluxo artesiano em um ponto P qualquer: −ℎ=′2
Para um fluxo gravitacional em um poço j qualquer: 2−ℎ2=1 (2+Σln==1≠)=′
Para um fluxo artesiano em um poço j qualquer: −ℎ=′2

Tempo de abaixamento do lençol freático

Geralmente quando temos uma área pequena, é necessário pouco tempo para que o aquífero seja abaixado, geralmente alguns dias. Quando trabalhamos com grandes áreas, principalmente quando lidamos com abaixamentos apreciáveis do lençol freático, o tempo de abaixamento pode ser um problema, necessitando assim de um reforço na capacidade inicial da vazão do sistema que será instalado.

O tempo preciso para rebaixar o lençol freático () que possui espessura (H), até um nível dinâmico estabilizado no centro da área de escavação (ℎ) pode ser estimado pela equação a seguir onde (∈) é a porosidade específica do aquífer, () o volume total do aquífero rebaixado, () é a área entre as curvas de vazão total. = ∈ (−ℎ)

Escolha do Sistema de Rebaixamento

Segundo GRANDIS(1998) existem pelo menos 5 fatores que devem ser analisados ao definir o sistema de rebaixamento, pois influenciam diretamente na eficiência dos mesmo. Tais fatores são:

1.  Configuração da obra
2.  Condições de subsolo
3.  Profundidade do rebaixamento relacionada pela quantidade de água a ser bombeada
4.  Efeito do rebaixamento em estruturas vizinhas
5.  Natureza do aquífero que já foi tratado anteriormente

 

O tipo de obra em que vai ser realizado o rebaixamento influencia na escolha do sistema pois os diferentes sistemas possuem capacidades de rebaixamento e valores distintos um dos outros, em escavações rasas que variam de 4 a 6 metros é usual adotar o sistema de ponteiras filtrantes, pois seu custo se torna mais acessível.

Quando a necessidade de rebaixamento ultrapassa os 6 metros em lugares limitados, deve-se usar sistemas de poços profundo com bombas submersas para grandes volumes de água ou com bombas injetoras para pequenos volumes de água.

De qualquer modo, é imprescindível um vasto conhecimento das dimensões em planta da obra, assim como de todos os níveis da escavação. Veja na tabela 1 um comparativo entre os principais métodos, suas vantagens e desvantagens.

Sistema	Campo de Aplicação	Vantagens	Desvantagens
Ponteiras Filtrantes	Areia fina a média siltosa Escavações rasas e pouco profundas	Instalação rápida e fácil Baixo custo Flexível Rebaixamento localizado	Dificuldade de instalação em cascalho Rebaixamento Limitado Necessidade de vários níveis para rebaixamentos maiores Necessidade de supervisão da operação Instalação junto da escavação
Poços de Bombeamento com Bombas Injetoras	Areia média até cascalho Rebaixamento de lençóis escalonados Escavações pouco profundas	Instalação Simples Baixo custo Baixa manutenção Rebaixamento localizado	Baixa vazão Profundidade limitada Necessidade de supervisão da operação Necessidade de geradores reservas para falta de energia Instalação próxima da escavação
Poços de Bombeamento com Bombas Submersas	Areia fina siltosa até cascalho Rebaixamento de lençóis escalonados Rochas porosas e fraturadas Escavações profundas e subterrâneas	Instalação a qualquer profundidade Sem limite para o rebaixamento Instalação afastada da escavação Vazões elevadas Muito eficiente em lençóis confinados	Custo elevado Necessidade de supervisão da operação Necessidade de geradores reserva para falta de energia Grande área de influencia
Galeria de Drenagem	Grandes vazões Estabilização de escorregamentos Cavas de mineração Fundações de barragens	Sem limite para o rebaixamento Funciona por gravidade Permite galerias auxiliares Área de influencia ampliada com drenos	Custo inicial elevado da operação
DHP Drenos Horizontais Profundos	Rochas ou solos Drenagem localizada de camadas do maciço geológico, aquíferos sob pressão em tuneis escavados em maciços de solo, taludes de corte e fundação de aterros	Efeito localizado Posicionamento individual Comprimento dos drenos no máximo  metros	Para melhor eficiência pode ser aplicada uma sucção por meio de uma bomba de vácuo Posicionamento é executado por tentativa
Bombeamento Direto	Obras de pequena duração	Fácil construção	Probabilidade de carregamento de partículas finas Recalques acentuados em estruturas vizinhas a escavação
Eletrosmose	Solos siltosos Solos argilosos Estabilização do solo de talude e fundo de poço	Acelera o movimento da água nos vazios do solo	Utilização de muita energia elétrica Não é muito utilizado no Brasil

 

Outro fator que tem grande influência na escolha do sistema é , segundo GRANDIS (1998) é a formação geológica e a natureza do subsolo em que a obra será executada. A permeabilidade e a drenabilidade de um solo ou uma rocha influenciam na escolha do método de rebaixamento. Podemos analisar na figura 22
a aplicação de cada método de acordo com a granulometria do solo em que se encontra a obra.

 

O efeito que o rebaixamento irá causar nas estruturas adjacentes, é um fator muito importante a ser analisado e monitorado durante a execução desse processo, pois o rebaixamento induz uma diminuição das pressões neutras, o que gera um correspondente aumento das pressões efetivas, criando a possibilidade de recalques indesejáveis em estruturas vizinhas, ou até mesmo de longas distâncias, entre 50 a 100 m.

A maior parte dos casos de recalques, ocorrem em construções leves apoiadas em argila mole ou turfa, superficiais, que ficam acima de aquíferos muito permeáveis. È total responsabilidade do projetista considerar essas possibilidades, e de acordo com a necessidade, recomendar as medidas cabíveis para evitar os recalques, tais medidas podem ser a instalação de pinos de recalque ou até selamento de trincas e fissuras existentes. Em casos mais complexos se deve procurar as medidas jurídicas cabíveis.

Referencias Bibliográficas

ALONSO, Urbano Rodriguez. Rebaixamento Temporário de Aquíferos – São Paulo: Oficina de Textos, 2007
CAPUTO, Hometo Pinto. Mecânica dos solos e suas aplicações, volume 1. 6ªed., rev. e ampl., – [Reimpr.]. – Rio de Janeiro : LTC, 2013.
CAVALCANTI, Erinaldo Hilário. Notas de aula – Aracajú – SE , 2003
GRANDIS, Ivan. Rebaixamento do lençol D’água em Fundações: teoria e prática, 2ªed. – São Paulo : Pini, 1998
PINTO, Carlos de Sousa. Curso Básico de Mecânica dos Solos em 16 Aulas, 3ªed. – São Paulo: Oficina de Textos, 2006.
.VELLOSO, Pedro Paulo Costa. Teoria e Prática de Rebaixamento do Lençol D’água – Rio de Janeiro : LTC, 1988