estudo de implantação de um programa de monitoramento de encostas na br 116
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ESTUDO DE IMPLANTAÇÃO DE UM PROGRAMA DE
MONITORAMENTO DE ENCOSTAS NA BR-116
Rita Moura Fortes Universidade Federal do Amazonas - UFAM
Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
ERI - "Engineering and Research Institute" Pesquisas Ltda
Waheed Uddin Center for Advanced Infrastructure Technology (CAIT)
University of Mississippi, USA
Ailton Frank Barbosa Ressutte Universidade de São Paulo - USP
Departamento de Engenharia de Transportes, Escola Politécnica
Valéria Cristina de Faria
Luis Miguel Gutierrez Klinsky
Centro de Pesquisa Rodoviárias CCR Nova Dutra
RESUMO Eventos climáticos extremos têm se tornado cada vez mais frequentes e relevantes devido às mudanças
climáticas no mundo e no Brasil. Vários estados brasileiros, como São Paulo, Rio de Janeiro, Santa
Cataria, Rio Grande do Sul, entre outros, têm sido fortemente afetados nos últimos anos por eventos
climáticos extremos que causaram inundações, deslizamentos de terra e movimentos de massa de
várias categorias. Cientistas e governos do mundo estão procurando compreender a natureza das
alterações que ainda são possíveis de acontecer durante o século 21. Para as áreas sujeitas a riscos de
desastres é importante identificar o processo que faz com que estes riscos ocorram além de analisar as
características de sua dinâmica de evolução para posterior gestão dessas áreas. O estudo de novas
técnicas para monitoramento de processos de erosão ganhou grande destaque, constituindo um grande
desafio para os pesquisadores. Desenvolver uma nova tecnologia para monitorar encostas, a fim de ter
um novo sistema de aviso de desastres naturais que combinam técnicas de geoprocessamento em forma
de Sistemas de Informações Geográficas (SIG) e levantamentos de campo sistemáticos (geológicas e
geotécnicas seções) é algo a ser analisado. O objetivo deste estudo se trata de um monitoramento de
encostas, próxima a Serra das Araras, tendo como base as melhores práticas internacionais, através da
instrumentação, observação do seu comportamento, a análise do local de estudo e ainda o mapeamento
de áreas de risco no trecho estudado na rodovia.
Palavras-chave: Monitoramento; SIG; Geotecnia; Instrumentação; Áreas de Risco.
1. INTRODUÇÃO
Os acontecimentos climáticos extremos têm se tornado cada vez mais relevantes e
frequentes em função das mudanças climáticas no mundo e no Brasil. Diversos
estados brasileiros como São Paulo, Rio de Janeiro, Santa Cataria, Rio Grande do Sul
entre outros, têm sido fortemente afetados nos últimos anos por eventos climáticos
extremos que têm provocado inundações, enxurradas e movimentos de massa de
diversas categorias.
Com as perspectivas de transformações climáticas, cientistas e governantes do planeta
tem buscado compreender a natureza das transformações que possivelmente ocorrerão
durante o século 21. Para o convívio adequado em áreas sujeitas aos riscos de
desastres é importante à identificação dos processos causadores de riscos e as
caracterização da sua dinâmica de evolução para posterior gerenciamento dessas áreas
e riscos (Teixeira, 2005).
Esses fenômenos têm apresentado consequências catastróficas com alto número de
perdas de vidas humanas e perdas econômicas. Em Santa Catarina, a catástrofe de
novembro de 2008 foi o evento mais intenso desse gênero ocorrido no estado que
segundo Castro et al. (2003) afetou cerca de 1,5 milhões de pessoas, com mais de
uma centena de mortes e foi mais um sinal desses novos tempos.
O crescimento acelerado e desordenado das cidades, especialmente nas zonas
periféricas, conexo à falta de política habitacional tem ocasionado graves problemas
sociais como a ocupação humana em encostas avaliadas como áreas de risco, expondo
a população a diversos perigos destacando-se os riscos de deslizamentos.
Os deslizamentos estão enquadrados segundo Castro et al. (2005) no conjunto de
risco natural, no qual estão incluídos os processos e eventos de origem naturais. A
natureza destes processos é bastante diferente nas escalas temporal e espacial, por isso
o risco natural pode apresentar-se com distintos graus de perdas, em função da
amplitude, da abrangência espacial e do tempo de atividade dos processos avaliados.
Mesmo com o acompanhamento, na maioria das vezes deficiente, das ocupações das
encostas pelo Poder Público, é frequente à ocorrência de deslizamentos decorrentes da
intensidade e duração das chuvas, lançamento de águas servidas, remoção da
vegetação, cortes e aterros inadequados, deposição de lixo, entre outras causas (Wolf
e Ghilani, 1997).
O estudo de novas técnicas para o monitoramento de processos erosivos vem
ganhando cada vez mais ênfase, constituindo um elevado desafio para os
pesquisadores, logo o presente artigo tem como foco apresentar uma descrição das
etapas dessa pesquisa que irá consistir a concepção e implantação de um sistema de
instrumentação e monitoramento de encostas que permitirá acompanhar e avaliar
parâmetros geológico-geotécnicos, hidrológicos e ambientais na rodovia BR116.
2. METODOLOGIA
Foi realizado levantamento bibliográfico sobre a literatura específica nacional e
internacional apresentando o estado de arte sobre o assunto para o desenvolvimento e
implementação do software de monitoramento de encostas.
Após análise, foi definida para a área de estudo o trecho entre os km 219 e km 228 da
BR-116 - pista Norte, localizado próximo ao município de Piraí no Rio de Janeiro.
Segundo dados da concessionária CCR Nova Dutra foram registrados processos de
movimentação com acúmulo de detritos sobre a rodovia e interrupção de tráfego
nesse local, decorrentes das precipitações pluviométricas de extrema intensidade que
ocorreram no estado de São Paulo.
Foi definido junto a CCR que será realizado na primeira etapa do estudo a instalação
de equipamentos de instrumentação utilizados para a captação de dados para análise
de aspectos geológico-geotécnicos, hidrológicos e ambientais, que envolverão
medições de variações de poro-pressões, deslocamentos da massa de solo,
deformações do sistema de contenção e precipitações sendo que esses dados, serão
posteriormente compilados junto com todos os dados do Sistemas de Informações
Geográficas (SIG) disponíveis a partir de fontes que serão colhidas
planimétricamente, além de verificação do uso e ocupação do solo ao longo da
rodovia;
Na segunda etapa será programada uma base de dados no SIG mapeando os limites da
estrada com a verificação de Obras de Arte Especiais (OAEs), aspectos geológico-
geotécnicos, hidrológicos, ambientais, além das comunidades lindeiras para
desenvolver um mapa e utilizar as imagens ordenadas de sites selecionados como
mapa base. Com isso será possível programar a avaliação onde poderão ocorrer
desastres nas seções em estudo, utilizando o software de monitoramento de encostas
onde ele indicará locais propícios a escorregamentos, incluindo planos para a proteção
de comunidades em locais vulneráveis.
3. PERICULOSIDADE SOBRE O RISCO DE DESLIZAMENTOS
Recentemente com o aumento da precipitação em todo o mundo, os desastres
naturais,como por exemplo as inundações, tiveram a sua intensidade e frequência de
chuvas amplificada, resultando em danos sem precedentes para a infraestrutura, perda
de propriedades, de vidas, interrupções comerciais, paralisação na produção industrial
e da vida cotidiana.
Em todo o mundo, 98% de todos os desastres naturais de 2.012 foram relacionados
com o clima, que afetou mais de 3,4 milhões de pessoas (Time, 12 de Maio de 2013).
Devido ao seu tamanho e localização geográfica o Brasil tem várias regiões
climáticas, que vão desde clima tropical a condições de neve no extremo sul.
Um longo período de chuvas associada a regiões montanhosas, normalmente resulta
em deslizamentos de terra. Este problema é agravado devido à ocupação
indiscriminada das colinas, especialmente por populações de baixa renda. Este
fenômeno ocorre principalmente na região sudeste do país.
Milhares de vidas foram perdidas nos últimos anos, como resultado de deslizamentos
de terras. Em 2011, as inundações e deslizamentos de terra afetaram mais de 100.000
habitantes, resultando na perda muitas vidas e foi responsável por US$ 1,2 milhões de
dólares em perdas econômicas (New York Times, 19 de janeiro de 2011).
Os deslizamentos de terra ocorrem geralmente na região sudeste do Brasil, perto do
Oceano Atlântico e nas partes montanhosas (Figura 1). Esta região é a mais
importante em termos de economia e que tem a maior densidade de população urbana.
No sudeste do Brasil, a camada superior da rocha é decomposto em solos residuais,
devido ao clima quente e chuvas abundantes. Portanto, as propriedades de engenharia
de solos residuais são diferentes daqueles dos solos transportados. A camada de
superfície é geralmente um material denominado solo laterítico homogénea e
estabilizada e a sua espessura é de cerca de 1 ou 2 metros (Fortes, 1991 e 1993).
Figura 1. (Esquerda) Mapa mundi deslizamento, (Direita) Deslizamento de terra
típico na região sudeste do Brasil (adaptado de [Ogura 2009]).
A camada inferior é denominada solo saprolítico, e muitas vezes tem mais de 10
metros de espessura (FORTES, 2003). O crescimento da população promove o
desmatamento. Como resultado do aumento da infiltração de água durante o período
chuvoso, a água das chuvas sobe entre o solo e a camada de rocha. Isso desestabiliza a
encosta que faz com ela entrar em colapso posteriormente.
Inundações e deslizamentos de terra atingiram cinco cidades no Rio de Janeiro,
localizado no sudeste do Brasil, em janeiro de 2011 (Figura 2). As cidades mais
atingidas foram Teresópolis, Nova Friburgo, Petrópolis, Sumidouro e São José do
Vale do Rio Preto, na região serrana do Estado. O governo estadual informou que 916
pessoas morreram. Um declínio da economia foi relatado em todos os setores da
indústria, agricultura, pecuária, comércio, turismo e serviços.
Figura 2. Deslizamentos nas cidades do Rio de Janeiro em 2011.
Esforços contra este tipo de catástrofes envolvem a avaliação visual dos impactos dos
desastres da inundação utilizando imagens de satélite como o Google Earth. No
entanto, é necessário um esforço concentrado para desenvolver um modelo preciso da
zona de gravidade no mapa com base em dados de elevação de alta precisão e alta
resolução de imagens de mapas base (Uddin e Durmus, 2012). São necessários mais
esforços para desenvolver estratégias para a prevenção de inundações, deslizamento
de terra, monitoramento remoto eficaz e a implantação de sistemas de alerta de
emergência.
4. SIG (SISTEMA DE INFORMAÇÃO GEOGRÁFICA)
Muitas técnicas sistemáticas e tecnologias vêm sendo propostas e utilizadas para
tentar gerenciar os inúmeros problemas que ocorrem associados a deslizamentos. Um
Sistema de Informações Geográficas consiste em um conjunto de ferramentas
computacionais utilizadas no geoprocessamento.
O SIG envolve desde a coleta e processamento de dados obtidos em levantamentos de
campo, mapas, sensoriamento remoto ou aerofotogrametria, até o armazenamento,
atualização e recuperação desses dados de forma eficiente (Uddin, 2011). Os dados
utilizados no SIG podem ser: gráficos/espaciais – descrevem características
geográficas da superfície – ou não espaciais – descrevem os atributos dessas
características.
Obtido o banco de dados, escolhidos a projeção a ser utilizado nos SIGs e feito o
georreferenciamento, pode-se fazer análises de diversos fenômenos sociais,
econômicos e ambientais. Semelhante à tecnologia CAD, quando se trabalha com os
SIGs, utiliza-se camadas (ou layers ou planos de informação), onde cada uma pode
representar diferentes dados e de formas diferentes. Em outras palavras, cada camada
tem dados georreferenciados de um tema (Barbosa et al., 2012).
Esses dados podem se apresentar na forma de imagens de satélite (Figura 3), que
representam partes da superfície terrestre. É muito comum, projetos envolverem áreas
que estão representadas em mais de uma imagem de satélite, sendo necessário juntar
essas partes. Há necessidade, então, de se formar um mosaico de imagens de satélites,
ou seja, juntar a imagens e fundi-las digitalmente.
Figura 3. Dados do SIG estimado para uma amostra da área portuária de Gulfport,
Mississippi.
Costa Nunes (1982) utilizou para a correção e prevenção dos escorregamentos
ocorridos, respectivamente, técnicas como medidas de segurança permanente
(taludamento, implantação de dispositivos de drenagem e proteção superficial),
medidas de emergência (implantação de gabiões, terra armada e protendida) e
interdição dos trechos estudados.
Estas abordagens anteriores foram complementadas com a inserção da utilização do
SIG como ferramenta básica de armazenagem e analise dos dados de interesse, além
da utilização de seções geológicos-geotécnicas de detalhe, levantada em campo ao
longo do trecho estudado.
5. CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO
O presente artigo foca na área de estudo que compreende o trecho entre os km 219 e
km 228 pista Norte da rodovia Presidente Dutra (BR-116), no trecho da Serra das
Araras, localizado próximo ao município de Piraí no Rio de Janeiro (Figura 4).
Segundo dados da concessionária CCR Nova Dutra foram registrados processos de
movimentação com acúmulo de detritos sobre a rodovia e interrupção de tráfego
nesse local, decorrentes das precipitações pluviométricas de extrema intensidade que
ocorreram no estado de São Paulo.
1-m Pre-Katrina
Ikonos Imagery
Water
Soil
Tree
Grass
Build/Conc
Asphalt
Water
Soil
Tree
Grass
Build/Conc
Asphalt
Legend
Pre-Katrina BANS Post-Katrina BANS1-m Post-Katrina
Ikonos Imagery
SDE Severity Level SDE Map Legend
1. Negligible or None
2. Minor
3. Major
4. Catastrophic
32.6%
28.5%
1.1%2.2%2.0%3.3%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
Ch
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Su
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Are
a,%
1
S
G T
A
B+C
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Absolute Percent Change in Surface
Class Area
50%
2%
26%
23%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
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80%
90%
100%
Weig
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DE
Are
a ,%
1
Weighted Composite SDE Area
West Side Sample-2
3. Major
1. Negligible
2. Minor
4. Catastrophic
SDE Area SDE MapPercent Change
(pre- to post)
Figura 4. Vista do trecho em estudo.
Com o objetivo de dar subsídios aos serviços preliminares à elaboração do projeto,
foram desenvolvidos estudos geológico-geotécnicos para dar apoio técnico na
avaliação da viabilidade técnica tendo em vista a escolha da melhor solução de
engenharia sob o ponto de vista técnico.
Nesta etapa de trabalho, foram levantados e analisados dados geológico-geotécnicos
preexistentes da região de interesse, de tal modo a orientar o estudo de alternativas.
Para tanto, foram consultadas plantas topográficas, mapeamentos geológicos,
sondagens executadas anteriormente no local e outros dados geológico-geotécnicos
disponíveis.
Nas investigações geotécnicas foram executadas sondagens mecânicas (mistas,
inclinadas rotativas, a percussão e a trado) e sondagens geofísicas pelos métodos de
sísmica de refração e elétrico. Para a determinação dos parâmetros a serem adotados
nos projetos geotécnicos relativos às obras previstas no trecho em estudo além da
realização de ensaios de caracterização de solos.
Para os projetos de pavimentação e aterros foram executados trados para coleta de
amostras deformadas para a elaboração de ensaios de caracterização, compactação e
CBR. Também foram executados poços dos pavimentos existentes visando a
identificação da estrutura destes, bem como foram realizadas coleta de amostras
deformadas para a realização de ensaios de caracterização, compactação e CBR.
5.1. Contexto geológico-geotécnico sobre a Serra das Araras
A região em questão se insere em unidade geológica constituída por granitos e
enclaves de gnaisses, que sustentam um relevo predominantemente forte ondulado,
com amplitudes elevadas e declividades entre 8 e 45%. Os litotipospertencentes a esta
unidade geológica, denominada de “Suite Serra das Araras”, constituem-se
principalmente de granitos que foram submetidos a tectonismo transcorrente em
diferentes graus de metamorfismo. A Figura 5 mostra a inserção da área de interesse
ao projeto em questão tendo-se como referência o Mapa Geológico do Estado do Rio
de Janeiro, CPRM (2.000), escala 1:500.000.
Figura 5. Mapa Geológico da região da Serra da Araras (Escala 1:500.000). Fonte:
Mapa Geológico do Estado do Rio de Janeiro, CPRM, 2000.
Sob o ponto de vista geotécnico, a unidade suite Serra das Araras apresenta horizonte
de solo residual que recobre rocha muito alterada a sã. O horizonte de solo residual
exibe espessura variável.
As condições de relevo são marcadas por encostas de alta declividade que apresentam
ocorrências de coberturas de solos transportados, representados por colúvios e
depósitos de tálus, nos quais são comuns a presença e matacões. Abaixo destes
materiais ocorrem solos residuais de natureza silto-arenosa, com espessuras médias de
15 metros até atingir a rocha.
Tais características, associadas a eventos de elevada pluviosidade, tornam as obras
para implantação de aterros e execução de cortes e aterros com potencial de riscos de
mobilização de matérias.
6. INVESTIGAÇÕES GEOTÉCNICAS
Como subsídio à elaboração do projeto, foi elaborada uma programação de
investigações geológico-geotécnicas através de sondagens mecânicas e ensaios
geofísicos, bem como de ensaios geotécnico, a qual seguiu as normas técnicas
consagradas no meio técnico.
6.1. Sondagens Mecânicas
Com o objetivo de identificar de forma preliminar as condições geológico-geotécnicas
do trecho em questão, foi elaborada uma primeira fase de sondagens mecânicas. Esta
fase da campanha de sondagens teve como objetivo principal a identificação do perfil
de alteração do maciço com a indicação de espessuras de solo residual, solo de
alteração, saprolito, rocha alterada e rocha sã, além da identificação de matacões nos
maciços graníticos.
Visou, portanto, estabelecer uma orientação para a definição de conceitos de projeto
no que se refere à definição de tipos de fundações, à qualidade do maciço na região do
túnel, bem como para a avaliação de cortes e identificação de solos moles. Dentro do
possível, as sondagens desta fase foram distribuídas de forma a buscar informações
preliminares do terreno de cada um dos viadutos previstos. Na Tabela 1 são
resumidos os quantitativos dos serviços de sondagens mecânicas realizadas para a
elaboração do projeto em questão.
Tabela 1. Quantitativos (N) dos serviços de investigaçõesgeotécnicas
6.2. Aterros
São materiais deorigemantrópica, também conhecidos como materiais do período
tecnogênico. Na região da Serra das Araras, os aterros ocorrem de forma abrangente.
Tipo de Sondagem N (Quantitativo) Critério de paralisação de perfuração
Sondagens Mistas
201 5 metros em rocha de boa qualidade (R1/R2)
12 10 metros abaixo do greide do túnel
02 10 metros em rocha sã (R1)
Sondagens Inclinadas 02 20 metros em rocha sã (R1)
Sondagens a Percussão
45 Até atingir o impenetrável a percussão
10 3 ensaios consecutivos com SPT superior a 20 golpes
15 10 metros ou impenetrável a percussão
Sondagens a Trado 42 2,5 metros
Poços de inspeção 11 1,5 metros
Os materiais classificados como aterro são provenientes, via de regra, das obras de
terraplenagem e cortes ocorridas durante a implantação da pista atual, na década de
1960. As espessuras destes depósitos, os quais ocorrem de forma predominante a
jusante da pista atual, são bastante variáveis em função do porte das intervenções
realizadas. As maiores espessuras foram nos setores médio e superior adjacentes à
pista atual no trecho da serra.
A constituição dos aterros também é bastante variada, apresentando solos
provenientes de cortes da pista atual entremeado por blocos de rochas, de tamanhos
variados, oriundos da detonação para execução dos cortes em rocha desta mesma
pista. Em grande parte, os solos são de natureza silto-arenosos contendo blocos de
rochas de composição graníticas.
6.3. Rochas do Embasamento Cristalino Pré-Cambriano
Constituem-se predominantemente por granitos foliados e de forma subordinada por
biotita-gnaisses, e seus respectivos solos originados por intemperismo (solos
residuais). Com relação à nomenclatura adotada para as rochas acima citadas, cabe
destacar o fato de que as rochas denominadas de granitos foliados também recebem a
denominação de granitos-gnaisses.
Apesar de preservarem a textura ígnea original, os granitos não são isentos de
metamorfismo e deformação, de forma que foi adotado o termo granitos-gnaisse para
designar estas rochas. Outros estudos referentes ao maciço rochoso da Serra das
Araras relacionam os conjuntos principais de litotipos como a biotita granito com
granada, protomilonítico a milonítico, localmente apresentado textura ígnea maciça
com matriz fina a média e fenocristais de feldspato e granada, biotita granito fino,
foliado, ocorrendo nas cotas acima de 290 metros e gnaisse bandado migmatítico,
com diversas injeções de leucograníticos, com matriz fina a média foliada.
6.4. Ensaios Geotécnicos
Para a determinação dos parâmetros a serem adotados nos projetos geotécnicos
relativos às obras previstas, foram realizados ensaios de caracterização de solos,
ensaios especiais (triaxiais adensados drenados e cisalhamento direto em amostras
mais arenosas) em amostras indeformadas.
Para dar subsídios aos projetos de pavimentação e aterros foram executados trados
para coleta de amostras deformadas para a elaboração de ensaios de caracterização,
compactação e CBR. Também foram abertas valas nos pavimentos existentes visando
à identificação da estrutura destes, bem como foram realizadas coleta de amostras
deformadas para a realização de ensaios de caracterização, compactação e CBR.
Ensaios de abrasão Los Angeles foram realizados em testemunhos de sondagens na
região do túnel. Estes ensaios visaram verificar a possibilidade de utilização do
material rochoso proveniente da escavação do túnel como material pétreo na execução
das obras previstas.
Quanto aos resultados dos ensaios abrasão “Los Angeles”, verificou-se que o material
ensaiado mostrou-se adequado como agregado, no entanto, ensaios específicos
deverão ainda ser executados para a determinação de outras características exigidas
conforme o uso a ser dado a estes materiais (agregados para pavimentação, concreto,
etc.).
7. RECOMENDAÇÕES FINAIS
A implantação do plano de monitoramento proposto foi apresentado em sua primeira
etapa que representou uma etapa de alta complexidade da pesquisa, exigindo um
planejamento detalhado e específico com base em características geológica-
geotécnicas do local de instalação, histórico de movimentações bem como a
delimitação dos objetivos de análise.
Os dados obtidos pela campanha de sondagens deram os subsídios à elaboração dos
perfis geológico-geotécnicos ao longo de todo o traçado previsto para o
empreendimento. Na campanha de investigações geotécnicas foram executadas
sondagens mecânicas (mistas, inclinadas rotativas, a percussão e a trado) e sondagens
geofísicas pelos métodos de sísmica de refração e elétrico.
Para trabalhos futuros será apresentado o desenvolvimento da implementação do
software de monitoramento. Por fim, as conclusões finais serão apresentadas
formalmente nos demais trabalhos científicos produzidos em decorrência deste
estudo, aos quais se somarão novos resultados.
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