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1 Geofísica Elétrica aplicada a Geotecnia para investiga ção de estabilidade de taludes Fernando da Fon toura X avier Tecge ofisica, Florianópolis, Santa Ca tarina, B rasil, tecge ofisica@tecgeof isica.com.br Resum o : Este traba lho m ostra a ap licação e resultados da Geofísica Elétrica aplicada a Geotecni a para investig ação de estab ilidad e de talude s. O estu do ini cia após um escorregam ento e o interesse da Empresa sediada n o loca l, Joinv ille, S C, em conhece r riscos futuros e ações a serem tomadas a curto, médio e long o prazo. A decis ão da apli cação da Geo física Elét rica pa ra o m apeamento do sub solo dá- se principalm ente pe lo não ag ravam ento da situação já existente, de insta bilidade do talude. Este método investigativ o não é invasivo e não gera nenhum movimento de solo ou subsolo na área ou seu entorno. O Estudo Geo físico se concentrou na investigação e definição da espessura do solo, posição da rocha, nível freático, presença de blocos, direção pre ferenci al do fluxo subterrâneo e planos preferenci ais de escorregam entos, obtendo inform ações i m portant es e conf iáveis de com o se com porta o sub solo na área de estudo permitindo o m elho r direcionam ento e p rogram ação das f ases pos teriores, de prev enção e remediaç ão. Abstrac t: This work shows t he applicat ion and results of geophy sical electric al applied to Geotecnia for the s tabili ty of slopes resea rch. The s tudy starts after a sl i pping and the company' s i n terest in local, Joinville, SC, to know future risks and actions to be taken in the short, medium and long t e rm. T he decision of the application of Geophysics electrical underg round mapp ing is mainly by reducing the existing situation, slop e instability . This m ethod is not intrusive inv estigativ e and doe s not gen erate any m ovement of s oil or sub soil or its surround ing area. The study geophy sical surv eys focused on research and definition of thickness , position of soil, groun dwat er level ameliorant, presence of blocks, unde rground flow pref e rred direction and preferred plans, slides scrip ts obta ining importan t and reliable as behaves the subsoil in the study area allowing better targ eting and subsequen t stages o f prog ramm ing, prevention and rem ediation. 1 INTRO DUÇA O No Brasil, o crescente número de deslizam entos em áreas urbanas e habitadas trazendo em sua maioria vítimas fatais, destruição de moradias, de áreas comercia is e indu striais, co m incalculáveis prejuíz os diretos e indiretos traz um a questão importante para a Geologia e G eotecnia: insis tir e divulg ar a importânc ia do diagnóst ico do s ubso lo, primeiro de forma prev entiva, em locais com potencial d e risco e de ou tro lado, mapeam ento geológ ico- geotécnico após ocor rência de mov imentos de terra para evitar e/ou anunc iar nov as ocorrê ncias e b alizar as diversas formas de intervenção . O mapeam ento de subso lo seja raso, profundo ou muito pro fundo atrav és dos div ersos m étodos geofísicos tem um pri nc ípio em com um, são ensaio s não-d estrutivos ou não i nvasivo s, ou seja, sem penetração física no m eio investigado. Souza ( 198 8) e Souza (2006) apr esentam vários exemplos qu e ratificam a im portância d a Geofís ica nos tempos atuais, princip almente n o que se refere as interferênc ias no meio am biente, a legislação ambienta l e a excele nte rela ção custo- benefíc io. A Geofísica Elé trica se apresenta com o ferramen ta par a d iagnó stico geo técnico, uma investig ação sem qualquer i m pacto físico, de baixo custo, com rapidez de execução e de resultados . Torna- se um di ag nóstico rico de informações para decisões geológica s e geotécn icas c om o o caso a seguir apres entado de sencadeado em conseqüênc ia dos episódios de Novembro de 20 08 em Santa Catarina, que cas tigaram , principalm ente, as regiõ es do Vale do Itajaí e Norte Catarinens e. Especialm ente na área estudada ocorre ram mov imentos de massa nas encostas. O s proprietá rios, atrav és de seus con sultores, op taram pela investig ação por meio indiret o (eletrorres istividade), pois além dos resultado s serem comprovadam ente eficazes, a situaçã o de risco da encos ta é muito alta, sugerindo novos mov imentos. Ainda Souza (2006) levanta uma característ ica única dos result ados alcanç ados através de métodos geofísicos, que é a visualização co ntínua do subsolo, em duas ou três dimensõ es, trazendo um a visão mais ampla da área de estudo o que, se comparado a métodos convencionais de investigação seria 2 praticam ente impo ssível, mesm o se unidos o s dados pontuais, ainda que muito próxim os, o que usualmente não é possível, seja devido a custos, seja devido a tempo de e xecução, e ainda se acrescenta rmos o fator tipo de área a ser estudada, riscos a des lizam entos. 2 ÁR EA D E ES TUDO E C ONTE XTO GEOL ÓGICO A área de estudo está localizada no Distrito Indu strial de Joinville, SC, na Rua Santos Dum ont nº 3800 de propriedade e ocupação da Indústria Metalúrg ica Pirâm ide (Figu ra1). Figura 1: L ocalizaç ão área de estudo A área de estudo (180m x 240m) est á inserida no contexto geológic o de rochas gnáissicas do Com plexo Granulítico de Santa Catarina. A base geológ ica utilizad a refere- se ao Mapa Geológ ico Folha Joinville, CPRM, 1981, na escala de 1:250.000. Este Complexo se apr e senta na áre a comp osto por g naisses granulíticos l euc ocrático s, caracteriz ados mesosco picam ente por um a granulação extrem am ente variável, desde fina a grosseira, predom inando os tipos finos a médio. A foliação é constitu ída por alternânc ias de bandas milim étricas e cent imétricas de mate rial quartzo feldspático e banda s milim étricas de materia l máfico. A coloraçã o predom inante é cinza médio a cinza- escuro, com tonalidade esverdeada. No geral, os raros afloram entos estão alterados e friáveis, e quando inalterado s mostram- se bastante endurecido s. As princip ais caracter ísticas g eotécnicas d estas rochas di z em respeito à textura maciça a grosseiram ente bandada nas po rções de textura média, finam ente bandada , nas porções de textura mais fina, solos espess os e pouco friáveis, alteraç ão em forma de blocos e m atacões, er osão diferencial e escorregam entos do tipo cir cular. Xav ier (2005 ). A paisag em ori g inal foi pa rcialm ente m odificada por cortes (na b ase da e ncosta) e retaludam entos realizados ao l ongo da urban ização do D istrito Indu strial. Especificam ente na área estudada o processo de urbanização se deu atrav és de p equenos cortes, retaludam entos e construç ão de muro de contenção (Figu ra 2). Figura 2: V ista da ár ea ante s do escor regam ento Figura 3: V ista da ár ea apó s escorreg am ento O his tórico da área diz respeito a m ovim entos de massa ocorridos na encosta localizada no s fundos do terreno em novem bro de 2008. O mov imento de maior magnitude atingiu, em parte, as instalações da referida Em presa. (F iguras 3 e 4). 3 Figura 4: I nstalações ating idas, pared e dest ruída. 3 METOD OLOGI A Os trabalho s de Sondag em Geofísica ocorre ram dentro de um contexto de trabalho integrado, envolv endo também levantam ento de dados já existentes. Foram r ea lizados estudos geoelétricos (Método da Eletro rresistiv idade) através de Caminham ento Elétrico (CE) e Sondagem Elétrica Vertical (SEV) com a finalidade principal de determ inar as camadas de cobertura, presença de blocos, posição da rocha, planos p referenciai s para escorregamen tos, o níve l do lençol freático e o sentido preferencial do fluxo subterrâneo. Desta forma os CEs e as SEVs for am plotados de mod o a cobrirem a área do terreno da Em presa. Foram 1.200m lineares de Cam inham entos Elétricos (distribuído s em 6 CEs) e 2 Sondag ens Elétricas Verticais (AB m áxim o de 200m ). O método da e letrorr esistiv idade em prega uma corrente elétrica artif icial que é introduzida no terreno através de dois eletrodos (denom inados de A e B), com objetivo de medir o potencial gerado em outros dois eletrodos (deno minados M e N) n as proximidad es do fluxo de corrente, permitindo assim calcu lar a resistiv idade real ou aparente em subsuper fície. Elis ( 2002). A resistividad e elétr ica relacion a- se aos mecanism os de propagação de corrente elétrica nos materiais. Em geral, a propagação de corrente elétrica em sol o s e rochas se dá devido ao deslocam ento de íons dissolv idos na água contida nos por os e fissuras, sendo afe tada principalm ente pela composição mineralóg ica, porosidade, t eor em água e quan tidade e natur eza dos sais dissolvid os. Apparao (199 1). O equipam ento u tilizado \u2013 RESIS TIVÍMETRO consiste, basi camente, de um a fonte controlada para emissão de co rrente elétrica e m edidores para a corrente e a diferença de potencia l gerad a. A potência da fonte aqu i utiliz ada foi d e 150 Watts. Existem duas técnicas básicas para aplicação do método, aquela destinada a exploração horizontal /lateral, o Camin ham ento Elétrico - CE e outra, de stinad a a investigação vertical, a Sondagem Elétrica Vertical \u2013 SE V. 3.1 Cam inham ento Elétrico - CE A técnica do Caminham ento Elétrico, ao con trário da SEV, tem como objetivo a investigação horizontal a uma ou várias profund idades aproxim adam ente cons tantes com medidas efetuadas ao long o dos perf is. Isso é obtido f i xando- se um espaçamento de eletrodos e caminhando- se com os m esmos ao longo de perfis realiz ando as medidas de resistivida de aparente \u2013 Arran jo dipolo \u2013 dipolo (Figura 5). É importante salient ar que a pro fundidad e de investig ação não dep ende unicam ente da configuraçã o geom étrica do si stema de m edidas , mas também dos cont rastes das resistiv idades nas litologias em subsup erfície. Gallas (20 00). Segundo G allas (2000), a g rande vantagem da utilização do Arran jo dip olo- dipolo é o fato de se tratar de um arranjo sim étrico, sen do mais fácil a interpretaçã o de uma pseudo-seção, principalm ente para se dete rminar com segurança a po sição de um a anom alia. Os dados sofrem, o que se chama de inversão geofísica, e são interpretados, neste trabalh o, pelos softwares RES 2D INV e RES 3D IN V gerando assim as imag ens elétricas em 2D e 3D respectiv amente. Em determinadas situaçõ es interpretaçõ es em 3D passam a ter r e levânc ia e devem ser aplicad as. Gando lfo (2005). Figura 5: Arranjo dipolo- dipolo com diferentes profundidad es de investig ação. Galla s (2000). 3.2 Sondag em E létrica Ver tical - SEV Esta técnic a é ap licada quando se de seja um a inform ação pontual com observação da variação vertical da resistividade. O arranjo de campo escolhido é o denominado Schlum berger, onde os eletrodos de co rrente são reg ular e simetricam ente expandidos com relação ao ponto investigad o Apparao (1991). Os v alores de resistivid ade aparente são calcu lados f orn ecendo a curva de resistividad e aparent e, a qual é in terpretada quantitativ am ente, at rav és da inv ersão e do software IX1D v.2. Os resultados possibilitam a associação 4 das cam adas geoel étricas à estratos geoló gicos \u2013 variação do perfi l litológico (Figura 6 ) Figura 6: Modelo de Schl umb erger. Modificado de Elis (2002 ). 4 RESU LTADOS OBTI DOS Foram realizados estudos geoelétricos de Cam inhamento Elétrico e Sondag em Elétrica Vertical com a finalidade principal de determ inar as camadas de cobertura, presença de blocos, posição da rocha, p lanos pr eferenci ais para esc orregam entos, o nível do lenço l freático e a direção preferenc ial do fluxo sub terrâneo. Desta forma os CEs e as SEVs for am plotados de mod o a cobri r em a área do terreno. Foram 1.200m lineares de caminhamento s elétrico s (distribu ídos em seis CEs) e duas Sond agens Elétricas Verticais. (Figura 7). Figura 7: L ocalizaç ão das s ondagens g eofísicas O im ageamento elét rico 2D com preende o estudo dos materiais em profundidad e propiciando um a vista em perfil da área. Para a presen tação foram selecionada s três i m ag ens, CE 01, CE 02 e CE 03, do total de seis, que rep resentam o perfil da enco sta, alvo princi pal deste estudo. 4.1 Cam inham ento Elétrico \u2013 CE Os Cam inham entos Elétri cos, de nom inados de CE 01, CE 02 e CE 03 foram realizados paralelam ente a encosta no azim ute NW. O arranjo de eletrodos utilizado para todos os CEs é o dipolo \u2013 dipolo com espaçam ento de 15m e seis (6) ní v eis de investig ação. As interpretações dos Caminham entos Elétricos foram realizadas com auxílio do software RES 2D INV e, na área em estudo, partiu de um mo delo a priori, evoluindo- se par a modelos de trabalho e mod elos finais. Os CEs tiveram como principal objetivo a identificaçã o das camadas geoelétric as e suas distribuiçõe s laterais . Nas figuras 07, 08 e 09 são apresentada s as seções modeladas de res istividade, obtidas pela inversão que ajusta os dados de resistividad e aparen te medi das em campo . As seções de resistiv idade mo straram que os valores de resistividad e entre 34 e 45 0 oh m.m são inte rpretados como sendo rel ativo ao material natural predominan tem ente argil o- arenoso. Já os valo res entre 450 e de 900 ohm .m s ão interpretados com o material rochoso alterado/fratu rado. Para a rocha sã a resistivid ade ficou acim a dos 900 o hm.m . As imag ens indicaram que o subst rato rochoso tem form a ondulada. Es ta form a ondulada apresenta uma superfície de contato com o solo que pode se constituir em plano sujeito a mov imentos de massa (por exemplo, escorreg amento circular). Os \u201ccaminhos\u201d da ág ua sub terrânea são iden tificado s pelos baixos valores de resistiv idade como também pela geometria da imagem , da encosta ( c ôncavo- convexa) e do substra to rochoso. Tam bém foi possível identificar a prese nça de di v ersos blocos e matacões envol tos na massa de solo. (Figuras 8, 9 e 10). Os imag eamentos elétr icos em 3D foram obtidos com os dados dos CEs apres entando imagens em planta a d iferente s profund idades com seis nív eis de investig ação: nível 1= 0 a 5,25m ; nível 2 = 5,25 a 11,3m ; nível 3 = 11,3 a 18,2m; nível 4 = 18,2 a 26,2m ; nível 5 = 26,2 a 35,4m , nível 6 =35,4 a 46,0m , gerando um a v ista em 3D. Os ní v eis 1, 2 e 3 estão caracterizando, além da cobertura com post a por material arg ilo-arenos a, a presença de vários blocos e matacões (em azul escuro na imag em) imersos nesta massa argilo- arenosa. ( F igura 11). O bservam -se ainda os caminhos preferen ciais da água subterrânea , indicando nes tes, os locais preferen ciais para a ocorrência dos movimen tos de massa. O s en tido do fluxo sub terrâneo é de sude ste para n oroeste. Nos níveis 4, 5 e 6 com eça a predom inar a presença da roch a, de sã a alterada fra turada. A anom alia mais m arcan te é a linha de fratura qu e corta a área na direção norte-su l. O fluxo subterrâneo começa a obe decer a linha de fratura, diminuindo sua int ensidade com a profundida de. 5 Figura 8: I m agem elétrica 2 D com interpre tação geo lógica \u2013 CE 01 Figura 9: Imagem elétrica 2D com i nterp retação geológ ica \u2013 CE 02 Figura 10: Im agem elétrica 2D com interpre tação geológ ica \u2013 CE 03 6 Figura 11 : Im agem elétrica 3D com interpre tação g eológ ica. 4.2 Sondag em E létrica Ver tical - SEV Foram realizadas duas son dagens (SEV 01 e SE V 02) e os locais para sua execução f oram determ inados em função dos resultados obtidos no imag eamento elétrico 2D bem como nos objetivos propostos. S endo a SEV 01 realiz ada na base do talude p róxim o a um dos escorregam entos oco rridos e a SEV 02 foi rea lizada no topo da en costa. Os dados geofísicos foram tratados no software IX 1D, onde for am geradas as curvas e os modelo s interpretat ivos das SE Vs. Estes i n dicam uma diferença (constatada também nos CEs) na espessura de cobertura, se ndo muito m ais espessa (22,9m ) na SEV 02 do que na SEV 01 (8,2m). Também podemos observar a diferença no nível do lençol fre ático, 3,9m na SE V 01 e 8,2m na SE V 02. Com base nos procedimentos de interpretaçã o, o mod elo de quatro estratos foi o que melhor se ajustou as curvas, possuind o a seguinte seqüên cia geoelétrica ( Figura 1 2): Figura 12: Modelo geoelétrico interpretado \u2013 SEV 01. 7 Figura 13: Modelo geoelétrico interpretado \u2013 SEV 02 5 CON CLUSÕ ES A aplicação de métodos geofísicos elétricos e seus resultados têm si do amplamente docum entad a e publicada, seja para pesquisas de água subterrâ nea, seja para estud o de conta m inação de aqüíferos ou pesquisa minera l das mais div ersas. Em geotecnia o uso se dá em mapeam entos de subsolo para apoio a obras de engenharia, com o usinas e pequenas centrais hidrelétrica s, barrag ens, túneis rodoviário s, projetos para instalaç ão de gasodutos, entre outros. Ocorre que, além de resultados confiáveis, no caso do presente estudo, a questão dos riscos geológicos iminentes e mov imentos que podem potencializá- lo trazem para o cam po da Geofísica Elétrica uma nova vantagem diret a, já conhecida, mas nunca antes tão importante, m apear su bso los s em correr riscos - sem interfer ir no a mbiente. As principais vantagens desta técnica geofísica, além de não ser um método invasivo, são a facilidade de aquisição d e d ados, a r ealização de leituras em diversas pro fundidad es, a v ersatilidad e do equipamento em campo e a po ssibi lidade de varredura de grandes á reas num curto espaço de tempo.G oldstein et al (199 0). A área estud ada está inserida em um contexto geológ ico de rochas gnáissicas com espessura de cobertura de até 22m. Os valores de resistividade encontrado s para os materiais são compatívei s com os indicados n a b ibliografia especializ ada. Os im ageamentos elétricos 2D i den tificaram as camadas geoelétricas e sua distribuição lateral. O s materiais variam de cob ertura argilo sa saturada ou não até a rocha consolidada . As seções de resistividad e mostraram que os valores de resistividad e entre 34 e 45 0 oh m.m são inte rpretados como sendo relativo ao material natural predominan tem ente argil o- arenoso. Já os valo res entre 450 e de 900 ohm .m s ão interpretados com o material rochoso alterado/fratu rado. Para a rocha sã a resistividade ficou acima dos 900 ohm.m. Também podem os infer ir que o subst rato tem forma ondulada. Esta form a ondulada gera planos preferenc iais para m ov imentos de massa, principalm ente no contato solo-rocha. As imagens indicam o possível \u201ccaminho\u201d da água subterrânea, sugerindo um desencadeamen to de movim ento com geom etria rotacion al/circul ar. Os imag eamentos elétrico s em 3D indicaram a distribuição dos materi ais em planta, ident ificando principalm ente as heterogeneidade s nas camadas investig adas, dis tribuição em área e a d ireção d o fluxo subterrâneo. Os nív eis 1, 2 e 3 estão caracteriz ando, além da c obertura saturada ou não comp osta por mate rial argilo- arenosa, a presença de vários blocos e matacõ es (em azul escuro na imag em) im ersos nesta m assa argi lo-arenosa . Observam -se ainda os cam inhos pref e renciais da água subte rrânea, i nd ica ndo nestes , os locais preferenc iais para a ocorrência dos movim entos de massa. O sentido prefere ncial do fluxo subte rrâneo é de sudeste para no roeste. Nos níveis 4, 5 e 6 com eça a predom inar a presença da rocha (de sã a alterada fratu rada) e a anom alia mais m arcan te é a linha de fratura qu e corta a área na direção norte-su l. O fluxo subterrâneo começa a obe decer a linha de fratura, diminuindo sua int ensidade com a profundida de. A técnica da Sondagem Elét r ica Vertical \u2013 SEV nos pe rmitiu definir a e spessura dos materiais de cobertura, a zona saturad a e a po sição da rocha consolidada. As heterogeneidad es dos materiais de cobertura influenci aram diret am ente na interpretaçã o das camadas geoe létricas. As variações fo ram da ordem de milhares de ohm .m , identificando materiais bastante resistiv os, acima de 9.000 ohm.m a materiais mais condutores, abaixo dos 50 ohm .m. A posiç ão do maciço r och oso também foi obtida através da ascensão da curva de resistividad e a ± 45°. A espessura de cobertura , confirm ando os imag eamentos elétricos, é maior na porção superior da encosta (22,9m) e bem m ais reduzida (8,2m ) na b ase de sta. O método da eletror resistivid ade, o m odelo utilizado e a interpretação g eológica se m ostraram uma ferramenta eficiente na definição dos pr incipais parâmetro s de avaliação dos processos de form ação dos mov imentos de m assa, como por exemplo, espessura de cobertura, perfil contínuo do topo rochoso, presença de blocos e matacõe s, nível do lençol f reático e planos de movimen tação. Desta forma colabo rando na corre ta ação preven tiva ou em intervençõe s poste riores. 8 6 REFER ÊNCI AS BIB LIOGRÁFI CAS Apparao, A. (1991) Geoelectric Profiling . Geoexplora tion. Elsevier Science Publishers B.V. Vol. 27, Am sterdam , 351-3 89. Elis, V.R. (2002) Geofísica ap licada ao estudo de poluição de solos e águas subterrâneas. Aplicação de métodos geofísico s na caracteriz ação de áreas poluídas . 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