Avaliação do uso de pavimento permeável na redução de escoamento superficial

ARTIGO ORIGINAL

BARRETO, Ernando Trindade ^[1], NASCIMENTO, Rudgero Oliveira do ^[2]

BARRETO, Ernando Trindade. NASCIMENTO, Rudgero Oliveira do. Avaliação do uso de pavimento permeável na redução de escoamento superficial. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 06, Ed. 06, Vol. 13, pp. 137-162. Junho de 2021. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-civil/escoamento-superficial

RESUMO

Trata-se de um estudo qualitativo com o objetivo de avaliar a viabilidade da utilização de pavimentos permeáveis como medida mitigadora do escoamento superficial. Com base nos dados coletados através de uma pesquisa bibliográfica é possível identificar o impacto ambiental que as inundações urbanas têm causado no meio ambiente devido a um sistema de drenagem urbana ineficaz, sendo a utilização de pavimentos permeáveis uma medida mitigadora para o problema apresentado. O sistema de drenagem pluvial existente nas cidades é incapaz de suportar a quantidade de água escoada em períodos chuvosos. Devido à preocupação com o desenvolvimento sustentável e a preservação da qualidade ambiental, a mitigação dos impactos provocados pela ação antrópica se torna uma prioridade. As soluções clássicas para a resolução desse problema concentram-se na execução de obras hidráulicas focadas em medidas estruturais, tais como a construção de redes de drenagem, galerias etc. Contudo, essas medidas são paliativas, já que conforme o centro urbano se desenvolve faz-se necessário o remodelamento do sistema de drenagem. Esse cenário mostra a necessidade de buscar novas alternativas para atenuar os impactos causados. O pavimento permeável tem sido utilizado em uma larga escala nos Estados Unidos onde vários estados criaram leis mudando os objetivos e métodos de drenagem urbana, impondo a máxima infiltração ou armazenamento temporário da água de escoamento superficial. Com os resultados obtidos por meio da análise dos experimentos realizados nota-se a eficácia da utilização dos pavimentos permeáveis na redução do escoamento superficial.

Palavras-chave: drenagem urbana, pavimento permeável, escoamento superficial.

1. INTRODUÇÃO

O processo de urbanização no Brasil teve início no século XX, a partir do processo de industrialização. Nesse período, as cidades representavam um espaço propício para o desenvolvimento da indústria cuja oferta de emprego e de serviços, como saúde, educação e transporte eram maiores que no espaço rural. O Brasil tornou-se com isso majoritariamente urbano devido ao brusco aumento do êxodo rural.

Dentre os problemas ambientais, pode-se citar as enchentes urbanas que se intensificaram devido à grande impermeabilização do solo durante o processo de urbanização, já que os centros urbanos começaram a ter suas extensas áreas cobertas por concreto e asfalto, o que dificulta a infiltração da água da chuva no solo provocando as enchentes devido as galerias pluviais não conseguirem absorver todo o volume de água transportado.

O sistema de drenagem urbana clássico é constituído de dispositivos de microdrenagem como sarjetas e bocas de lobo para a captação do escoamento da água pluvial. No entanto, com o crescimento das cidades e consequentemente o aumento da destinação inadequada dos resíduos sólidos esse sistema encontra-se defasado por não conseguir escoar a vazão máxima do escoamento superficial, o que faz com que ocorra um dos problemas urbanos mais dramáticos para a população que são as enchentes.

Com o objetivo de minimizar os impactos ambientais provocados pelas enchentes urbanas, propõe-se a utilização do pavimento permeável que é um dispositivo de infiltração onde o escoamento superficial é desviado através de uma superfície permeável para dentro de um reservatório de pedras localizado sob a superfície do terreno (URBONAS e STAHRE, 1993).

Nesse contexto, esse trabalho tem por objetivo analisar a viabilidade da utilização do pavimento permeável na redução do escoamento superficial. Para isso, foi analisado através de artigos periódicos publicados na internet o desempenho da utilização desse dispositivo como medida mitigadora do escoamento superficial.

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

2.1 BREVE HISTÓRICO

O processo de urbanização no Brasil intensificou o fluxo migratório do espaço rural para o espaço urbano. Em busca de melhores oportunidades de emprego, grande parte da população migrou para as grandes metrópoles. No entanto, esse crescimento acelerado desencadeou diversos problemas socioambientais devido à ausência de um planejamento urbano adequado, ocorrendo um processo de favelização que apresenta condições de moradias insalubres desprovidos de serviços públicos essenciais. (MARTINE,  2010).

Segundo Turci (2007), dentre os problemas ambientais, pode-se citar as enchentes urbanas, fruto do processo de urbanização ocasionado pela intervenção do homem no meio natural através da impermeabilização do solo que fez com que diminuísse a infiltração da água da chuva no solo provocando o aumento do escoamento superficial devido as galerias pluviais não conseguirem absorver todo o volume de água transportado.

O processo de impermeabilização foi intensificado com a utilização de concreto e asfalto para pavimentar ruas e calçadas. De acordo com Bernucci et al (2008), o pavimento é uma estrutura de múltiplas camadas de espessuras finitas, construída após a terraplanagem, com a função principal de fornecer ao usuário segurança e conforto, que devem ser conseguidos sob o ponto de vista da engenharia, isto é, com a máxima qualidade e o mínimo custo.

2.2 ESTRUTURA DO PAVIMENTO

As camadas do pavimento são divididas em revestimento, base, sub-base, reforço de subleito e subleito, conforme ilustra a figura 1.

Figura 1 – Camadas do pavimento

Sendo essas camadas definidas como:

• Revestimento: camada responsável por receber diretamente as ações verticais e horizontais dos veículos, a impermeabilizar o pavimento.
• Base: camada responsável por resistir às ações do tráfego e distribuí-las ao subleito.
• Sub-base: utilizada como complemento à base com o objetivo de reduzir a espessura por razões econômicas.
• Subleito: camada responsável por servir de fundação do pavimento.

2.3 CLASSIFICAÇÃO DO PAVIMENTO

Gomez et al (2018) classificam a estrutura de um pavimento tradicionalmente em dois tipos básicos:

2.3.1 PAVIMENTO RÍGIDO

É formado basicamente por camadas que trabalham à tração, ou seja, tem uma elevada rigidez em relação às camadas inferiores. O dimensionamento é baseado nas propriedades resistentes das placas de concreto de cimento Portland. Esse pavimento é constituído de:

• Placa de concreto: a camada que desempenha ao mesmo tempo o papel de revestimento e de base.
• Sub-base: a camada empregada com o objetivo de melhorar a capacidade de suporte do sub-leito.

Figura 2 – Pavimento rígido de concreto

2.3.2 PAVIMENTO FLEXÍVEL

Ao contrário dos pavimentos rígidos, os pavimentos flexíveis são aqueles em que o revestimento é composto por uma mistura constituída basicamente de agregados e ligantes asfálticos e tem como característica não trabalharem à tração, ou seja, todas as camadas sofrem deformação elástica significativa sob o carregamento aplicado e, portanto, a carga se distribui em parcelas aproximadamente equivalentes entre as camadas. (BRASIL, 2006)

O material usado neste tipo de pavimento é basicamente composto por concreto betuminoso usinado a quente, conhecido como CBUQ conforme mostra na figura 3.

Figura 3 – Pavimento flexível

Conforme mostra Bianchi et al (2008), as principais diferenças entre o pavimento rígido e o flexível são demonstrados na figura 4 abaixo:

Figura 4 – Diferenças entre pavimentos rígidos e flexíveis

2.4 DRENAGEM URBANA

A ocupação do solo sem planejamento impactou diretamente o meio ambiente diminuindo a infiltração da água no solo e consequentemente afetando o sistema de drenagem urbana. Nos projetos de drenagem urbana são adotadas medidas estruturais através de obras de engenharia buscando escoar a água precipitada o mais rápido possível. Isso tem agravado ainda mais a situação, uma vez que tem aumentado a vazão máxima e o nível de inundação da jusante. (TOLEDO, 2017).

Os sistemas de drenagem são classificados de acordo com a quantificação do escoamento superficial. A Prefeitura Municipal de Porto Alegre (2005), divide esses sistemas em:

• Microdrenagem: sistema de condutos pluviais ou canais nos loteamentos ou na rede primária urbana com precipitações de risco moderado.
• Macrodrenagem: é projetada para atender as precipitações superiores às da microdrenagem com maiores riscos ao meio ambiente.

Com o objetivo de minimizar os efeitos ocasionados pelas enchentes devido a utilização de sistemas de drenagem inadequados, é necessário implementar medidas não estruturais que visam padrões de controle sustentáveis seguindo o Plano Diretor de Drenagem Urbana, o qual tem como princípios a adoção de medidas econômicas visando melhorar as condições de saneamento e qualidade do meio ambiente da cidade.

A tendência moderna no controle do escoamento superficial baseia-se na utilização de dispositivos permeáveis com o objetivo de aumentar a infiltração da água no solo e o armazenamento da água da chuva. Esses dispositivos buscam recuperar os processos hidrológicos alterados pelo processo de urbanização com a finalidade de resgatar os mecanismos naturais de escoamento.

Os dispositivos que podem ser utilizados são divididos em dois grupos: dispositivos de infiltração e dispositivos de retenção e detenção.

Os principais dispositivos de infiltração são:

• Trincheiras de infiltração: são estruturas lineares que armazenam a água precipitada por tempo suficiente para a sua infiltração no solo com o objetivo de amortecer os volumes superficiais. São áreas escavadas e preenchidas por material granular do tipo brita e seixos envolto em manta de geotêxtil, que funciona como um filtro aos poluentes presentes na água pluvial. (MELO et al., 2016)

Figura 5 – Trincheira de infiltração

As trincheiras possuem as seguintes vantagens:

• Redução das vazões de pico;
• Baixo custo de implementação;
• Redução dos riscos de inundação;
• Fácil construção.

 

• Poços de infiltração: são estruturas escavadas no solo que permitem o armazenamento de certo volume de água e atuam na infiltração da recarga do lençol freático. É revestido por uma brita envolta em geotêxtil na parede lateral e no fundo do poço, essa manta contribui com a infiltração para o solo do volume de água pluvial escoado para o seu interior. A figura ilustra esquematicamente um poço de infiltração de águas pluviais. (CARVALHO, 2008)

Figura 6 – Poço de infiltração

• Telhado verde: é um sistema construtivo instalado em lajes ou em telhados convencionais que possui camadas de drenagem com a capacidade de reduzir o volume de água escoado. De acordo com Baldessar (2012), um dos principais benefícios da utilização do telhado verde é a absorção do escoamento pluvial.

Figura 7 – Camadas de um telhado verde

Ceolin (2019) realizou um estudo a respeito da utilização de bacias de retenção e detenção com o objetivo de verificar o comportamento dessas bacias no controle da drenagem urbana. As bacias de detenção são caracterizadas por permanecerem secas na maior parte do tempo, ou seja, só atingem vazões de pico durante o período chuvoso e são projetadas para atender temporariamente o volume de água pluvial. Já as bacias de retenção possuem a característica de possuir um volume de água permanente e têm sido muito utilizadas com a finalidade de armazenamento de água para fins agropecuários no meio rural ou para lazer e paisagismo.

A seguir é apresentado um exemplo de bacia de detenção na figura 7 e da bacia de retenção na figura 8 respectivamente.

Figura 8 – Bacia de detenção

Figura 9 – Bacia de retenção

2.5 PAVIMENTOS PERMEÁVEIS

Para Batezini (2013), o pavimento permeável é um dispositivo de infiltração que possibilita a passagem de água e ar através de suas camadas. Virgiliis (2009), aponta que o pavimento permeável proporciona alterações no ciclo hidrológico influenciando diretamente no meio ambiente devido ao aumento da infiltração da água no solo.

Segundo Oseki (2017), o uso de concretos permeáveis vem sendo bastante utilizado nos países europeus desde o século XIX como uma solução promissora para os problemas das enchentes urbanas. Nos Estados Unidos vários estados criaram leis alterando os métodos da drenagem urbana convencional, impondo a máxima infiltração ou armazenamento da água da chuva. Com relação ao Brasil, trata-se de um método construtivo que vem sendo implementado recentemente.

Acioli (2005) ressalta que os pavimentos são conhecidos como estruturas reservatório pela sua capacidade de infiltração e armazenamento com as seguintes funções:

• Função mecânica, associada ao termo estrutura, que permite suportar os carregamentos impostos pelo tráfego de veículos
• Função hidráulica, associada ao termo reservatório que assegura, pela porosidade dos materiais, reter temporariamente as águas.

Os pavimentos permeáveis são classificados em quatro tipos de acordo com a sua finalidade, podendo funcionar como dispositivo de infiltração ou como dispositivo de retenção. A figura 10 ilustra os 4 tipos de pavimentos como estrutura de reservatório.

Figura 10 – Tipos de pavimentos com estrutura reservatório

O sistema de infiltração dos pavimentos permeáveis conforme afirma Schueler (1987) podem ser divididos de acordo com a taxa de infiltração da água no solo, sendo classificados como:

• Sistema de infiltração total: quando o solo consegue absorver todo o volume de água escoado em sua totalidade através de um dimensionamento eficaz das camadas de base e sub-base.
• Sistema de infiltração parcial: o solo não consegue absorver totalmente a água infiltrada. Nesse cenário é necessário recorrer a um sistema de drenagem que armazene a água que deixe de infiltrar.
• Sistema de infiltração para controle da qualidade da água: utilizado para recolher os poluentes provenientes do escoamento superficial da água da chuva no início da precipitação.

Figura 11 – Tipos de pavimentos permeáveis

Com relação ao tipo de revestimento dos pavimentos, Urbanas e Sathre (1993) classificam como superfícies permeáveis três tipos de pavimentos:

• Asfalto poroso: possui como propriedade a permeabilidade comparado ao asfalto convencional. É caracterizado por ser uma mistura de ligante betuminoso com agregados de tamanhos uniformes. Quando a junção dessa mistura é fraca ocorre a colmatação causada pelo próprio ligante. (VIRGILIIS, 2009)

Figura 12 – Concreto asfáltico poroso

• Concreto poroso: assim como no asfalto poroso na sua composição são utilizados apenas os ligantes e os agregados graúdos desprezando a parcela fina de agregados (areia). É utilizado em ambientes que não possuem intenso tráfego de veículos, essa limitação é devido a presença do reservatório de brita que diminui a capacidade de resistência da estrutura. (CASTRO, 2011)

Figura 13 – Concreto asfáltico poroso

• Blocos de concreto vazado: são estruturas que possuem uma abertura permitindo a passagem da água. Esses blocos são assentados sobre uma camada de areia, entre essa camada é colocado uma manta geotêxtil que impede que o bloco seja colmatado pela areia inibindo a perda da sua função.

Com a finalidade de controlar a vazão máxima e melhorar as condições ambientais, alguns trabalhos experimentais têm sido desenvolvidos no Brasil utilizando pavimentos permeáveis.

Barros e Boaventura (2019) utilizaram um simulador de precipitação para verificar a capacidade de infiltração de dois tipos de pavimentos. Os pavimentos escolhidos para a simulação do escoamento superficial foram:

• Pavimento permeável utilizando blocos intertravados;
• Pavimento semipermeável com a utilização de blocos de concreto poroso.

Esse experimento foi realizado no laboratório de recursos hídricos do CEULP/Ulbra. Dentre as superfícies estudadas os autores obtiveram os seguintes resultados conforme mostra na figura abaixo:

Figura 14 – Resultados da simulação de chuva

Através dos resultados observa-se que os blocos de concreto intertravados apresenta uma eficiência em relação ao tempo de drenagem maior do que os blocos de concreto vazados. No entanto, a capacidade de infiltração dos blocos de concreto vazados é maior devido o seu volume de vazios.

No experimento realizado por Maus; Righes e Buriol (2007) na Escola Municipal de Ensino Fundamental João Pedro Menna Barreto localizada no município de Santa Maria – RS foram avaliados quatro tipos de superfícies utilizadas na pavimentação conforme mostra a figura 15.

Figura 15 – Superfícies estudadas

Nesse experimento não foi utilizado um simulador de chuva, ou seja, dependia exclusivamente dos fatores climáticos. Foram utilizados os seguintes dispositivos para avaliar o escoamento superficial: paralelepípedo, asfalto, gramas e pavimento permeável. Além de conter um pluviômetro para medir o volume de água escoado e uma caixa com a função de armazenar a água da chuva.

Os resultados obtidos pelos autores com esse ensaio são demonstrados na figura abaixo:

Figura 16 – Superfícies estudadas

Analisando o gráfico, verifica-se que a utilização de pavimento asfáltico obteve o pior resultado na infiltração da água do solo devido suas camadas serem impermeabilizadas e um alto escoamento superficial da água da chuva. Já com relação a utilização de gramíneas e pavimentos do tipo paralelepípedo e permeável a taxa de infiltração é maior devido o alto teor de vazios.

Acioli (2005) realizou um estudo em um estacionamento localizado no Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Nesse estacionamento é utilizado o pavimento permeável dos tipos blocos vazados intertravados e o revestido por asfalto poroso numa área de 264 m², conforme mostra a figura 17.

Figura 17 – Estacionamento com pavimento permeável

A autora avaliou o desempenho hidráulico-hidrológico da implementação do dispositivo analisando os seguintes fatores:

• Precipitação;
• Análise do escoamento superficial nos dois tipos de pavimentos;
• Capacidade de armazenamento dos reservatórios

Com os resultados obtidos na análise experimental o desempenho do pavimento do asfalto poroso e do bloco vazado foi satisfatório visto que a taxa de escoamento superficial apresentou valores médios de 5% e 2,3% respectivamente.

No experimento realizado por Araújo et. al (2000) foi utilizado um simulador de chuvas. Esse ensaio foi executado no mesmo IPH da UFRGS, porém, foi analisado diferentes tipos de superfícies, sendo elas: solo compactado; concreto convencional; pavimento de paralelepípedo; pavimento com blocos de concreto; blocos de concreto vazados e pavimento poroso conforme ilustra a figura 18.

Figura 18 – Pavimentos utilizados para realizar o experimento

Os resultados obtidos devido o escoamento superficial analisando os pavimentos são demonstrados na figura 19.

Figura 19 – Resultados da análise experimental

3. PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS

Para a realização deste trabalho foi utilizado o método de pesquisa descritiva com a finalidade de abordar os impactos que o crescimento desordenado das cidades causou no sistema de drenagem urbana, apresentando medidas alternativas para a diminuição desses problemas em meio urbano, destacando a utilização dos pavimentos permeáveis.

As etapas da realização desse trabalho foram as seguintes:

• Contexto histórico sobre os impactos que a urbanização causou no meio ambiente através do processo de impermeabilização do solo para pavimentação das ruas;
• Visão geral sobre a pavimentação;
• Discussão sobre os sistemas de drenagem urbana;
• Tipos de dispositivos existentes para reduzir o escoamento superficial;
• Apresentação do pavimento permeável;
• Pesquisa de experimentos utilizando o pavimento permeável como medida mitigadora do escoamento superficial.

Foi feita uma revisão bibliográfica através de artigos publicados em periódicos, onde os autores apresentam os principais conceitos acerca do tema abordado. A pesquisa bibliográfica é feita a partir do levantamento de referências teóricas já analisadas, e publicadas por meios escritos e eletrônicos, como livros, artigos científicos, páginas de web sites.

Qualquer trabalho científico inicia-se com uma pesquisa bibliográfica, que permite ao pesquisador conhecer o que já se estudou sobre o assunto. Existem porém pesquisas científicas que se baseiam unicamente na pesquisa bibliográfica, procurando referências teóricas publicadas com o objetivo de recolher informações ou conhecimentos prévios sobre o problema a respeito do qual se procura a resposta (FONSECA, 2002, p. 32). Sendo assim, as análises e discussões transcorrerá com caráter qualitativo, com ênfase no estudo bibliográfico do tema.

4. ANÁLISE DOS RESULTADOS

Com base nos objetivos do presente trabalho, foi analisado a utilização dos pavimentos permeáveis em diferentes superfícies de pavimento através de análises experimentais, verificando a necessidade de sua implantação como medida mitigadora do escoamento superficial.

No estudo realizado por Barros e Boaventura (2009), os autores compararam a utilização de blocos de concreto intertravados e blocos de concreto vazados obtendo o seguinte resultado:

• Com relação ao tempo de geração do escoamento superficial os blocos de concreto vazado apresentaram maior eficiência;
• De acordo com o tempo para drenar os blocos de concreto intertravados obtiveram melhores resultados, uma vez que, o escoamento gerado nesse pavimento foi maior.

Esse experimento foi realizado através de uma simulação de chuva realizada no laboratório de recursos hídricos do CEULP/Ulbra conforme mostra na figura:

Figura 20 – Simulação de chuva em blocos intertravados e vazados

Já no ensaio realizado por Maus; Righes e Buriol (2007) foi analisado a taxa de infiltração de 4 superfícies do pavimento: asfalto, paralelepípedo, gramado e pavimento permeável com a utilização de caixas coletoras para o armazenamento da água escoada. Os pesquisadores obtiverem os seguintes resultados:

• O pavimento de asfalto teve um volume maior de escoamento superficial;
• O pavimento permeável obteve o melhor resultado com relação a eficiência;
• O gramado ajuda a contribuir na redução da velocidade do escoamento.

Observa-se com esse estudo diversos benefícios da utilização de superfícies permeáveis, além de contribuir com o aproveitamento da água da chuva para fins não potáveis.

Nos resultados obtidos por Acioli (2005) foram avaliados os seguintes fatores:

• Processo de implantação do dispositivo: verificou-se que não há complicações técnicas na execução do pavimento permeável por se tratar de um procedimento semelhante ao executado em obras de pavimentação.
• Desempenho hidráulico-hidrológico do dispositivo: foi analisada a precipitação, a avaliação do escoamento superficial comparando os dois tipos de pavimento e o armazenamento nos reservatórios para obtenção da eficiência do dispositivo.
• Avaliação do método de dimensionamento: foi utilizado o método da Curva Envelope para obtenção do volume máximo de armazenamento dos reservatórios.
• Manutenção: durante todo o procedimento experimental foram removidos resíduos como papel, embalagens e restos de alimento, com o objetivo de evitar a colmatação do revestimento.
• Análise de custos: foram analisados os custos unitários e totais dos dois tipos de pavimentos.

Araújo et. al (2000) fizeram um estudo das seguintes superfícies: solo compactado, pavimentos impermeáveis, pavimentos semipermeáveis e pavimentos permeáveis com o auxílio de um simulador de chuva para verificar a taxa de infiltração dessas superfícies. Os resultados obtidos demonstram que os pavimentos permeáveis reduziram satisfatoriamente o escoamento superficial comparado as outras superfícies analisadas.

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Os ensaios envolvidos nesse artigo foram analisados através de simulações experimentais e estudos realizados em campo pelos autores, verificando o desempenho de diversos tipos de pavimentos na redução do escoamento superficial. Pode-se destacar que a utilização de superfícies permeáveis contribui significantemente como medida mitigadora das inundações urbanas.

As vantagens da utilização de superfícies permeáveis destacam-se no campo econômico, financeiro e ambiental. Esses dispositivos de infiltração podem contribuir com a recarga de reservas subterrâneas, além de contribuir financeiramente na redução das dimensões do sistema de drenagem convencional.

Com base nos estudos apresentados, esse trabalho contribui com a disseminação do uso de dispositivos de infiltração, em especial, os pavimentos permeáveis. Nota-se que é de vital importância a implementação desses dispositivos nos projetos de pavimentação de áreas industriais, pátios, ruas com tráfego leve, condomínios, calçadas e estacionamentos com o objetivo de reduzir o escoamento superficial e consequentemente retardar a chegada da água no sistema de drenagem da cidade.

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^[1] Graduando em Engenharia Civil.

^[2] Orientador. Especialização em Engenharia de Segurança no Trabalho.

Enviado: Maio, 2021.

Aprovado: Junho, 2021.