Autores
Listo, F.L.R. (USP E ANHEMBI MORUMBI) ; Gomes, M.C.V. (USP) ; Vieira, B.C. (USP)
Resumo
O objetivo deste trabalho foi avaliar a variação do Fator de Segurança em profundidade a partir dos resultados do modelo matemático TRIGRS, indicando- se, assim, uma possível superfície de ruptura dos escorregamentos ocorridos em março de 1967 em Caraguatatuba, Serra do Mar Paulista. Para atingir este objetivo foi gerado um cenário de suscetibilidade a partir de dados coletados in situ, que foram posteriormente validados utilizando-se um mapa de cicatrizes de escorregamentos. Os resultados apontaram uma superfície de ruptura entre 2,00m e 2,50m. A identificação desta possível superfície de ruptura poderá ajudar num futuro monitoramento hidrológico e geotécnico, sobretudo para definir com precisão a localização da instalação de instrumentos, como sensores de umidade, por exemplo.
Palavras chaves
TRIGRS; Fator de Segurança; Escorregamentos translacionais rasos
Introdução
É notório, na última década, o crescimento da utilização de modelos matemáticos em bases físicas para previsão de áreas suscetíveis a escorregamentos. Estes modelos, cujo desenvolvimento é fundamentado em leis físicas, se baseiam em modelos de estabilidade e hidrológicos, tendo como principais parâmetros de entrada dados topográficos e propriedades físicas e mecânicas dos solos (SELBY, 1993; GUZZETI et al., 1999; van WESTEN, 2004). Sua ampla utilização está associada à redução da subjetividade na avaliação de estabilidade das encostas, uma vez que os graus de suscetibilidade são quantificados em valores absolutos, por meio do cálculo do Fator de Segurança (TERLIEN et al.,1995). Dentre estes modelos, observa-se que alguns se destacam pelos resultados satisfatórios obtidos, como o SHALSTAB (Shallow Landslide Stability) (MONTGOMERY e DIETRICH, 1994), SINMAP (Stability Index Mapping) (PACK et al., 1998) e TRIGRS (Transient Rainfall Infiltration and Grid-Based Regional Slope-Stability) (BAUM et al., 2002). Enquanto o SHALSTAB e o SINMAP se baseiam em modelos de estabilidade associados a um modelo hidrológico steady-state, o TRIGRS calcula a variação do FS em diferentes profundidades, conforme a mudança na pressão da água no solo ao longo de um evento pluviométrico, ou seja, é transiente (BAUM et al., 2002). Este diferencial do TRIGRS em relação aos demais modelos matemáticos está associado ao modelo hidrológico utilizado, que assume a existência de uma frente de infiltração, considerando-se apenas o fluxo vertical, normal à superfície. Além dos parâmetros topográficos e mecânicos dos solos, são consideradas as características dos eventos pluviométricos e sua variação ao longo do tempo, como a intensidade dos eventos e a duração acumulada destes. Um de seus resultados finais apresenta a profundidade do solo com valor de FS<1, ou seja, poderia indicar uma possível superfície de ruptura. Acredita-se que, por se tratar de um modelo de caráter transiente, o TRIGRS é mais apropriado para prever instabilizações em encostas cujas características pedológicas e geológicas não favorecem a formação de um nível freático suspenso ou a saturação total do solo, como ocorre na Serra do Mar (SP). Suas encostas íngremes, recobertas com perfis de alteração moderadamente desenvolvidos, são periodicamente atingidas por chuvas intensas e prolongadas, o que a torna altamente suscetível aos escorregamentos (MEIS e SILVA, 1968; DE PLOEY e CRUZ, 1979). A frequência dos escorregamentos na Serra do Mar há décadas motiva a realização de pesquisas para identificação de seus fatores condicionantes e previsão de áreas suscetíveis. Nesse sentido, Vieira et al. (2015) e Gomes e Vieira (2016) realizaram levantamentos in situ de propriedades físicas, mecânicas e hidrológicas dos solos da bacia do rio Guaxinduba, em Caraguatatuba, litoral Norte do estado de São Paulo, onde existem diversas cicatrizes de escorregamentos do evento de 1967. Estas pesquisas buscaram compreender a influência destas propriedades na deflagração dos escorregamentos rasos e também fornecer uma base de dados obtidos in situ para utilização em modelos matemáticos, uma vez que são esperados resultados mais precisos a partir destes, a despeito do custo elevado e tempo necessário para as coletas em campo. Desta forma, o objetivo deste trabalho foi avaliar a variação do Fator de Segurança em profundidade a partir dos resultados do modelo TRIGRS, indicando-se uma possível superfície de ruptura, e sua relação com parâmetros geotécnicos e hidrológicos coletados in situ.
Material e métodos
O modelo calcula a suscetibilidade aos escorregamentos translacionais utilizando parâmetros topográficos; geotécnicos e pluviométricos. Assim, foi gerado um cenário de suscetibilidade a partir de dados coletados in situ, que foram posteriormente validados utilizando-se um mapa de cicatrizes dos escorregamentos de 1967. Em relação aos parâmetros topográficos, utilizou-se um Modelo Digital do Terreno com resolução de 25m2 fornecido pela EMPLASA (2011), elaborado por meio da tecnologia LiDAR (Light Detection and Ranging) baseado em nuvens de pontos coletados. Nos parâmetros geotécnicos, os valores de coesão (4kPa), de densidade do solo (15kN/m³) e de ângulo de atrito (34º) foram coletados in situ por Vieira et al. (2015) e os valores de condutividade hidráulica saturada (1,0x10-5 m/s) foram coletados também in situ por Gomes e Vieira (2016) em três cicatrizes na bacia do rio Guaxinduba (C1; C2 e C3). A partir daí foram abertos três perfis em cada cicatriz até a profundidade de 2,50m - no topo, na lateral e em seu interior. A localização dos perfis considerou o fato de se presumir que o material mobilizado pelo escorregamento se assemelha ao do entorno da cicatriz, e, considerando-se os perfis do topo e do interior, obtém-se o perfil completo do manto de alteração. A coesão e o ângulo de atrito interno foram obtidos a partir de um ensaio de resistência ao cisalhamento direto inundado com seis blocos indeformados nas seguintes profundidades: C1 (0,45m e 1,45m); C2 (0,60m e 2m) e C3 (0,45m e 2m). Nas mesmas cicatrizes, Gomes e Vieira (2016) mensuraram, por meio do Permeâmetro de Guelph, a condutividade hidráulica saturada até 2,50m de profundidade. Destaca-se que para os valores da altura inicial do lençol freático (d=3m), da taxa de infiltração inicial (ILT=1,0x10-9 m/s) e da difusividade hidráulica (D0=5,5x10-4 m2/s) foram utilizados valores do Default do modelo, sendo os mesmos considerados consistentes na ausência de valores coletados in situ. Para os valores da altura do lençol freático (3m), utilizou-se o mesmo valor da profundidade do solo (3m), devido tanto às indicações de Baum et al. (2002) quanto às condições de saturação observadas na época do evento por Cruz (1974) após três meses de chuvas contínuas. Os parâmetros pluviométricos foram extraídos de três postos pluviométricos do Sistema SIGRH/DAEE (Sistema Integrado de Gerenciamento de Recursos Hídricos do Estado de São Paulo/Departamento de Águas e Energia Elétrica), considerando a consistência dos dados; a localização geográfica do posto em relação à Bacia do Guaxinduba e as séries temporais relativas aos escorregamentos de 17 e 18 de março de 1967. Para a validação dos cenários foi realizada uma análise de concordância com o mapa de cicatrizes dos escorregamentos de 1967 de Vieira e Ramos (2015). Estes autores identificaram 188 cicatrizes, para as quais foram calculados os índices baseados em Gao (1993): Concentração de Cicatrizes (CC) e Potencial de Escorregamentos (PE). Em cada cenário também foi calculado o índice Frequência de Distribuição (FD). Para a análise do Fator de Segurança em profundidade, escolheu-se uma área inferior da bacia (subbacia a oeste) com diferentes graus de suscetibilidade e presença de cicatrizes para esta avaliação. Dessa forma, foi possível verificar: (i) em qual profundidade do solo ocorreu FS<1 e (ii) uma relação mais específica desta profundidade com os dados de entrada, sobretudo, coesão, ângulo de atrito e condutividade hidráulica saturada.
Resultado e discussão
Modelo TRIGRS
O modelo apresentou em relação ao índice FD (Fig. 3.1) 71% de áreas
previstas em classes de instabilidade (FS≤1). Na Concentração de Cicatrizes
(CC) a classe de maior instabilidade apresentou o maior percentual (cerca de
37%) e a segunda classe mais instável, 30% (Fig. 3.1). Dessa forma,
considerando-se o somatório das classes instáveis verificou-se um alto
percentual de acerto (67%). No Potencial de Escorregamentos (PE) as classes
instáveis apresentaram 7% e as classes estáveis apenas 2,2% (Fig. 3.1),
estando, portanto, em concordância com as áreas previstas como instáveis
pelo modelo e as cicatrizes.
A classe mais instável (0,4 e 0,8) concentrou-se predominantemente nas
subbacias a oeste e a sudoeste e em menor proporção, a noroeste da bacia. A
sudoeste e a oeste da bacia ocorreram ângulos acima de 30º e 40º,
entretanto, a noroeste ocorreram ângulos mais suaves (≤20º). As áreas mais
instáveis apareceram nas subbacias com maior valor de área de contribuição.
Já com relação à forma, houve uma coincidência de áreas instáveis de forma
mais equilibrada com as feições côncavas, retilíneas e convexas, não sendo
possível correlacionar a forma da encosta com as áreas instáveis.
Variação do FS conforme a profundidade do solo
Os resultados apontaram uma superfície de ruptura entre 2,00m e 2,50m (Fig.
3.2). Ao analisar em conjunto este intervalo de profundidade com os
parâmetros de entrada do TRIGRS, sobretudo com a Ksat, c’ e θ, observou-se
que nas três cicatrizes a profundidade mais próxima de análise destes
parâmetros equivale a 2,0m. Nesta profundidade, observou-se para C1, c’ =
1,19kPa; θ = 31,9º e ksat = 10-4 m/s; para C2, c’ = 11,05kPa; θ = 36,9º e
ksat = 10-5m/s e, para C3, c’ = 0kPa; θ = 33,5º e ksat =10-5m/s (Tab. 3.1)
(GOMES, 2012; FERREIRA, 2013).
Em relação à granulometria dos solos nas cicatrizes, Vieira et al. (2015)
verificaram que, até aproximadamente 1m de profundidade há um aumento do
percentual de silte e argila, esta última apresentando baixa atividade ou
inatividade. A partir de 1m, há um aumento progressivo de areia, alcançando
em torno de 80% aos 2m. Esta distribuição granulométrica pode levar à
instabilização das encostas a partir de dois mecanismos: (i) o
desenvolvimento de poro-pressões positivas onde há maior concentração de
silte e argila, uma vez que esta não está associada à formação de agregados
que favoreçam a drenagem vertical no perfil e (ii) o elevado teor de areia
permite com que a frente de infiltração avance a maiores profundidades,
podendo, durante os eventos pluviométricos intensos e prolongados, atingir
rapidamente o limite de liquidez.
Embora os valores de Ksat obtidos por Gomes e Vieira (2016) não tenham
apresentado grande amplitude (10-6m/s a 10-4m/s), foram identificadas
descontinuidades hidráulicas significativas entre 1m e 2,5m. Ainda que o
TRIGRS não considere a variação vertical das propriedades dos solos,
observa-se que houve semelhança entre a potencial superfície de ruptura e a
redução da Ksat (Figura 3.2).
Em outros trabalhos, que também avaliaram escorregamentos rasos na Serra do
Mar (WOLLE e CARVALHO, 1989; CAMPOS et al., 1992 e MENDES, 2008), verificou-
se que os planos de ruptura estavam localizados entre 1,50m e 2,0m, acima da
superfície potencial de ruptura identificada nesta pesquisa. Wolle e
Carvalho (1989), por exemplo, afirmaram que as rupturas na Serra de Cubatão
em 1985 ocorreram no contato entre o solo coluvionar e o saprolítico. No
entanto, é importante ressaltar que os litotipos predominantes em ambas às
localidades são diferentes daqueles que constituem majoritariamente a bacia
do rio Guaxinduba, certamente influenciando na resistência dos solos.
Mapa de suscetibilidade gerado pelo modelo TRIGRS e índices de FD; CC e PE. Parâmetros utilizados: c’ = 4kPa; ρs = 15kN/m³; Zmax = 3m; ϕ = 34º; d = 3m
Variação do Fator de Segurança (em vermelho) e da Ksat (em azul) conforme a profundidade do solo (TRIGRS).
Parâmetros de entrada do TRIGRS (ksat; c’ e ângulo) em diferentes profundidades. Em vermelho, destacam-se as profundidades mais próximas de 2,25m.
Considerações Finais
A maioria das pesquisas que já utilizaram o modelo TRIGRS, usaram valores geotécnicos e hidrológicos disponíveis na literatura, muitas vezes em função do déficit de mapeamento em escalas de detalhe e de sondagens de campo. No entanto, esta pesquisa utilizou valores levantados in situ para a análise do Fator de Segurança com mais precisão na bacia. Ressalta-se, assim, a importância da identificação da superfície de ruptura dos escorregamentos usando o modelo TRIGRS, pois tais valores podem ajudar no planejamento de um futuro monitoramento hidrológico e geotécnico em tempo real, sobretudo para identificar a localização mais precisa dos instrumentos, como sensores de umidade, por exemplo.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao CNPq (Edital Universal 480515/2011-5) e à FAPESP (Processo 2014/10109-2) pelo apoio financeiro de parte desta pesquisa. À EMPLASA (Contrato de Licença de uso CLU Nº 049/14) pela doação do MDT do município de Caraguatatuba.
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