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SELEO E DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE PROTEO DE
MARGENS DE RIOS. APLICAES PRTICAS
CRISTVO FILIPE NOBRE ANTO
Dissertao submetida para satisfao parcial dos requisitos do grau de
MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL ESPECIALIZAO EM HIDRULICA
Orientador: Professor Doutor Rodrigo Jorge Fonseca de Oliveira Maia
JULHO DE 2012
MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL 2011/2012
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
Tel. +351-22-508 1901
Fax +351-22-508 1446
! miec@fe.up.pt
Editado por
FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO
Rua Dr. Roberto Frias
4200-465 PORTO
Portugal
Tel. +351-22-508 1400
Fax +351-22-508 1440
! feup@fe.up.pt
! http://www.fe.up.pt
Reprodues parciais deste documento sero autorizadas na condio que seja
mencionado o Autor e feita referncia a Mestrado Integrado em Engenharia Civil -
20011/2012 - Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da
Universidade do Porto, Porto, Portugal, 2012.
As opinies e informaes includas neste documento representam unicamente o
ponto de vista do respectivo Autor, no podendo o Editor aceitar qualquer
responsabilidade legal ou outra em relao a erros ou omisses que possam existir.
Este documento foi produzido a partir de verso electrnica fornecida pelo respectivo
Autor.
Seleo e Dimensionamento de Estruturas de Proteo de Margens de Rios. Aplicaes Prticas
minha Famlia
Strive for perfection in everything you do. Take the best that exists and make it better.
When it does not exist, design it.
Sir Henry Roice
Seleo e Dimensionamento de Estruturas de Proteo de Margens de Rios. Aplicaes Prticas
Seleo e Dimensionamento de Estruturas de Proteo de Margens de Rios. Aplicaes Prticas
i
AGRADECIMENTOS
Quero agradecer minha famlia e amigos pelo apoio sem fronteiras a mim dedicado, tornando
possvel a elaborao deste trabalho, nas melhores condies.
Ao meu orientador Professor Doutor Rodrigo Maia e ao Hlder Magalhes, agradeo a pacincia,
dedicao e apoio na elaborao da tese.
Seria da mesma forma impossvel a finalizao desta etapa da minha vida sem a ajuda e companhia
especial do Eng. Jos Geraldes, Eng. Pedro Silva, Eng, Tiago Cunha, Tc. Joel Soares, Eng. Ricardo
Teixeira, da Mnica Anto e de todo o pessoal da especialidade de Hidrulica. Pelos momentos de
trabalho e de folia, com desejo que se prolonguem em momentos prximos, muito obrigado.
Obrigado
Seleo e Dimensionamento de Estruturas de Proteo de Margens de Rios. Aplicaes Prticas
ii
Seleo e Dimensionamento de Estruturas de Proteo de Margens de Rios. Aplicaes Prticas
iii
RESUMO
A eroso das margens dos rios, causada pelos caudais de escoamento maiores que o dominante,
expressa-se por alteraes geomorfolgicas nas fronteiras slidas do canal das sees mais expostas ao
desgaste, necessitando estas da mo do homem para travar o avano das guas em direo aos terrenos
e bens existentes nas zonas ribeirinhas que se entenda ser necessrio proteger.
A ponderao entre as tcnicas de engenharia tradicional ou de engenharia natural esbarra na
dificuldade de seleo de caratersticas pretendidas para a seleo da melhor estrutura de reabilitao
da margem, sendo esse o problema que se pretende resolver no contexto deste trabalho, partindo do
conhecimento do estado dessa arte at aos dias de hoje.
Para a obteno da metodologia de seleo e dimensionamento das estruturas de proteo de margens
de rios primeiramente apresentado o procedimento de avaliao do estado da margem para
reconhecimento das caratersticas da margem erodida e identificao dos problemas em questo, que
as estruturas de proteo apresentadas posteriormente, objetivam resolver. A fase principal reside na
delineao da dita metodologia, resultante da reunio de caratersticas hidrulicas, hidrolgicas,
geotcnicas, ambientais, ecolgicas, sociais, tcnicas e econmicas de um caso de estudo, de forma a
tornar a escolha da tcnica de reabilitao, o mais eficaz e adequada. A avaliao qualitativa e
quantitativa dessa seleo vai desenrolar-se em volta de uma adaptao da metodologia de
Biedenharn, por ser uma das escassas formais propostas de seleo em que os pontos prioritrios so
adequados proteo das margens.
Atravs da pontuao atribuda cumplicidade do cruzamento de caratersticas da margem e das
estruturas de proteo mais comuns e completas, conseguida atravs da observao in situ numa curta
e simples gama de recolha de dados, foi possvel obter uma forma de selecionar a estrutura que mais
vantagens oferece, nos vrios campos do contexto.
A aplicao da metodologia proposta ento feita para um troo de Lanheses, cujas margens do rio
Lima se encontram em signiticativo estado de degradao e eroso, de acordo com a ARH do norte, de
forma a serem obtidas as melhores solues para o caso, em comunho com as possibilidades tcnicas,
ambientais, econmicas, sociais e legais.
PALAVRAS-CHAVE: Eroso, proteo de margens, estruturas tradicionais, engenharia natural.
Seleo e Dimensionamento de Estruturas de Proteo de Margens de Rios. Aplicaes Prticas
iv
Seleo e Dimensionamento de Estruturas de Proteo de Margens de Rios. Aplicaes Prticas
v
ABSTRACT
Erosion of river stream banks resulting by the often higher flow rates than the dominant one, causing
geomorphological changes at the solid boundaries of the channel sections specifically at the most
exposed ones, need the help of man to halt the advance of the water toward the land and existing assets
by the riparian zones that necessarily needs protection.
The weighing scale between traditional engineering techniques or natural engineering ones collides
with the difficulty of selecting the desired features of the rehabilitation for the margin, which is the
problem to be solved in the context of this work, through the knowledge of the state of the art up to the
present day.
To obtain the selection and dimensioning methodology of riverbanks protecting structures is first
introduced the procedure for assessing the state of the stream bank, for recognition of the eroded
margins features and identification of the problems in question that in the end, the protective structures
presented aim to solve. The main phase resides at the delineation of that methodology, resulting from the assembly of hydraulic, hydrological, geotechnical, environmental, ecological, social, technical and
economical characteristics of a case study, in order to make the most effective and appropriate choice
of a specific rehabilitation technique. A qualitative and quantitative evaluation of this selection will
take place around an adaptation of Biedenharn methodology, for being one of the few formal
proposals for selection which priority points are adequate to stream bank protection.
Knowing the score attributed to the crossing connivance between the stream bank and most common
and universal protection structures characteristics, achieved with in situ observation and a simple range of data collection, it was possible to obtain a way to select the structure that most benefits offers,
at the different fields of context.
The methodology is then applied to a section of Lanheses, whose river banks of Lima river are
actually at a considerable state of degradation and erosion, according to the north ARH, as a way to
obtain the best solutions for the case, in communion with technical, environmental, economic, social
and legal limits.
KEYWORDS: Erosion, bank river protection, traditional structures, bioengineering.
Seleo e Dimensionamento de Estruturas de Proteo de Margens de Rios. Aplicaes Prticas
vi
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
vii
NDICE GERAL
AGRADECIMENTOS ................................................................................................................................... i
RESUMO .................................................................................................................................................. iii
ABSTRACT ............................................................................................................................................... v
1. INTRODUO ................................................................................................................... 1
2. ESTADO DA ARTE ....................................................................................................... 3
2.1. MBITO ............................................................................................................................................. 3
2.2. MTODOS ......................................................................................................................................... 4
2.2.1. CARATERIZAO DOS RIOS E DA EROSO .................................................................................. 4
2.2.2. CARATERIZAO DO ESTADO DA MARGEM ................................................................................. 4
2.2.2.1. BANCS ........................................................................................................................................ 4
2.2.2.2. Pfankuch ..................................................................................................................................... 5
2.2.3. TCNICAS DE SELEO DE ESTRUTURAS .................................................................................... 6
2.2.3.1. Biedenharn .................................................................................................................................. 6
2.3. ESTRUTURAS DE PROTEO DE MARGENS.................................................................................... 7
2.3.1. ESTRUTURAS DE PROTEO DE MARGENS TCNICAS TRADICIONAIS ................................... 7
2.3.2. ESTRUTURAS DE PROTEO DE MARGENS TCNICAS NATURAIS ........................................ 10
2.4. ANLISE CRTICA ........................................................................................................................... 15
3. ESTADO DA MARGEM ........................................................................................... 17
3.1. CARATERSTICAS DA MARGEM ..................................................................................................... 17
3.1.1. SOLOS ......................................................................................................................................... 17
3.1.1.1. Aspetos mecnicos granulometria ......................................................................................... 18
3.1.1.2. Estratificao do solo ................................................................................................................ 20
3.1.2. GEOMETRIA ................................................................................................................................. 21
3.1.2.1. Inclinao natural do talude ...................................................................................................... 21
3.1.2.2. Altura da margem ...................................................................................................................... 22
3.1.3. VEGETAO ................................................................................................................................ 22
3.1.3.1. Tipos de vegetao ................................................................................................................... 23
3.1.3.2. Localizao na envolvente ........................................................................................................ 23
3.2. CAUSAS DE INSTABILIDADE .......................................................................................................... 24
3.2.1. LOCALIZAO DA EROSO ......................................................................................................... 24
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
viii
3.2.2. TIPO DE ROTURA ........................................................................................................................ 25
3.2.2.1. Deslizamento ............................................................................................................................ 25
3.2.2.2. Derrube ..................................................................................................................................... 25
3.2.2.3. Eroso prolongada ................................................................................................................... 25
3.3. AES SOBRE A MARGEM ............................................................................................................ 26
3.3.1. AES ATUANTES ...................................................................................................................... 26
3.3.1.1. Velocidade ................................................................................................................................ 26
3.3.1.2. Tenso ...................................................................................................................................... 27
3.3.2. MOVIMENTO INCIPIENTE ............................................................................................................ 28
3.3.2.1. Velocidade crtica ..................................................................................................................... 28
3.3.2.2. Tenso crtica de arrastamento ................................................................................................ 29
3.4. ENVOLVENTE ................................................................................................................................. 30
3.5. CAUDAIS DE CHEIA ........................................................................................................................ 31
3.6. RECOLHA IN SITU .......................................................................................................................... 31
4. ESTRUTURAS DE PROTEO DE MARGENS: Critrios e Vantagens .................................................................................................................................. 33
4.1. MBITO .......................................................................................................................................... 33
4.2. ASPECTOS GERAIS DAS ESTRUTURAS DE PROTEO ................................................................ 33
4.2.1. MATERIAIS .................................................................................................................................. 34
4.2.2. ADEQUABILIDADE ....................................................................................................................... 35
4.2.3. RESISTNCIA .............................................................................................................................. 36
4.2.4. OPORTUNIDADES E LIMITAES ............................................................................................... 37
4.2.5. CUSTO ........................................................................................................................................ 38
4.3. ESTRUTURAS DE PROTEO ENGENHARIA NATURAL ............................................................. 39
4.3.1. REVEGETAO/ESTACARIA VIVA ................................................................................... 39
4.3.1.1. Aspetos da geometria .................................................................................................. 39
4.3.1.2. Adequabilidade aos fenmenos de instabilidade ............................................................. 39
4.3.1.3. Material necessrio ..................................................................................................... 39
4.3.1.4. Tenses resistentes .................................................................................................... 40
4.3.1.5. Impacto visual e ambiental ........................................................................................... 40
4.3.1.6. Custo ml da interveno .............................................................................................. 40
4.3.2. EMPACOTAMENTOS ...................................................................................................... 41
4.3.2.1. Aspetos da geometria .................................................................................................. 41
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
ix
4.3.2.2. Adequabilidade aos fenmenos de instabilidade ............................................................. 41
4.3.2.3. Material necessrio ..................................................................................................... 41
4.3.2.4. Tenses resistentes .................................................................................................... 41
4.3.2.5. Impacto visual e ambiental ........................................................................................... 42
4.3.2.6. Custo ml da interveno .............................................................................................. 42
4.3.3. MURO VIVO (LOG CRIBWALL) ......................................................................................... 43
4.3.3.1. Aspetos da geometria ................................................................................................. 43
4.3.3.2. Adequabilidade aos fenmenos de instabilidade ............................................................. 43
4.3.3.3. Material necessrio ..................................................................................................... 43
4.3.3.4. Tenses resistentes .................................................................................................... 43
4.3.3.5. Impacto visual e ambiental ........................................................................................... 44
4.3.3.6. Custo ml da interveno .............................................................................................. 44
4.4. ESTRUTURAS DE PROTEO ENGENHARIA TRADICIONAL ............................................... 44
4.4.1. GABIES ..................................................................................................................... 44
4.4.1.1. Aspetos da geometria ................................................................................................. 45
4.4.1.2. Adequabilidade aos fenmenos de instabilidade ............................................................. 45
4.4.1.3. Material necessrio ..................................................................................................... 45
4.4.1.4. Tenses resistentes .................................................................................................... 46
4.4.1.5. Impacto visual e ambiental ........................................................................................... 46
4.4.1.6. Custo ml da interveno .............................................................................................. 46
4.4.2. RIPRAP ....................................................................................................................... 47
4.4.2.1. Aspetos da geometria ................................................................................................. 47
4.4.2.2. Adequabilidade aos fenmenos de instabilidade ............................................................. 47
4.4.2.3. Material necessrio ..................................................................................................... 47
4.4.2.4. Tenses resistentes .................................................................................................... 47
4.4.2.5. Impacto visual e ambiental ........................................................................................... 47
4.4.2.6. Custo ml da interveno .............................................................................................. 48
4.4.3. BLOCOS PR-FABRICADOS............................................................................................ 48
4.4.3.1. Aspetos da geometria ................................................................................................. 49
4.4.3.2. Adequabilidade aos fenmenos de instabilidade ............................................................. 49
4.4.3.3. Material necessrio ..................................................................................................... 49
4.4.3.4. Aes resistentes ....................................................................................................... 50
4.4.3.5. Impacto visual e ambiental ........................................................................................... 50
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
x
4.4.3.6. Custo ml da interveno .............................................................................................. 50
4.4.4. MURO DE BETO ARMADO ............................................................................................ 50
4.4.4.1. Aspetos da geometria .................................................................................................. 51
4.4.4.2. Adequabilidade aos fenmenos de instabilidade ............................................................. 51
4.4.4.3. Material necessrio ..................................................................................................... 51
4.4.4.4. Aes resistentes ....................................................................................................... 51
4.4.4.5. Impacto visual e ambiental ........................................................................................... 51
4.4.4.6. Custo ml da interveno .............................................................................................. 51
4.5. ESTRUTURAS DE PROTEO TCNICAS COMPLEMENTARES............................................ 52
4.5.1. ARGAMASSAS .............................................................................................................. 52
4.5.2. GEOTXTEIS ................................................................................................................ 53
4.5.3. FACHINAS .................................................................................................................... 54
4.5. CONSIDERAES RELATIVAS METODOLOGIA ................................................................. 56
4.5.1. O P DO TALUDE .......................................................................................................... 56
4.5.2. O TOPO DA MARGEM .................................................................................................... 57
4.6. RESUMO DAS TCNICAS - PONTOS FORTES ...................................................................... 58
5. METODOLOGIA ............................................................................................................. 59
5.1. DESCRIO DA METODOLOGIA .................................................................................................... 59
5.2. PARMETROS INSERIDOS NA METODOLOGIA .............................................................................. 60
5.2.1. TIPO DE SOLO/FERTILIDADE ...................................................................................................... 61
5.2.2. ESTRATIFICAO DO SOLO/TIPO DE ROTURA DA MARGEM ..................................................... 62
5.2.3. ANGULO DE TALUDE NATURAL DA MARGEM.............................................................................. 63
5.2.4. ALTURA DA MARGEM .................................................................................................................. 64
5.2.5. VEGETAO E MATRIA-PRIMA NA ENVOLVENTE .................................................................... 65
5.2.6. TIPO DE USO PS-INTERVENO .............................................................................................. 67
5.2.7. ACESSOS AO LOCAL ................................................................................................................... 68
5.2.8. TENSO CRTICA DE ARRASTAMENTO ....................................................................................... 69
5.2.9. IMPACTO AMBIENTAL E IMPACTO VISUAL .................................................................................. 71
5.3. INFLUNCIA DAS TCNICAS COMPLEMENTARES ......................................................................... 72
5.4. A IMPORTNCIA DE CONSTRUES ANTERIORES ....................................................................... 72
5.5. MTODO DE SELEO .................................................................................................................. 73
5.5.1. ORGANIZAO ........................................................................................................................... 73
5.5.2. FASE 2 - PR-SELEO DE SOLUES..................................................................................... 75
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
xi
5.5.3. FASE 3 - SELEO DA SOLUO FINAL ..................................................................................... 75
5.5.3.1. Desempenho estrutural ............................................................................................................. 75
5.5.3.2. Qualidade global do meio ambiente .......................................................................................... 75
5.5.3.3. Limitaes e exigncias scio-econmicas .............................................................................. 76
6. O RIO LIMA, LANHESES, COMO O CASO DE ESTUDO ..... 77
6.1. ENQUADRAMENTO DO CASO DE ESTUDO ..................................................................................... 77
6.2. RECONHECIMENTO DO ESTADO DAS MARGENS ........................................................................... 78
6.2.1. TROO 1 ..................................................................................................................................... 79
6.2.2. TROO 2 ..................................................................................................................................... 80
6.2.3. TROO 3 ..................................................................................................................................... 81
6.3. SELEO SOLUES MAIS RAZOVEIS ........................................................................................ 82
6.3.1. TROO 1 ..................................................................................................................................... 82
6.3.2. TROO 2 ..................................................................................................................................... 82
6.3.3. TROO 3 ..................................................................................................................................... 83
6.4. FASE 3 - SOLUO FINAL ESPECIFICAES ............................................................................ 83
6.4.1. TROO 1 ..................................................................................................................................... 83
6.4.1.1. Desempenho estrutural ............................................................................................................. 84
6.4.1.2. Qualidade global do meio ambiente .......................................................................................... 84
6.4.1.3. Limitaes e exigncias scio-econmicas .............................................................................. 85
6.4.2. TROO 2 ..................................................................................................................................... 85
6.4.2.1. Desempenho estrutural ............................................................................................................. 85
6.4.2.2. Qualidade global do meio ambiente .......................................................................................... 86
6.4.2.3. Limitaes e exigncias scio-econmicas .............................................................................. 86
6.4.3. TROO 3 ..................................................................................................................................... 86
6.4.3.1. Desempenho estrutural ............................................................................................................. 86
6.4.3.2. Qualidade global do meio ambiente .......................................................................................... 86
6.4.3.3. Limitaes e exigncias scio-econmicas .............................................................................. 87
7. CONCLUSES ................................................................................................................ 89
BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................................................... 91
ANEXOS
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
xii
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
xiii
NDICE DE FIGURAS
Fig. 1 Exemplo de tabelas de Pfankuch para caratersticas Ms. ........................................................ 5
Fig. 2 Exemplos da aplicao de enrocamento - Brighetti (2001). ....................................................... 7
Fig. 3 Exemplo da aplicao do riprap NCRS (1996). ....................................................................... 8
Fig. 4 Exemplo de aplicao dos gabies caixa s margens de um rio. .............................................. 8
Fig. 5 Vrios tipos de gabies: Gabio saco ( esquerda) Escarameira (1998) e colches reno ..... 9
Fig. 6 Exemplo de um muro de beto armado na proteo de margens ............................................. 9
Fig. 7 Aplicao de estacaria viva atravs de geotxtil ...................................................................... 11
Fig. 8 Aplicao de fachinas no reforo do p do talude .................................................................... 12
Fig. 9 Exemplo da implantao de brushlayering. .............................................................................. 12
Fig. 10 Empacotamento: implantao ( esquerda) e evoluo aps meio ano ( direita). .............. 13
Fig. 11 Exemplo de um muro vivo ....................................................................................................... 13
Fig. 12 Exemplo de um geogrid wall ................................................................................................... 14
Fig. 13 Exemplo de aplicao da hidrosementeira. ............................................................................ 14
Fig. 14 Srie de peneiros ( esquerda) e relao com o tipo de solo ( direita). ............................... 18
Fig. 15 Tringulo de Feret com classificao dos solos Fernandes (2006). ................................... 19
Fig. 16 Curva granulomtrica de um solo melhor (em cima) ou pior graduado (em baixo). .............. 19
Fig. 17 Exemplo de um solo homogneo no estratificado arenoso ( esquerda) e de um solo misto
estratificado ( direita). ........................................................................................................................... 20
Fig. 18 Modo de medio do ngulo da margem Magalhes (2010), adaptado de Rosgen (2001).21
Fig. 19 Representao da vegetao ribeirinha Teiga (2011), adaptado de Fisrwg (1998). .......... 23
Fig. 20 Perfil transversal da vegetao ribeirinha Teiga (2011), adaptado de Fisrwg (1998). ........ 24
Fig. 21 Esquema representativo de rotura da margem por deslizamento Cortes (2004). ............... 25
Fig. 22 - Esquema representativo de rotura da margem por derrube Cortes (2004). ........................ 25
Fig. 23 Esquema representativo de um processo erosivo mais complexo e prolongado Cortes
(2004). .................................................................................................................................................... 26
Fig. 24 Distribuio de velocidades num canal de seo trapezoidal - Hewlett (1987)...................... 27
Fig. 25 Distribuio das tenses de arrastamento nos fundos e talude de um canal Chow (1959).29
Fig. 26 Diagrama de escolha da tcnica mais adequada inclinao do talude da margem Fisrwg
(1998). .................................................................................................................................................... 36
Figura 27 Corte transversal de um exemplo de aplicao da estacaria viva adaptado de NCRS
(1996). .................................................................................................................................................... 40
Fig. 29 Corte transversal de um exemplo de aplicao de empacotamento - adaptado de NCRS
(1996). .................................................................................................................................................... 42
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
xiv
Fig. 30 Corte transversal de um exemplo de aplicao de cribwall adaptado de NCRS (1996). ... 44
Fig. 31 Corte transversal de um exemplo de aplicao de gabies-caixa adaptado de NCRS
(1996)..................................................................................................................................................... 46
Fig. 32 - Corte transversal de um exemplo de aplicao de riprap adaptado de NCRS (1996). ....... 48
Fig. 33 Blocos pr-fabricados de beto: soltos ( esquerda) e unidos ( direita), Lemos 2008. ....... 49
Fig. 34 Exemplo de aplicao de relva armada - Lemos (2008). ....................................................... 50
Fig. 35 Colocao de betume no talude da margem de um rio Lemos (2008). .............................. 53
Fig. 36 Geomalha ( esquerda) e geomanta com betume de preenchimento ( direita) Escarameia
(1998)..................................................................................................................................................... 54
Fig. 28 Fachinaria simples ( esquerda) e rolos de ramos vivos pr-preparados ( direita). ............ 55
Fig. 37 Zonas da margem definidas em margens intervencionadas Biedenharn (1997). .............. 56
Fig. 38 Vista em corte transversal e superior de uma estacaria viva, ................................................ 57
Fig. 39 Fluxograma expositrio da organizao da metodologia de seleo da soluo final. ......... 74
Fig. 40 Imagem sattile do caso de estudo ........................................................................................ 79
Fig. 41 Situao da margem em Abril 2012 ( esquerda) e Julho 2012 ( direita) troo 1 ............ 79
Fig. 42 - Situao da margem em Abril 2012 ( esquerda) e Julho 2012 ( direita) troo 2 ............. 80
Fig. 43 - Situao da margem em Abril 2012 ( esquerda) e Julho 2012 ( direita) troo 3 ............. 81
Fig.44 - Ilustrao da seco tipo da estrutura de proteo seleccionada pela aplicao da
metodologia margem de estudo. ........................................................................................................ 88
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
xv
NDICE DE TABELAS
Tabela 1 Modo de proteo segundo as caratersticas da Engenharia Natural, (Teiga 2011,
adaptado de Fisrwg 1998). ..................................................................................................................... 10
Tabela 2 Valores do ngulo de atrito interno para solos granulares tpicos Fernandes (2006). ..... 22
Tabela 3 Velocidades crticas para materiais no coerentes, Neill (1973). ........................................ 28
Tabela 4 - Velocidades crticas para materiais coerentes, Neill (1973). ................................................ 29
Tabela 5 Tenso crtica de arrastamento para partculas de solos no coesivos .............................. 30
Tabela 6 - Tenso crtica de arrastamento para partculas de solos coesivos ...................................... 30
Tabela 7 Sntese de tcnicas e estimativa de preos para construo em meio hdrico adaptado
de Teiga (2011). ..................................................................................................................................... 39
Tabela 8 Adequabilidade das tcnicas alvo de seleo. .................................................................... 58
Tabela 9 Classificao geral dos critrios objeto de pontuao. ........................................................ 61
Tabela 10 Classificao da relao tcnica/ tipo de solo ................................................................... 61
Tabela 11 Associao do parmetro revisto s tcnicas mais adequadas ........................................ 62
Tabela 12 - Classificao da relao Estratificao/ Rotura da margem .............................................. 63
Tabela 13 Tcnicas vs Tipo de rotura/Estratificao do solo ............................................................. 63
Tabela 14 - Classificao da relao tcnica/ inclinao do talude ....................................................... 64
Tabela 15 - Tcnicas vs inclinao talude ............................................................................................. 64
Tabela 16 - Classificao da relao tcnica/ Altura da margem .......................................................... 65
Tabela 17 Tcnicas vs Altura da margem ........................................................................................... 65
Tabela 18 - Classificao da relao Materiais presentes/ Matria-prima necessria .......................... 66
Tabela 19 - Tcnicas vs Matria-prima abundante ................................................................................ 67
Tabela 20 - Classificao da relao tcnica/ Risco e exposio ......................................................... 67
Tabela 21 Tcnicas vs interao actividades do homem ................................................................... 68
Tabela 22 Classificao da relao tcnica/ Risco e exposio ........................................................ 68
Tabela 23 - Tcnicas vs interao actividades do homem .................................................................... 69
Tabela 24 Tenses crticas de arrastamento das protees de margens mais comuns, adaptado de
Cortes. .................................................................................................................................................... 69
Tabela 25 - Classificao da relao aes externas............................................................................ 70
Tabela 26 - Tcnicas vs Tenso atuante/resistente .............................................................................. 71
Tabela 27 - Classificao da relao tcnica/ impactos ambiental e visual .......................................... 72
Tabela 28 - Tcnicas vs Impacto ambiental/visual ................................................................................ 72
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
xvi
Tabela 29 Caraterizao do estado da margem para o troo 1. ........................................................ 80
Tabela 30 Caraterizao do estado da margem para o troo 2. ........................................................ 81
Tabela 31 - Caraterizao do estado da margem para o troo 3. ........................................................ 82
Tabela 32 Pontuao resultante da fase 2 para o troo 1. ................................................................ 82
Tabela 33 - Pontuao resultante da fase 2 para o troo 2. ................................................................. 83
Tabela 34 - Pontuao resultante da fase 2 para o troo 3. ................................................................. 83
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
xvii
SMBOLOS E ABREVIATURAS
Vs - peso das partculas
- peso volmico
- teor em gua
- ndice de vazios
n - porosidade
S - grau de saturao
D50 dimetro com 50 % peso da amostra retida
- coeficiente de permeabilidade do solo
Vm - velocidade mdia
Ucr velocidade crtica
- tenso de arrastamento
NRCS Natural Resources Conservation Service
BANCS Bank Assessment for Non-Point Source Consequences of Sediment
BEHI - Bank Erosion Hazard Index
NBS - Near Bank Shear Stress
TET Tcnicas de Engenharia Tradicional
TEN - Tcnicas de Engenharia Natural
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
xviii
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
1
1 INTRODUO
As estruturas de proteo de margens de rios merecem neste trabalho especial ateno, sendo dado
destaque essencialmente s fases de seleo e dimensionamento das mesmas. A implementao de
estruturas de proteo numa margem requer, antes de mais, a anlise de diversos parmetros locais
relacionados com a hidrulica, a hidrologia, a geologia, geomorfologia, geotecnia, ecologia, biologia,
bem como questes scio-econmicas e do foro legal.
A estrutura de proteo a utilizar numa margem dever responder s exigncias das entidades gestoras
envolvidas na interveno, mas tambm ao grau de eroso da margem e consequente risco para as
atividades ou bens localizados na envolvente margem a intervencionar. O presente estudo incide na
comparao entre os dois grandes grupos de estruturas, as TETs ou tcnicas de engenharia tradicional
e as TENs ou tcnicas de engenharia natural, mais frequentemente nomeadas de bioengenharia.
Torna-se assim evidente que a seleo da estrutura, considerada mais adequada, para um caso de
estudo especfico, ter de resultar sempre de uma anlise multicritrio. Embora esta anlise
multicritrio de escolha da estrutura de proteo seja abordada por vrios autores, como Biedenharn
(1997), sendo a mais polivalente e completa, nenhuma delas chega a uma formulao exata que dite,
atravs da quantificao de todos os fatores de seleo envolvidos e com preciso suficiente, uma
soluo sem sobredimensionamento e consequente desperdcio de materiais, equipamentos, mo-de-
obra e investimentos.
Esta dissertao, tem assim, como objetivo criar uma metodologia de seleo multicritrio para ser
utilizada por projetistas e entidades gestoras para auxlio no processo de seleo e dimensionamento
de estruturas de proteo de margens de rios, e posterior aplicao a um caso de estudo proposto pela
ex-ARH do Norte.
Deste modo, o presente trabalho, encontra-se dividido em sete captulos. No captulo 2 Estado da
arte feita uma apresentao das tcnicas contemporneas mais usais na proteo das margens,
diferenciadas pela rigidez da sua natureza, em tcnicas de engenharia tradicional e tcnicas de
engenharia natural. Com a crescente sensibilizao pblica com a conservao da Natureza procura-se
um equilbrio na utilizao dos dois tipos de estrutura de modo a aproveitar as vantagens que cada um
deles proporciona na resistncia eroso e na manuteno da margem o mais inalterada possvel em
relao alternativa zero. Para a obteno deste objetivo so reunidas ideias resultantes de
investigaes das diversas reas envolvidas para a criao de uma metodologia de seleo, expostas e
analisadas neste captulo de forma reunio dos respetivos pontos fortes e deficincias relevantes para
o contexto.
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
2
No captulo 3 Avaliao do estado da margem, feita uma anlise das caratersticas da margem e da
sua envolvente, consideradas importantes para a definio dos aspetos mais relevantes para a escolha
da estrutura de proteo da margem.
O captulo 4 Parmetros de seleo da estrutura Critrios e vantagens, relaciona os critrios
enunciados no captulo com as vantagens de cada tipo de estrutura que as tornam mais adequadas que
outras, face ao estado da margem.
No captulo 5 Metodologia exposta a ordem de pensamento para a seleo das estruturas mais
adequadas e final deciso para a soluo final. So descritas as diferentes fases do processo de seleo,
incluindo os procedimentos de valorizao dos critrios de diferenciao entre as vrias solues
possveis para a margem erodida.
A aplicao prtica da metodologia feita num caso de estudo, no captulo 6 deste trabalho. O caso de
estudo um troo do Rio Lima, na margem norte face a Lanheses, ligeiramente a montante da ponte
de Lanheses.
No captulo 7 Concluses so expostas as consideraes finais sobre a dissertao bem como
possveis formas de aperfeioamento para o futuro.
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
3
2 ESTADO DA ARTE
2.1. MBITO
As estruturas para proteo das margens de um rio tm como objetivo dotar a margem de uma
resistncia adicional, que lhe permita resistir s aes provocadas pelo escoamento dos caudais do rio,
e deste modo contribuir para a defesa de propriedades e bens pblicos ou privados, localizados perto
das margens do rio. As tenses no permetro molhado do escoamento a partir de um dado caudal, num
rio cujo leito e seco no se encontram adaptados a um associado maior tranporte lquido e de
slidos, fazem com que se crie uma tendncia alterao da morfologia do rio de forma a dissipar
essas tenses, num fenmeno dinmico erosivo. ento que surge a eroso no leito e nas margens,
sendo a segunda que interessa aprofundar no contexto da investigao entra em ao.
A Engenharia Fluvial tem estudado diversos tipos de estruturas para evitar esta alterao da
morfologia das margens, quer seja atravs de mtodos mais pesados utilizando materiais de engenharia
tradicional ou atravs do uso da biologia em articulao com tcnicas naturais.
A estabilizao das margens uma etapa fundamental da reabilitao das mesmas, restaurando-as para
fazerem face a esse sistema fsico instvel, enquanto a reabilitao associada a uma melhoria da
condio biolgica e fsica da margem degradada, a restaurao refere-se apenas devoluo da
margem ao seu estado natural de funcionamento - Kapitzke et al (1998) .
Nos pases em que esta atuao merece maior ateno, existem diretivas orientadas pela formalizao
e organizao das tcnicas de modo a que a construo das estruturas de proteo de margens decorra
segundo regras bem definidas. Uma delas, por exemplo, nos Estados Unidos da Amrica, a diretiva
do servio de conservao dos recursos naturais do Departamento da Agricultura americano, NRCS
Natural Resources Conservation Service.
Em Portugal, as linhas diretrizes da reabilitao de um troo devem estar de acordo com deliberaes
da ex-Administrao da Regio Hidrogrfica (ARH), do ex-Instituto da gua (INAG), do Plano
Nacional da gua (PNA), da Reserva Ecolgica e Agrcola Nacional (REN e RAN), do Plano Diretor
Municipal (PDM), entre outras.
Existe ainda a nvel europeu a Diretiva Quadro da gua, a nvel nacional a Lei da gua e o Plano
Nacional da gua e a nvel da bacia os Planos de Bacia Hidrogrfica e os Planos de Gesto de Regio
Hidrogrfica. O ex-INAG reala a necessidade de atenuar os principais constrangimentos legais nas
obras de requalificao, tais como: o dfice na execuo do Direito da gua, as fragilidades nas reas
do licenciamento e fiscalizao, a dbil aplicativa da Diretiva Quadro da gua e das convenes
internacionais, a insuficincia de quadros com formao adequada, a desarticulao das figuras de
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
4
ordenamento do territrio, o incumprimento da aplicabilidade legal e os escassos recursos econmico-
financeiros.
2.2. MTODOS
No contexto deste trabalho essencial conhecer formas de selecionar e dimensionar as diferentes
tcnicas existentes para reabilitao das margens. A descrio dos ecossistemas, das caratersticas e
utilizaes da margem e sua envolvente como fatores influentes no comportamento dos rios, tal como
da metodologia de seleo da estrutura mais adequada, o objetivo principal para uma efetiva
reabilitao dos mesmos. De seguida sero abordados esses trs tipos de mtodos de interesse, mais
especificamente: de caraterizao do rio e da envolvente, mtodos de recolha de dados e mtodos de
seleo de estruturas.
2.2.1. CARATERIZAO DOS RIOS E DA EROSO
As condies geomorfolgicas, ecolgicas, hidrulicas e hidrolgicas, definem em geral, o
comportamento de um rio, ficando os problemas de eroso e ecolgicos num determinado troo do
mesmo a dever-se alterao de uma ou de um conjunto destas condies.
Teiga (2011) desenvolveu uma metodologia para avaliao e mitigao dos impactes das diversas
reas, em reabilitao de rios e ribeiras em zonas edificadas. Merece toda a ateno para o contexto
deste trabalho, essencialmente pelas propostas de fichas de campo para avaliao do estado dos rios e
dos processos erosivos, atravs da caraterizao e quantificao do(a): estado da qualidade da gua
(ecolgica e fsico-qumica); hidrogeomorfologia (regime hidrolgico, caudal, dimenso do canal),
corredor ecolgico (vegetao, fauna, habitat), alteraes antrpicas (infraestruturas, usos do solo),
participao pblica (envolvimento pblico), organizao e planeamento (PGRH, PDM, REN).
A classificao dos diversos fatores em estudo integra dados resultantes da comparao com valores
de referncia disponibilizados pela Lei da gua e pela Diretiva Quadro da gua e tambm pelos
valores histricos da aplicao da metodologia do Teiga (2011) a locais similares.
2.2.2. CARATERIZAO DO ESTADO DA MARGEM
Com o intuito de identificar os parmetros de seleo da estrutura de proteo de margens de rios mais
adequados, alguns autores estabeleceram metodologias, principalmente para avaliao da eroso,
classificao dos rios, estabilidade da margem, etc. As metodologias referidas de seguida permitem o
enquadramento de ideias que possibilitam a criao de uma metodologia que rene o conjunto dessas
ideias para a obteno de uma nica soluo.
2.2.2.1. Mtodo BANCS
O mtodo BANCS, Bank Assessment for Non-Point Source Consequences of Sediment, elaborado por
Rosgen (2001), permite determinar a taxa de eroso anual, em metros por ano, utilizando para tala
conjugao de duas componentes: o BEHI, Bank Erosion Hazard Index e o NBS, Near Bank Shear
Stress.
O BEHI utiliza diversos dados recolhidos in situ, nomeadamente: a altura do talude da margem, a
distncia ao leito dominante, a profundidade de penetrao das razes, a proteo da superfcie do
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
5
talude e o ngulo do talude. Para cada um destes parmetros so associadas categorias de risco e
correspondente pontuao.
O ndice BEHI incorpora ainda as variaes mais comuns da margem, como o tipo de material ou a
estratificao do material das margens, que entram em equao como correes da pontuao, sendo
acrescentados ou retirados pontos conforme a penalizao ou apoio, respetivamente. Aps a soma das
pontuaes finalmente atribudo um risco BEHI para o caso em estudo, conforme o intervalo de
pontos em que se insira.
A avaliao NBS obtida atravs do gradiente de velocidades ou da relao entre tenses de
arrastamento da zona do talude e da zona do leito dominante. As tenses referidas so obtidas pela
frmula de Chow (1959) enquanto o gradiente de velocidades obtido atravs da relao entre as
velocidades medidas, em perfil vertical, junto margem, e a velocidade mxima obtida atravs de
diversas medies em vrias sees do rio.
2.2.2.2. Mtodo de Pfankuch
A classificao modificada de Pfankuch (1975) um mtodo que permite a avaliao da estabilidade
lateral da margem de um rio, analisando, para tal, quinze caratersticas correspondentes zona
superior da margem, zona inferior da margem e ao leito do rio (Fig. 1), sendo atribuda a cada
caraterstica uma pontuao. A classificao contempla quatro matrizes que exprimem a situao
dessas caratersticas segundo classificao Excelente, Boa, Razovel ou M, pontuando essas
caratersticas.
Este mtodo tem especial interesse no contexto do presente trabalho, pois a atribuio de pontuao s
caratersticas da margem segundo a condio da margem algo de todo similar anlise multicritrio
que ser feita mais frente para relacionar o estado da margem com a estrutura mais adequada para a
proteo das mesmas.
Localizao Chave Categoria Mau
Descrio Classificao
Zon
a su
pe
rio
r d
a m
arge
m
1 ngulo Margem ngulo > 60% 8
2 Instabilidade do canal Frequente, causando influxos regulares de sedimentos ou perigo iminente do mesmo
12
3 Quantidade de destroos Moderado a elevado, predominantemente por detritos de grande dimenso
8
4 Proteo da margem por vegetao < 50% densidade de plantas, poucas espcies e vigor indiciando pouca densidade de razes
12
Zon
a in
feri
or
da
mar
gem
5 Capacidade do canal Inadequado, extravazamento das margens frequente 4 6 Quantidade de rochas nas margens < 20% gravilha e rocha 3 8 cm 8
7 Obstruo ao escoamento Obstrues frequentes causando eroso durante o ano inteiro, ocorrncia de migrao do canal
8
8 Desgaste do material Contnuo, alguns com 60cm, deslizamentos frequentes
16
9 Deposio Depsitos extensivos, partculas finas, formao de novas barras
16
Leit
o d
o c
anal
10 Angularidade dos sedimentos Redondas em todas as dimenses superfcie lisa 4 11 Brilho Predominantemente brilhantes > 65% expostas 4 12 Consolidao do material sem consolidao evidente, facilmente removvel 8
13 Distribuio do material Varivel de material notvel, materiais estveis 0-20%. Deposio de areia
16
14 Infra-escavaes e deposio > 50% do leito em movimento alteraes durante o ano inteiro
24
15 Vegetao aqutica Espaadas ou ausentes, colorao verde-amarelado 4 Fig. 1 Exemplo de tabelas de Pfankuch para caratersticas Ms Pfankuch (1975).
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
6
2.2.3. TCNICAS DE SELEO DE ESTRUTURAS
2.2.3.1. Metodologia de Biedenharn
Em Biedenharn (1997), apresentada uma metodologia que permite a seleo de uma estrutura de
proteo mais adequada para um determinado projeto de reabilitao, baseada nos trabalhos
desenvolvidos no vale do baixo Mississippi, EUA, pelo autor. A organizao da metodologia consiste
numa matriz de classificao composta (no anexo A) pelos fatores de: eficincia em algumas
vertentes, adequabilidade ambiental e custos; em que os contedos da mesma e a definio dos fatores
pertinentes podem ser alterados de modo a satisfazer um determinado projeto.
Numa primeira fase da aplicao so eliminados os fatores irrelevantes, tal como as tcnicas de
proteo que no aplicveis ao caso. Biedenharn (1997) menciona que um projetista com experincia
suficiente deve ser capaz de, simplesmente atravs uma avaliao qualitativa dos fatores bsicos para
o caso, selecionar facilmente algumas tcnicas mais adequadas. Quanto aos fatores abordados e
expostos na matriz geral, so eles: a durabilidade da estrutura eroso e ao clima, a sua flexibilidade
fsica, a profundidade da gua na margem, limitaes de espao para a implantao da tcnica,
impacto das cheias, problemas no p e no topo da margem, os vrios impactos ambientais, ecolgicos
e visuais, custos de materiais, equipamentos e mo-de-obra.
Este mtodo segue uma segunda fase, de avaliao qualitativa e quantitativa, por esta ordem. A
avaliao qualitativa consiste em atribuir a classificao + para uma avaliao favorvel, um -
para uma avaliao desfavorvel, 0 para uma reao neutra e um ? para avaliao impossvel de
atribuir sem diferente anlise. Este tipo de anlise permite detetar deficincias em algumas
intervenes e, se assim se decidir, elimin-las como solues para o problema.
Para as restantes tcnicas no descartadas, feita uma anlise quantitativa em cinco nveis, de 1 para
menos favorvel at 5 de muito favorvel, sendo somadas no fim. O autor refere nesta obra a
importncia de aumentar o detalhe de avaliao de um ou outro fator mais relevante atravs de uma
sub-matriz, como comum ser feito para a adequabilidade ambiental, tal como a importncia de
atribuir diferentes pesos para cada fator de seleo baseado nas capacidades e limites regulados pelas
entidades e legislao envolvente.
Aps estas anlises, numa terceira e ltima fase, uma ponderao dos custos para as mais pontuadas
tcnicas, o fator final de seleo a ter em conta.
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
7
2.3. ESTRUTURAS DE PROTEO DE MARGENS
A implantao de estruturas para a proteo das margens uma medida estrutural que aumenta a
resistncia da margem por intermdio de: cobertura da superfcie, ancoragem do solo, estruturao,
coeso, drenagem e ativao biolgica sendo que os principais materiais de construo usados so as
plantas, os inertes e os geotxteis.
Para o contexto interessa o estudo dos dois grandes tipos de tcnicas de proteo de margens, as TETs
e as TENs, de engenharia tradicional e de engenharia natural, respetivamente. Estes dois grupos
diferenciam-se principalmente pelo tipo de material usado na implantao das tcnicas, que acarretam
outras diferenas ao nvel da adequabilidade, capacidades e limitaes, merecedoras de um estudo
mais aprofundado que ir ser feito no sentido de seleccionar a melhor tcnica para um dado caso.
Com o desenvolver da tecnologia e a investigao no campo das estruturas de proteo de margens,
foram criadas formas de integrar tcnicas de bioengenharia nas tcnicas mais tradicionais, de modo a
maximizar a obteno dos objetivos tcnicos e ecolgicos da interveno. Tnago e Jlon (2008)
consideram que devem ter-se em conta as tcnicas simplesmente de engenharia natural, as tcnicas
mistas natural/tradicional, e as tcnicas complementares que auxiliam no sucesso de ambas as
anteriores. As tcnicas de instalao da vegetao baseiam-se na disposio de plantas lenhosas,
capazes de fixao vegetativa. As plantas tm que ter a capacidade de emitir razes adventcias, de
modo a originar um entranado que permita a armao e estabilizao de terreno. As tcnicas
combinadas ou mistas que conjugam a utilizao de elementos vegetais com materiais inertes em que
os materiais inertes atuam como estabilizadores, at que as plantas, atravs das suas razes, sejam
capazes de realizar esta funo. Por sua vez, as tcnicas complementares complementam as anteriores
e sem objetivo de estabilizao ou proteo contra a eroso. o caso da plantao de espcies
lenhosas, com o objetivo de acelerar o desenvolvimento da sucesso e da cobertura vegetal, a criao
de barreiras sonoras e as drenagens.
2.3.1. ESTRUTURAS DE PROTEO DE MARGENS TCNICAS TRADICIONAIS
As tcnicas de engenharia tradicional, TETs, caraterizam-se uso maioritrio de matria-prima comum
da engenharia civil entre as quais: o beto simples ou armado, a pedra e as argamassas.
No sentido de reforar a proteo do talude exposto eroso, existe a opo tradicional do uso de
enrocamento. O enrocamento consiste em colocar uma camada de rochas, dispondo as maiores na base
por ordem at ao topo e com uma ligeira inclinao, de modo a que o funcionamento se aproxime de
um macio gravtico (Fig. 2), sendo prefervel o uso de rochas angulares pois apresentam melhor
resistncia ao derrube que as arredondadas Gray (1996).
uma tcnica muito usada hoje em dia em rios inseridos em vales montanhosos e zonas rochosas, pois
para alm de se obter a matria-prima maioritaria na envolvente, o impacto visual da obra mnimo.
Fig. 2 Exemplos da aplicao de enrocamento - Brighetti (2001).
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
8
Outra tcnica comum em que a pedra a matria-prima principal o riprap, que consiste na colocao
de pedras no talude, ficando uma camada com certa espessura, em que as pedras encontram o seu
arranjo naturalmente Lemos (2008). uma tcnica de proteo durvel e resistente, adequada para
contornar a incapacidade de muitas outras tcnicas em resistir a escoamentos que se processam a altas
velocidades (Fig. 3).
Fig. 3 Exemplo da aplicao do riprap NCRS (1996).
Os gabies caixa, que consistem em contentores rectangulares passveis de serem preenchidos com
brita ou outros calhaus de dimetro adequado, outra forma de dispor a pedra como revestimento,
sustentada por uma rede hexagonal de ao galvanizado por ser mais resistente s aes qumicas com a
gua em longo prazo (Fig. 4). So facilmente empilhveis e arranjados de modo a formar uma
estrutura resistente gravtica, sendo adaptveis ao terreno, flexveis, durveis, drenantes, flexveis e
no precisam de fundaes. A estrutura de gabies pode fazer-se por mo de obra no especializada, o
que contribui ainda mais para que o custo total da obra seja bastante econmico comparado com outras
tcnicas da mesma gama de resistncias.
Fig. 4 Exemplo de aplicao dos gabies caixa s margens de um rio, em Rio Tinto.
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
9
Os gabies em s podem ter outras formas e tamanhos de modo a se adaptarem melhor a situaes de
proteo em stios mais especficos do leito e da margem. Os gabies saco e os colches reno so os
mais utilizados nesse contexto. Os primeiros so de forma cilndrica, adaptados ao fundo da margem,
onde as inclinaes do talude sofrem uma ligeira alterao. No perfil do talude pode ser escavado um
pequeno sulco onde o gabio saco pode ser colocado e ancorado atravs de estacaria, normalmente no
sentido paralelo ao sentido do escoamento (Fig. 5).
Os colches reno so variantes do gabio caixa e so utilizados para margens de taludes de menor
declive e para proteo dos fundos de rios mais pequenos. A tcnica de implantao igual dos
gabies comuns, com a diferena que os colches tm menor espessura e o sistema de fecho e
cosedura mais simples embora normalmente a rea de implantao seja mais extensa.
Fig. 5 Vrios tipos de gabies: Gabio saco ( esquerda) Escarameira (1998) e colches reno ( direita) - Maccaferri (2008)
Os muros de conteno usados em engenharia geotcnica so apropriados para margens muito
prximas de bens materiais importantes para a segurana das pessoas e dos bens em s. Os muros de
gravidade so muros de suporte de terras, em geral de beto ou pedra, nos quais o peso prprio, ou este
combinado com o de parte das terras suportadas, desempenha um papel fundamental na respetiva
estabilidade Fernandes (2006).
Em ambiente urbano, quando a margem se encontra sob forte eroso e pe em risco a integridade de
propriedades pblicas ou privadas, uma soluo aceitvel em termos de segurana (Fig. 6).
Fig. 6 Exemplo de um muro de beto armado na proteo de margens
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
10
2.3.2. ESTRUTURAS DE PROTEO DE MARGENS TCNICAS NATURAIS
As TEN preservam e reproduzem algumas das caratersticas iniciais que a margem possua, tendo por
isso a vantagem de proporcionar aos animais e plantas contnua providncia de nutrientes,
promovendo o movimento de matria orgnica para a base da margem e seu transporte, aumentando a
biodiversidade da rea redundante Kapitzke et al (1998).
A Engenharia Natural entende o conjunto de tcnicas de engenharia em que os principais materiais de
construo so plantas das comunidades vegetais dos sistemas naturais e materiais inertes. Tem como
objetivo responder a necessidades de uso, reduzindo os riscos ambientais e antrpicos, e maximizando
a sua funcionalidade ecolgica. - Gray e Sotir (1995). A forma como as TENs oferecem proteo
margem exposta na Tabela 1.
Tabela 1 Modo de proteo segundo as caratersticas da Engenharia Natural, (Teiga 2011, adaptado de Fisrwg 1998).
Funes Caratersticas
Cobertura da superfcie
Atravs das suas partes areas (troncos, ramos e folhas), as plantas asseguram uma cobertura mais ou menos densa da superfcie onde esto instaladas.
Espcies herbceas asseguram um coberto rpido e eficiente, originando um sistema de amortecimento do impacte direto da chuva, do vento, e mesmo do escoamento superficial, diminuindo, desta forma, a eroso.
Espcies arbreas e arbustivas compem-se de formaes suficientemente densas, que asseguram a mesma funo, acrescentada de uma intensa ao de intercepo (reteno da gua da chuva nos troncos e copas, possibilitando a sua posterior evaporao e a consequente diminuio ou retardamento do caudal de escoamento superficial ou de infiltrao).
Armao e ancoramento do solo
A vegetao, atravs das suas razes, exerce um conjunto de aes fsicas, cujo resultado aumentar a estabilidade mecnica do solo e aumentar a sua coeso e, consequentemente, possibilitando a existncia de taludes de ngulo superior ao ngulo de talude natural desse material. Estas funes so realizadas essencialmente de dois modos: 1) as ramificaes das razes penetrando o solo vo constituir uma malha, que enquadra no s as partculas do solo, como tambm as penetrar, funcionando como mais um fator de agregao. A densidade da malha varivel, em funo das espcies vegetais usadas; 2) as grandes razes mergulhantes , destinadas a ancorar a planta ao solo, penetram-no em profundidade, diminuindo a tendncia para deslizamentos, pelo menos nos dois metros superficiais atravessado pelas razes.
Estruturao Alm das aes fsicas de armao e de ancoragem, que asseguram essencialmente um papel de sustentao, as aes qumicas e biolgicas proporcionadas pela vegetao, ou dela derivadas, contribuem igualmente e de uma forma decisiva para o aumento da estabilidade do solo. Tais funes so realizadas, quer por intermdio dos produtos qumicos segregados pelas razes das plantas, que favorecem a formao de agregados de partculas do solo, quer pela formao de compostos hmidos, a partir da decomposio de folhas e outros materiais orgnicos, tambm como agregantes do solo.
Coeso e drenagem
As plantas, devido s suas necessidades prprias de gua, contribuem tambm, eficazmente, para a diminuio do teor em gua do solo, dado esta ser absorvida e depois transpirada. Esta diminuio do teor em humidade do solo tem como consequncia um aumento da coeso do solo e poder, em determinadas circunstncias, diminuir o risco da sua fluidificao. Por outro lado, a tenso capilar associada absoro de gua pelas razes, gera uma coeso aparente que aumenta a estabilidade do solo. de referir que, em contrapartida, a vegetao tambm apresenta alguma ao propiciadora da infiltrao, o que, em certa medida, pode constituir um fator de aumento da instabilidade. Os efeitos desestabilizantes deste processo no anulam, contudo, os efeitos estabilizantes atrs.
Ativao biolgica
Estas funes, embora no estejam diretamente associadas com o aumento da estabilidade do solo, proporcionam indiretamente uma melhoria da agregao deste, contribuindo decisivamente para o aumento da estabilidade global do local.
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
11
O bom funcionamento das tcnicas de engenharia natural depende, em grande medida, de escolha das
espcies vegetais utilizadas, pois alm das caratersticas biotcnicas, devem ser considerados critrios
ecolgicos, fitosociolgicos e reprodutivos - Durlo (2012). A escolha das espcies a utilizar deve
sempre recair sobre as espcies nativas pois estas esto melhor adaptadas s condies climticas
comuns do local. Schiechtl (1980) defende que a bioengenharia requer as capacidades de um
engenheiro, o conhecimento de um bilogo, e a arte de um engenheiro paisagista..
adotada a estacaria viva quando o solo em questo j est consolidado, normalmente para tratar
problemas isolados, da ser considerado como uma soluo primria. Esta tcnica, quando
acompanhada de um bom revestimento da superfcie do talude bastante eficaz.
A preferncia para o gnero de espcies usadas recai sobre espcies lenhosas pois efetuam uma
funo de ancoragem imediata, complementada aps a sua fixao com o enraizamento que faz
aumentar essa funo consideravelmente. Esta tcnica extremamente verstil podendo conjugar-se
com quase todas as outras tcnicas de proteo de margens de rios (Fig. 7).
Fig. 7 Aplicao de estacaria viva atravs de geotxtil Crdoba.
Quando a vegetao a utilizar do tipo arbustiva, podem utilizar-se fachinas, que consistem em
molhos de ramos e caules de espcies facilmente replantveis, apertados e atados de modo a criar um
conjunto coeso e resistente s aes do escoamento. Pode executar-se em conjunto com estacaria viva,
apertando o molho estaca, garantindo que a fachina esteja em contato com o solo de forma esttica e
possa haver enraizamento da fachina. Na zona onde as fachinas forem colocadas a proteo contra as
aes externas imediata aps a instalao e garante que, desde que as condies climatricas sejam
adequadas e a altura da gua no ultrapasse o previsto, a zona de contacto talude/fachina perfeita
para o enraizamento e desenvolvimento da tcnica.
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
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Fig. 8 Aplicao de fachinas no reforo do p do talude
comum colocarem-se as fachinas como proteo do p do talude (Fig. 8), pois o seu peso garante o
no arrastamento e porque os ramos resistem facilmente a pequenas flutuaes da altura de gua e a
submerses de curta durao.
O brushlayering consiste tambm na disposio de ramos replantveis num talude, mas com o suporte
do peso do solo (Fig. 9). A tcnica consiste na colocao de uma fileira de ramos vivos estendidos
sobre o talude cortado, com a raiz enterrada, sendo colocada nova camada de solo sobreposta,
repetindo-se o processo at ao topo do talude e formando-se um aterro por camadas. O geogrid wall,
tcnica referida mais frente neste subcaptulo, uma tcnica similar diferindo apenas no fato de que
o solo entre camadas de ramos envolvido em geotxtil.
Fig. 9 Exemplo da implantao de brushlayering - Riudaneres.
Outra das tcnicas em que as espcies arbustivas so a matria-prima mais usada so os
empacotamentos, mais adequada em casos em que necessrio preencher a totalidade do talude e em
que so dispostos molhos de ramos vivos perpendiculares relativamente ao contorno da margem, em
camadas de aproximadamente 1m de espessura que podem ser seguros por estacas vivas ou mortas,
com auxlio de uma malha de ao galvanizado ou outra fibra natural criando uma malha ao se
entrelaar entre as estacas (Fig. 10).
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
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Fig. 10 Empacotamento: implantao ( esquerda) e evoluo aps meio ano ( direita) NCRS (1996).
O uso de troncos de rvore de mdio a grande porte permite a criao de uma estrutura apelidada de
muro vivo, criada pelo encruzilhar dos troncos que permite a insero na horizontal de ramos e caules
vivos apoiados no preenchimento da mesma (Fig. 11). uma alternativa barata para estabilizar por
ao da gravidade, aterros verticais de grande desnvel. O cribwall, como vulgarmente conhecido,
funciona como um muro de suporte para margens instveis.
Fig. 11 Exemplo de um muro vivo, Ourm.
Os geotxteis so uma aplicao da engenharia tradicional neste contexto e que vo ser referidos mais
frente pela sua aplicao protetora por filtragem das partculas mais finas do solo do talude, sendo
vantajoso us-los no s, mas principalmente, em conjunto com tcnicas de bioengenharia.
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
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Fig. 12 Exemplo de um geogrid wall NCRS (1996).
As geomantas e as geogrelhas so os geotxteis so outro tipo de geotxteis utilizados em estruturas de
proteo de margens de rios, complementando diversas tcnicas de proteo na filtragem dos solos do
talude. Uma das tcnicas o muro geogrid vegetado (Fig. 12) que consiste em enrolar as camadas de
solo em geogrelhas que ficam expostas na tcnica similar a esta que o brushlayering. No meio das
camadas de geotxtil preenchido com solo so colocados ramos vivos cuja raiz est j em contato com
o solo de modo a haver enraizamento.
A Sementeira tradicional e a Hidrosementeira (Fig. 13) so as tcnicas mais simples de todas, mas
tambm as mais limitadas pela sua fragilidade em termos de resistncia, pois consistem na simples
colocao de sementes diretamente no talude intervencionado.
A hidrosementeira merece ateno por ser uma tcnica recente e efetiva, que permite a criao de uma
calda pulverizvel constituda por uma mistura de sementes de vegetao adequada (concentrao de
5-30 g/m2), adubo, fertilizantes, palha, feno ou celulose e agregante. A hidrosementeira assegura a
obteno de vegetao rasteira saudvel de forma rpida devido a um enraizamento profundo e
crescimento homogneo das plantas. extremamente vantajosa na aplicao em grandes reas pois
no necessita muita mo-de-obra e o tempo dispensado reduzido. A manuteno e a ateno natural
merecida nos primeiros tempos aquando da sementeira, muito menor com a hidrosementeira pois
esta tcnica assegura nesse espao de tempo a fertilizao, a desinfeo e a rega no acto da aplicao.
Fig. 13 Exemplo de aplicao da hidrosementeira foto de Aldo Freitas.
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
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2.4. ANLISE CRTICA
As estruturas de proteo de margens de rios so nos dias de hoje uma aplicao muito frequente no
processo de requalificao dos mesmos. A investigao na rea tem produzido novas formas de
maximizar a capacidade das solues, mas principalmente de mitigar os aspetos negativos da
interveno humana na natureza. A bioengenharia aplicada ao contexto de uso ancestral, desde que
as primeiras populaes se fixavam junto aos rios pelos solos extremamente frteis que na maior parte
das situaes lhes so intrnsecos. A aplicao da engenharia tradicional e seus materiais inertes na
proteo das margens, mais recente, veio trazer grande segurana neste tipo de obras. Como as
tcnicas da engenharia tradicional so minimamente standartizadas e normalizadas, a escolha das
solues mais adequadas so tendencialmente viradas para estas tcnicas.
A falta de um mtodo para a seleo da soluo mais adequada face s caratersticas mais importantes
da margem erodida e da sua envolvente, leva ao objetivo deste trabalho da sua obteno. Os mtodos
referidos em 2.2. no se adequam a esse objetivo, mas tanto a classificao de Pfankuch como o
mtodo BANCS fornecem dados teis para a quantificao da eroso da margem. Estes so, no
entanto, os mtodos de recolha de dados e informao considerados mais apropriados para a
elaborao de uma metodologia de seleo de estruturas de proteo de margens, para a correta
seleo de parmetros.
A classificao de Pfankuch devido anlise muito especfica do estado da vegetao e do material do
leito do rio no se adequa no contexto deste trabalho. Ao mtodo BANCS, mais especificamente no
ndice BEHI, h a apontar a limitao de caraterizao apenas vegetao e geometria da margem.
Parmetros como a altura da margem, a inclinao do talude, a estratificao do solo e a tenso nas
margens, so referidos no mtodo BANCS e permitem a reunio de pontos chave na elaborao da
metodologia de escolha da melhor interveno de reabilitao da margem. No entanto, a relao
dessas caratersticas da margem serve apenas de apoio para uma anlise multicritrio necessria para a
resoluo do problema.
A metodologia proposta por Beidenharn adapta-se pretenso desta tese em selecionar uma estrutura
adequada a cada caso de estudo, segundo as condies existentes numa margem erodida. A avaliao
proposta por Biedenharn feita atravs de duas fases, sendo uma qualitativa e outra quantitativa no
existindo apesar de tudo garantias que a seleo de uma estrutura apenas algo que pode ser resolvido
partindo apenas pela anlise de estruturas mais completas e vantajosas, em vez de todas as estruturas
conhecidas.
Na atribuio de pontuaes para os fatores de seleo existe uma enorme debilidade pela dficil
caraterizao de cada pontuao a atribuir, pelo que se pretende contornar essa caraterstica da
metodologia atravs da ponderao de critrios facilmente caraterizveis que, numa comparao mais
difcil previamente analisada e definida, se relaciona diretamente com o comportamento da margem
aps a implantao da tcnica de reabilitao. Tambm a ausncia da sugesto de uma forma de
atribuio de pesos aos critrios torna este mtodo melhorvel, atravs de uma classificao de cada
intervalo de pontuao conforme a reao e adequabilidade de cada estrutura face ao estado da
margem.
Apesar de todas as crticas referidas metodologia proposta po Biedenharn (1997), este demonstra ser
muito adequado seleo da interveno de reabilitao da margem. Como o prprio autor afirma,
esta metodologia no um substituto a um julgamento de engenharia, mas meramente um catalisador
de um bom dimensionamento ao evitar a escolha de opes sub ou sobredimensionadas para um caso
de estudo.
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
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Ser ento necessrio incluir na anlise multicritrio para alm das caratersticas das margens, as
oportunidades e limitaes encontradas no local, a resistncia da estrutura s aes atuantes e o
impacto ambiental e visual que uma obra acarreta ao meio ambiente.
O objetivo desta dissertao passa por criar uma metodologia com base nos parmetros individuais
referidos isoladamente pelos autores revistos (Pfankuch, BANCS e Biedenharn), suprimindo as falhas
apontadas e reforando, se possvel, os pontos fortes de modo a criar uma metodologia que permita a
escolha da tcnica de proteo das margens de forma econmica e de acordo com as condies
existentes na margem a intervencionar.
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
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3 AVALIAO DO ESTADO DA
MARGEM
Neste captulo efetuada uma anlise das caratersticas das margens que mais contribuem para a sua
eroso, e que se consideram no contexto deste trabalho, condicionantes para a escolha do tipo de
interveno sobre a margem. Seja atravs da observao visual ou por intermdio de anlises e
metodologias apoiadas em tcnicas laboratoriais, a avaliao in situ do estado da margem permite
identificar as principais lacunas e pontos fracos a resolver atravs de uma interveno estrutural de
engenharia.
3.1. CARATERSTICAS DA MARGEM
3.1.1. SOLOS
Os solos so definidos pelo seu estado fsico, num determinado momento, sendo caracterizados por
trs fases: a fase slida, a fase lquida e a fase gasosa.
A fase slida refere-se s partculas de areia, siltes ou argilas e cascalhos, que constituem os mais
comuns, e as propriedades mais importantes so o peso das partculas Vs e o peso volmico .
A fase lquida compreende a gua no solo que, ou absorvida pelas partculas slidas, ou preenche
alguns dos vazios criados pelo natural imperfeito arranjo das mesmas, vazios estes que representam a
fase gasosa dos solos. As propriedades relativas a esta fase so: o teor em gua , o ndice de vazios ,
a porosidade n. O grau de saturao S o indicador da capacidade de absoro da precipitao que se
d na envolvente dos solos das margens, excepto na zona abaixo do nvel fretico que como natural
est sempre muito perto da saturao, onde o solo se encontra saturado.
Ao nvel da classificao dos solos, adequadamente para o contexto da margem de um rio,
classificam-se os solos por coesivos, no coesivos ou mistos. Os solos granulares so considerados no
coesivos e os solos argilosos so coesivos, sendo que as caractersticas e comportamento de ambos so
muito diferentes entre si.
Numa vertente de mcanica dos solos, existem pelo menos os dois seguintes critrios que so
especficos dos taludes e que so essenciais na estabilidade da margem e na resistncia ao
arrastamento das partculas: a granulometria e tipo de solo, e a estratificao do mesmo.
Para o conhecimento da composio do solo necessrio efetuar uma recolha de material in situ para
ser analisada em laboratrio.
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
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3.1.1.1. Aspetos mecnicos granulometria
A resistncia mecnica dos solos depende da sua composio, arranjo das partculas, grau de
consolidao, compacidade, coeso e do estado fsico, lquido e gasoso em que se encontra no
momento da anlise. As curvas granulomtricas das amostras recolhidas in situ sero obtidas atravs
da peneirao (Fig. 14), que consiste em deixar passar por gravidade as partculas, com ajuda de
movimentos de translao e rotao, atravs de peneiros com malhas de vrios tamanhos. assim
possvel obter a percentagem de material com dimenso superior malha de um determinado peneiro,
e avaliar o tipo de solo.
Fig. 14 Srie de peneiros ( esquerda) e relao com o tipo de solo ( direita).
Das curvas granulomtricas possvel retirar, o dimetro mdio D50 do solo, isto , o valor
correspondente ao dimetro de 50% das partculas da amostra com dimetro inferior a D50. Este
parmetro correlacionvel com o coeficiente de permeabilidade do solo , segundo Fernandes
(2006), e tambm com a maioria das metodologias para clculo das tenses de arrastamento no leito
dos rios.
No presente trabalho, as curvas granulomtricas feitas aos troos em estudo serviro, para alm da
anlise dos aspetos mecnicos do solo, para a avaliao da cumplicidade da capacidade de fixao do
solo com a vegetao comum das tcnicas de bioengenharia.
De modo a permitir uma melhor compreenso da relao entre os diferentes dimetros das partculas
de um solo e a origem das mesmas, possvel utilizar o tringulo de Feret, apresentado na Fig. 15, que
divide os tipos de materiais do solo e, segundo as percentagens obtidas na curva granulomtrica da
amostra, permite caraterizar o tipo de solo.
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
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Fig. 15 Tringulo de Feret com classificao dos solos Fernandes (2006).
Os solos granulares, ou areias, so assim considerados quando h predomnio de partculas grossas
(passados do peneiro 4,75 mm), podendo assumir um nmero infinito de arrumaes possveis entre
elas - Fernandes (2006). Neste tipo de solos se o tamanho das partculas for variado, a sua arrumao
melhor e o ndice de vazios ser menor, considerando-se assim um solo melhor graduado (Fig. 16).
Fig. 16 Curva granulomtrica de um solo melhor (em cima) ou pior graduado (em baixo).
Os solos que so constitudos por partculas mais finas que as areias (tamanhos da ordem de 1
micrmetro), na maioria correspondentes a silicatos hidratados de alumnio, ferro ou magnsio, so
denominados por argilas. As suas partculas so caracterizadas por ter uma forma laminar e pela sua
actividade qumica forte que lhe atribui uma capacidade elevada de absoro de gua, multiplicando o
seu volume inicial ao expandir. Alternadamente, quando estes solos se encontram mais secos, a
coeso aumenta em grande escala, pelas propriedades atrativas que as argilas apresentam. Com o
decorrer do tempo e a acumulao sucessiva de solos residuais ou sedimentares acima das argilas, o
peso sobre estas provoca-lhe uma melhor arrumao sob uma estrutura orientada paralela
superfcie. A reduo do teor em gua com a evoluo do tempo causa ento a consolidao do solo,
que a longo prazo se reflete em grandes assentamentos, Fernandes (2006). No caso especfico das
argilas, medida que estas ficam mais consistentes, a sua impermeabilidade intensifica-se ainda mais
Seleo e dimensionamento de estruturas de proteo de margens de rios. Aplicaes prticas
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no que toca gua precipitada numa incidncia vertical, havendo pouca alterao no nvel de
saturao do solo e do teor em gua.
No que toca resistncia do solo relacionada com a sua curva granulomtrica, reala-se a importncia
de uma propriedade que o tipo de arranjo das partculas proporciona ao solo a que se chama
imbricamento. Um solo bem graduado, principalmente falando de solos granulares, tem as partculas
bem arranjadas e o imbricamento entre elas tal que cria uma grande resistncia s tenses verticais e
horizontais a que o solo sujeito. No en
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