Apostila Barragens 05-2003

Universidade de Brasília

Faculdade de Tecnologia Dept. Engenharia Civil & Ambiental Prog. de Pós-Graduação em Geotecnia

APOSTILA DE BARRAGENS

Prof. André P. Assis, PhD

APOSTILA: Publicação G.AP-AA006/02 Assis, A.P., Hernandez, H.M. & Colmanetti, J.P.

BRASÍLIA, DF 2003

Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Civil e Ambiental / FT Geotecnia

ÍNDICE

CAPÍTULO 1 1. FASES DE ESTUDO E PROJETO

1 1

1.1 Introdução

1

1.2 Das finalidades de uma barragem

1

1.3 Do estudo global de uma Bacia Hidrográfica Hidrográfica 1.3.1 Etapa I – Inventário 1.3.2 Etapa II – Viabilidade 1.3.3 Etapa III – Projeto Básico 1.3.4 Etapa IV – Projeto Executivo

4 4 5 5 5

1.4 Índice custo-benefício e índice ambiental 1.4.1 Índice Custo-Benefício Custo -Benefício Energético Energét ico 1.4.2 Índice Ambiental

6 6 6

CAPÍTULO 2 8 2. FATORES QUE INTERFEREM NO ARRANJO ARRANJO GERAL GERAL DE UMA BARRAGEM BARRAGEM 8 2.1 Arranjos dos aproveitamentos

8

2.2 Definição do tipo de barragem

11

CAPÍTULO 3 15 3. FATORES PREDOMINANTES PREDOMINANTES NA SELEÇÃO DO TIPO DE BARRAGEM DE TERRA E DE BARRAGEM DE ENROCAMENTO 15 3.1 Introdução

15

3.2 Classificação quanto ao tipo de seção 3.2.1 Barragem Homogênea 3.2.2 Barragem Zoneada 3.2.3 Barragem de Enrocamento Enroca mento

15 15 16 17

3.3 Fatores predominantes no estabelecimento da seção típica 3.3.1 Materiais de construção constr ução 3.3.2 Características geotécnicas geotécn icas da fundação 3.3.3 Tempo disponível para construção e Clima da Região 3.3.4 Seqüência de Construção e Desvio do Rio 3.3.5 Finalidade do reservatório reservató rio

18 18 20 23 24 25

CAPÍTULO 4

27

Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

ii


4. ENSAIOS DE LABORATÓRIO

27

4.1 Introdução

27

4.2 Ensaios de caracterização e índices físicos 4.2.1 Granulometria 4.2.2 Limites de Atterberg Atterber g

27 27 30

4.3 Ensaios índices e de compactação

31

4.4 Ensaios Ensaios triaxiais para determinação da resistência ao cisalhamento do solo 4.4.1 Introdução 4.4.2 Ensaios Triaxiais 4.4.3 Representação dos ensaios 4.4.4 Tipos de ensaios

31 31 32 33 33

4.5 Programação Programação dos ensaios triaxiais

38

4.6 Outros ensaios de resistência 4.6.1 Ensaio de cisalhamento direto 4.6.2 Ensaio de compressão simples

42 42 45

4.7 Ensaios de adensamento adensamento – Determinação da compressibilidade dos solos

46

4.8 Acondicionamento dos ensaios 4.8.1 Efeito da moldagem 4.8.2 Efeito da pressão atuante 4.8.3 Solos compactados

46 46 47 48

CAPÍTULO 5 5. PROPRIEDADES PROPRIEDADES GEOTÉCNICAS DE SOLOS COMPACTADOS

49 49

5.1 Introdução

49

5.2 Considerações gerais sobre a compactação 5.2.1 A curva de compactação 5.2.2 Interpretação física e físico – química da curva de compactação

51 51 52

5.3 Interpretação geotécnica da compactação

53

5.4 Efeito da compactação nas propriedades geotécnicas do solo 5.4.1 Permeabilidade 5.4.2 Compressibilidade 5.4.3 Resistência ao cisalhamento 5.4.4 Flexibilidade

54 54 55 57 59

5.5 Especificações de compactação 5.5.1 Da especificação 5.5.2 Considerações estatísticas sobre especificações especificaçõ es e controle de compactação

60 60 62


iii


5.6 Observações

62

CAPÍTULO 6 6. PROPRIEDADES PROPRIEDADES DOS ENROCAMENTOS COMPACTADOS

64 64

6.1 Introdução

64

6.2 Deformabilidade e resistência de enrocamentos 6.2.1 Fatores que influenciam a resistência e a deformabilidade defor mabilidade dos enrocamentos 6.2.2 Observações com relação à resistência e a deformabilidade

64 65 69

6.3 Recomendações sobre as especificações construtivas 6.3.1 Critérios relativos à granulometria granulomet ria 6.3.2 Critérios relativos à espessura de camadas de compactação 6.3.3 Equipamentos de compactação 6.3.4 Algumas recomendações recomendaçõ es sobre o processo construtivo

70 70 72 73 73

6.4 Parâmetros para projeto projeto e controle de construção adequados à atualidade atualidade brasileira 75

CAPÍTULO 7 7. CONSIDERAÇÕES SOBRE PROJETOS DE BARRAGENS DE TERRA E ENROCAMENTO

77

7.1 Fase de viabilidade

77

7.2 Fase de projeto básico 7.2.1 Requisitos básicos de projeto e método de análise 7.2.2 Dos requisitos básicos – Interpretação conjunta 7.2.3 Dos métodos de cálculo – Interpretação conjunta conjunta 7.2.4 Exemplos de concepção conjunta Maciço – Fundação 7.2.5 Outros exemplos de concepção de projeto

78 78 79 80 81 82

CAPÍTULO 8 8. ANÁLISE E CONTROLE DE PERCOLAÇÃO PERCOLAÇÃO

85 85

8.1 Fluxo através de meios porosos (Teoria de percolação) 8.1.1 Limitações da teoria 8.1.2 Lei de Darcy e Equações de Laplace 8.1.3 Método gráfico para o desenho das redes de fluxo

85 86 86 87

8.2 Fluxo através de enrocamentos 8.2.1 Equações de fluxo 8.2.2 Redes de fluxo

90 90 93


77

iv


8.3 Fluxo através de fissuras 8.4 Controle da percolação através dos maciços compactados e fundações 8.4.1 Projeto de filtros 8.4.2 Projetos de drenagem interna 8.4.3 Sistema de alívio de sub-pressões sub-pr essões 8.4.4 Tapetes de impermeabilização a montante 8.4.5 Trincheira de vedação (“cut -off”) 8.4.6 Outros tipos de estruturas para a redução da vazão de percolação

94 96 96 98 103 106 107 108

8.5 Controle de percolação em enrocamentos 109 8.5.1 Estabilização dos taludes 109 8.5.2 Estabilização dos taludes em função função do tamanho dos blocos blocos e vazões de descarga descarga 110 8.5.3 Considerações gerais 111 8.6 Verificação do comportamento comportamento das barragens de terra e enrocamento em face aos aos problemas de percolação 112

CAPÍTULO 9 9. FUNDAÇÕES EM SOLO

113 113

9.1 Fundação em solos permeáveis – Trincheiras impermeáveis (“cut -offs”) 9.1.1 Soluções de Eliminação – Trincheiras 9.1.2 Soluções de Eliminação – Paredes diafragma 9.1.3 Soluções de Eliminação – Injeções de impermeabilização 9.1.4 Soluções de redução – Barreiras impermeáveis incompletas 9.1.5 Soluções de controle – Controle de percolação com drenos

114 116 117 119 121 122

9.2 Fundações em solos moles

125

9.3 Fundações em solos porosos e colapsíveis 9.3.1 Características Geotécnicas Geot écnicas 9.3.2 Compressibilidade e Colapsibilidade 9.3.3 Resistência ao cisalhamento 9.3.4 Exemplo de obras fundadas em solos porosos 9.3.5 Orientações para projetos

129 131 132 134 136 139

CAPÍTULO 10 10. FUNDAÇÕES FUNDAÇÕES EM ROCHA

141 141

10.1 Introdução

141

10.2 Fase de concepção e projeto de aproveitamentos aproveitamentos hidráulicos

141

10.3 Tratamento da fundação na Fase I: Concepção do arranjo geral 10.3.1 Exemplo 1 – Usina Hidroelétrica Hidroe létrica Samuel 10.3.2 Exemplo 2 – Usina Hidroelétrica Hidroe létrica Tucuruí Tucuru í

142 143 146


v


10.4 Integração e otimização Maciço - Fundação Fundação – Fase II 10.4.1 Posição e extensão do núcleo núcleo da barrage barragem m de terra – enrocamento. 10.4.2 Estabelecimento de zona hipotética de núcleo em barragem dita homogênea 10.4.3 Pormenores de drenagem interna

147 148 148 149

10.5 Tratamento de fundação propriamente dito – Fase III 149 10.5.1 Critérios usualmente adotados no tratamento de fundações rochosas para apoio apoio de barragens de terra terr a e/ou enrocamento 150 10.5.2 Análise conceitual dos critérios usuais de tratamento de fundações rochosas para apoio de barragens de Terra e/ou Enrocamento 153 10.6 Observações Gerais

159

CAPÍTULO 11 160 11. TRATAMENTO DE FUNDAÇÃO FUNDAÇÃO DE BARRAGEM BARRAGEM DE TERRA ATRAVÉS ATRAVÉS DE CORTINA DE INJEÇÃO 160 11.1 Introdução

160

11.2 Finalidade das injeções

160

11.3 Quando executar injeções

161

11.4 Quantidade de injeção e profundidade da cortina

162

11.5 Pressão de injeção

163

11.6 Escolha da calda

164

11.7 Metodologia para as injeções

166

11.8 Eficiência da cortina

166

11.9 Considerações gerais

167

REFERÊNCIA

169


vi


LISTA DE TABELAS Tabela 1.1 Índice de impacto ambiental de usinas hidrelétricas brasileiras. Tabela 4.1 Relação dos limites de Atterberg com as propriedades de resistência e compressibilidade

7 30

Tabela 6.1 Critérios relativos à granulometria de alguns enrocamentos Tabela 6.2 Critérios relativos à espessura espessura das camadas camadas de compactação dos enrocamentos Tabela 6.3 Características de algumas algumas barragens de enrocamento enrocamento construídas no Brasil e no exterior

71

Tabela 8.1 Raio hidráulico dos vazios para enrocamentos Tabela 8.1 Estabilização dos taludes em função função do tamanho dos blocos blocos e vazões de descarga

92 111

Tabela 9.1 Resistência ao cisalhamento de solos porosos

136

Tabela 10.2 Principais características de algumas barragens brasileiras

150


72 74

vii


LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 Balanço de regularização Figura 1.2 Amortecimento da onda de cheia Figura 1.3 Reservatório de finalidade múltipla, múltipla, controle de cheias, navegação navegação e produção de energia elétrica Figura 2.1 Figura 2.2 Figura 2.3 Figura 2.4 Figura 2.5 Figura 2.6 Figura 2.7 Figura 2.8

UHE Funil-RJ – Barragem tipo abóboda de concreto UHE Funil-BA – Barragem de concreto com contrafortes Arranjo típico em vale estreito (UHE Yoshida) Arranjo típico em vale medianamente encaixado (UHE Foz do Areia) Arranjo típico em vale aberto (UHE Tucuruí) Seção típica de barragem homogênea de terra Seção típica de barragem de enrocamento com núcleo de argila vertical Seção típica de barragem de enrocamento com núcleo núcleo de argila inclinado Figura 2.9 Seção típica de barragem de enrocamento com face de concreto Figura 2.10 Seção típica de barragem de concreto convencional a gravidade

2 3 4 9 9 10 10 11 12 13 13 14 14

Figura 3.1 Exemplo de barragem homogênea, Barragem Vigário, Brasil. Figura 3.2 Exemplo de barragem barragem de seção Zoneada, Barragem Barragem de São Simão, Brasil. Figura 3.3 Exemplo de barragem de enrocamento, Alternativas Alternativas da barragem barragem Foz de Areia, (a) Enrocamento com face de concreto; (b) Enrocamento com núcleo impermeável. Figura 3.4 Barragem homogênea com dreno horizontal Figura 3.5 Localização da zona denominada “random”, Barragem de Furnas, Brasil. Figura 3.6 Métodos para o controle da percolação; (A) zona zona impermeável; (B) tapete impermeável a montante; (C) diafragma flexível; (D) zona de injeções; (E) filtro-dreno vertical; (F) tapete drenante; (G) poços de alívio. Figura 3.7 Barragem de enrocamento com núcleo argiloso inclinado a montante.

16

Figura 4.1 Resultados dos ensaios de permeabilidade para alguns materiais Figura 4.2 Representação dos ensaios triaxiais; (a) Representação Representação no diagrama diagrama de circulo de Mohr; (b) Trajetória de tenções Figura 4.3 Envoltórias de resistência; (a) Representação no diagrama de circulo de Mohr; (b) Trajetória de tenções Figura 4.4 Ensaios triaxiais adensados rápidos anisotrópicos Figura 4.5 Resultados típicos de ensaios triaxiais; triaxiais; (a) Ensaios C.U.; (b) Ensaios Q ou UU em material argiloso; (c) Ensaios S ou CD Figura 4.6 Tensões principais ao longo de uma superfície de ruptura Figura 4.7 Seqüência de carregamento de uma barragem Figura 4.8 Equipamento de cisalhamento direto. Figura 4.9 Rotação das tensões principais no ensaio de cisalhamento direto: (a) Direção das tensões principais; (b) Representação das tensões no diagrama de Mhor (modificado - Juarez & Rico, 1976). Figura 4.10 Curva de ensaios oedométricos, amostras remoldadas e indeformadas

29


16 17 19 20

22 24

34 35 36 37 38 39 43 45 47 viii


Figura 5.1 Curva típica de um ensaio de compactação em um solo coesivo 51 Figura 5.2 Variação da permeabilidade permeabilidade com as mudanças na umidade umidade de compactação 55 Figura 5.3 Influência da energia energia de compactação na envoltória envoltória de resistência ao cisalhamento 58 Figura 6.1 Figura 6.2 Figura 6.3 Figura 6.4 Figura 6.5

Efeito do máximo máximo tamanho de partículas partículas no ângulo de atrito – enrocamentos com curvas modeladas (modificado – Marachi, et.al. 1969) Variação no ângulo ângulo de atrito com as mudanças mudanças na compacidade relativa do material Evidência de colapso em ensaios oedométricos Deformação do enrocamento enrocamento durante o alteamento da barragem barragem e no primeiro enchimento Envoltória de resistência de alguns enrocamentos

65 67 68 68 69

Figura 7.1 Evolução do projeto de barragens de terra e seu sistema de drenagem interna 82 Figura 8.1 Redes de fluxo em barragens de seção homogênea Figura 8.2 Redes de fluxo transformadas e verdadeiras verdadeiras em uma barragem homogênea anisotrópica. Figura 8.3 Redes de fluxo turbulento em enrocamentos Figura 8.4 Determinação da espessura do filtro-dreno horizontal Figura 8.5 Esquema de filtro-dreno horizontal Figura 8.6 Controle de sub-pressão Figura 8.7 Detalhes esquemáticos de trincheiras drenantes Figura 8.8 Detalhes esquemáticos de poços de alívio Figura 8.9 Detalhe esquemático de um tapete de impermeabilização a montante Figura 8.10 Detalhe esquemático de uma trincheira de vedação Figura 9.1 Figura 9.2 Figura 9.3 Figura 9.4

Trincheira impermeável Esquema da escavação abaixo do lençol freático Trincamento provocado por um elemento rígido de parede diafragma Métodos de controle de percolação percolação pelas fundações sem construção de barreiras impermeáveis completas Figura 9.5 Ritmo lento de construção Figura 9.6 Influência da sobrecarga no andamento do recalque Figura 9.7 Faixas de curvas granulométricas de solos porosos Figura 9.8 Gráfico de plasticidade, onde se localizam argilas porosas Figura 9.9 Ensaio de adensamento duplo duplo em argila porosa porosa vermelha – Bauru, SP Figura 9.10 Resistência ao cisalhamento - Argila porosa porosa vermelha do Terciário Terciário São Paulo, SP

89 91 93 101 102 104 105 106 107 108 116 117 118 121 128 129 132 132 134 135

Figura 10.1 Hidrelétrica Samuel – (a) Alternativa “A” de arranjo, Fechamento final margem esquerda; – (b) Alternativa “B” de arranjo, Fechamento final margem direita 144 Figura 11.1 Disposição dos furos da cortina de injeção em planta Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

162 ix


Figura 11.2 Curva de injetabilidade Figura 11.3 Cortina de injeção convencional, absorção de sólidos por furo.


165 167

x


CAPÍTULO 1 1. FASES DE ESTUDO ESTUDO E PROJETO 1.1 Introdução A conscientização humana, notadamente nas duas últimas décadas, da limitação dos recursos naturais da terra, aliada à crescente demanda das mesmas, tem conduzido cada vez mais a sua exploração de modo racional e otimizado, reduzindo seu desperdício ao mínimo. Sob este enfoque são desenvolvidos os estudos para a implantação de barragens, em que, em uma primeira fase, é estudada toda a Bacia Hidrográfica, e associada a todos os possíveis usos de água. Deste modo, evita-se que a implantação de uma barragem, num determinado local, prejudique outros locais barráveis da bacia, o que impediria a otimização global almejada. Por outro lado, evita o aproveitamento da água somente sob uma finalidade. No Brasil, o planejamento integrado de uma bacia, sob o ponto de vista energético já tem cerca de 20 anos, enquanto que, o associado a finalidades múltiplas, tem sido cada vez mais adotado, principalmente nos últimos 10 a 15 anos.

1.2 Das finalidades finalidades de uma uma barragem Com algumas exceções as barragens podem ser reunidas, quanto as suas finalidades, em dois grupos: Barragens de Regularização e Barragens de Retenção.

Barragens de Regularização Tem a finalidade de regularizar o regime hidrológico de um rio, ou seja, armazena água no período de afluência em relação à demanda (Figura 1.1). Com esta operação, a amplitude de variação das vazões naturais do rio é reduzida, garantindo-se assim, vazões efluentes, nos períodos de estiagem, superiores às naturais.


1


Q Vazões Naturais

Vazão Média

Armazenamento

Suprimento Déficit

s e õ z a V

Período de Armazenamento Período de Regularização Ano Hidrológico

t

Figura 1.1 Balanço de regularização As barragens de regularização possuem, em geral, uma ou mais das seguintes finalidades específicas. Aproveitamento Hidrelétrico – Neste caso deve-se considerar, como benefício adicional à regularização, a formação de desnível, propiciando a criação de energia potencial hidráulica, que é transformada em energia elétrica. Navegação – Também neste caso há um benefício duplo: a). Para jusante, através da regularização do período de estiagem. b). Para montante, através do afogamento de eventuais corredeiras e cachoeiras. Abastecimento d’Água – Para fins industriais, de irrigação ou doméstico, entre outros.

Barragens de Retenção Tem a finalidade de reter água, amortecendo a onda de cheias para evitar inundações (Figura 1.2), podem ser utilizadas ut ilizadas também para par a a retenção rete nção de sedimentos sed imentos ou resíduos r esíduos


2


industriais. No caso de amortecimento de cheias, a onda de cheia é temporalmente armazenada, sendo posteriormente liberada, de tal modo que não cause danos a jusante. Para o dimensionamento de um reservatório de contenção de cheias é necessário o conhecimento da onda de cheia efluente ao reservatório, e a descarga máxima permitida a jusante do do mesmo, mesmo, conforme é mostrado na na Figura 1.2.

Q Descarga Máxima Natural Natural s e õ z a V

Volume Acumulado

Vazão Amortecida Descarga Efluente

Descarga Máxima Efluente Amortecimento da Onda de Cheia

Tempo (t)

Figura 1.2 Amortecimento da onda de cheia Em muitos casos é comum uma barragem possuir mais de uma finalidade, conforme apresentado na Figura 1.3, onde pode-se apreciar que o volume de um reservatório possui usos diversos como o de regularização para a geração de energias, assim como o controle de cheias e a regularização para navegação.


3


Figura 1.3 Reservatório de finalidade múltipla, múltipla, controle contro le de cheias, navegação navegação e produção de energia elétrica

1.3 Do estudo global global de uma Bacia Hidrográfica Hidrográfica Os estudos e projetos para a implantação final de uma barragem, são executados em quatro etapas de distinta cronologia, visando a otimização da bacia hidrográfica como um todo. 1.3.1 Etapa I – Inventário Visa determinar a melhor divisão de queda da bacia sob o ponto de vista de aproveitamento múltiplo (energético, navegação, irrigação, controle de cheias, entre outros), associado às seguintes limitações físicas: cidades, estradas, jazidas, parques nacionais e indígenas, entre outras. A dificuldade de otimização de todas estas variáveis prende-se não somente a sua multiplicidade, mas principalmente às possíveis variações futuras da importância relativa destas variáveis, uma vez que o tempo entre os estudos iniciais de inventário de uma bacia, com sua definição de quedas, e a implantação de todos os aproveitamentos é de cerca de 30 a 40 anos.


4


Na divisão de quedas, cada local de aproveitamento é definido em um trecho do rio, em geral de 1 a 5km, ficando a definição precisa do eixo para a fase subseqüente (viabilidade). Em paralelo a divisão de quedas, o inventário fornece, para cada local, as características de aproveitamento relativas as suas finalidades múltiplas e as respectivas estimativas de custos, em geral com uma precisão do 20%.

1.3.2 Etapa II – Viabilidade Nesta fase é realizada a análise técnico-econômica dos possíveis eixos, dentro do trecho definido na fase de Inventário. Com esta informação é realizada a definição da melhor alternativa do eixo para a barragem, assim como a definição do arranjo geral e a comprovação técnico-econômica do aproveitamento como um conjunto.

1.3.3 Etapa III – Projeto Básico É feita a definição final da obra, são elaborados os memoriais descritivos, as especificações técnicas e o dimensionamento final das estruturas com a elaboração de plantas e cortes das estruturas e dos equipamentos permanentes, é elaborado o cronograma de execução da obra assim como o orçamento final. Estas atividades são realizadas com o objetivo de levar a obra a licitação para sua adjudicação.

1.3.4 Etapa IV – Projeto Executivo É realizado o detalhamento do projeto básico contendo todos os pormenores para a execução de obras civis, montagens de equipamentos permanentes, fiscalização, teste de funcionamento e orientação para treinamento de operadores.


5


1.4 Índice custo-benefício e índice ambiental 1.4.1 Índice Custo-Benefício Custo- Benefício Energético Energét ico Durante a fase de inventário são selecionadas as melhores alternativas de divisão de quedas, ou seja, aquelas que resultem em máxima produção de energia elétrica, dentro dos limites estabelecidos para o custo unitário de referência. Em cada uma destas alternativas, os aproveitamentos deverão ser ordenados segundo o índice custo-benefício que cada um apresenta ao ser incorporado como próxima adição à configuração do sistema de referência. O índice custo-beneficio energético (ICBE), expressos em US$/MWh, é definido como a relação entre o custo anual de cada aproveitamento e o benefício em energia firme obtido por sua operação integrada no sistema. O Manual de Inventário Hidrelétrico de Bacias Hidrográficas da Eletrobrás descreve o cálculo deste índice.

1.4.2 Índice Ambiental É o valor numérico que expressa a intensidade do impacto ambiental sobre a área de estudo, variando em uma escala contínua desde zero (mínimo impacto) até um (máximo impacto). Este índice é calculado considerando-se os impactos sobre ecossistemas aquáticos e terrestres, modos de vida, organização territorial, base econômica e populações indígenas. No entanto, uma estimativa preliminar do impacto que um aproveitamento hidrelétrico irá causar pode ser obtida pela relação entre a área inundada pelo reservatório (km2) e a potência instalada (MW). A Tabela 1.1 ilustra o impacto causado por algumas usinas hidrelétricas brasileiras.


6


Tabela 1.1 Índice de impacto impacto ambiental de usinas hidrelétricas brasileiras.

UHE

Esta do / Pa ís

Balbina AM Belo Mont e* PA Samuel RO Lajeado** TO Serra da Mes a GO Tuc uruí PA Mal. Cas telo B ranc o MA/PI Itaparic a P E/BA Mox otó B A/AL Paulo Afons o IV BA Sobradinho BA Três Marias MG Xingó S E/AL Funil RJ Lajes RJ Barra Bonita SP Capivara S P/PR Corumbá GO Emborc aç ão MG/GO Foz do Areia PR Furnas MG Igarapava MG/SP Ilha Solteira S P/MS Itaipu B ras il/Paraguai Itumbiara MG/GO Marimbondo MG/SP Nova Ponte MG Porto Colômbia MG/SP Ros ana S P/PR Salt o Grande MG São Simão MG/GO Segredo PR Taquaruç u S P/PR Campos Novos * SC Itá S C/RS Mac hadinho S C/RS Obs.: ** Em construção * Previsto Previsto para construção

Ba cia Rio Amaz onas Rio Amaz onas Rio Amaz onas Rio Toc antins Rio Toc antins Rio Toc antins A tlântic o, trec ho norte/nordes te Rio São Franc is c o Rio São Franc is c o Rio São Franc is c o Rio São Franc is c o Rio São Franc is c o Rio São Franc is c o A tlântic o, trec ho les le A tlântic o, trec ho les le Rio Paraná Rio Paraná Rio Paraná Rio Paraná Rio Paraná Rio Paraná Rio Paraná Rio Paraná R Riio Paraná Rio Paraná Rio Paraná Rio Paraná Rio Paraná Rio Paraná Rio Paraná Rio Paraná Rio Paraná Rio Paraná Rio Uruguai Rio Uruguai Rio Uruguai


Índice Potência Área do reservatório ambiental instalada (MW) (km2) (Km2/MW) 250 11000 217 903 1293 7960 216 1500 440 2460 1050 388 3000 216 144 144 662 375 1192 2511 1216 210 166 14000 2280 188 510 320 320 104 1710 1260 515 880 294 1140

2360 400 600 630 1784 2430 363 828 93 17 4214 1142 60 39 30 308 515 65 455 139 1450 39 1200 1350 760 438 447 140 217 5. 8 722 82 74 24 141 79

9.44 0.04 2.76 0.70 1.38 0.31 1.68 0.55 0.21 0.01 4.01 2.94 0.02 0.18 0.21 2.14 0.78 0.17 0.38 0.06 1.19 0.19 7.23 0.10 0.33 2.33 0.88 0.44 0.68 0.06 0.42 0.07 0.14 0.03 0.48 0.07

7


CAPÍTULO 2 2. FATORES QUE INTERFEREM NO ARRANJO GERAL DE UMA BARRAGEM

2.1 Arranjos dos aproveitamentos Os arranjos dos aproveitamentos são estudados para cada local, considerando-se principalmente as condições topográficas locais, o provável apoio logístico em fase de construção, a possibilidade de evacuação de cheias durante a construção, a provável disponibilidade de materiais de construção, as condições gerais do ponto de vista geológico e geotécnico, a potência instalada calculada para o aproveitamento, a descarga calculada para o vertedouro e os resultados dos estudos especiais. O arranjo de um aproveitamento hidrelétrico é muito influenciado pelo tipo de vale, podendo este ser este encaixado e estreito, semi-encaixado semi-encaixado ou aberto. Em vales encaixados e estreitos é usual a execução de barragens de concreto do tipo arco, como mostrado na Figura 2.1. No caso de vales semi-encaixados pode-se optar por barragens do tipo gravidade, com contrafortes (Figura 2.2) ou mesmo barragens de enrocamento. Quando se têm vales muito abertos, recomenda-se barragens do tipo gravidade de concreto convencional ou concreto compactado com rolo (CCR) e barragens de terra. As Figuras de 2.3 a 2.5 ilustram arranjos típicos para os três tipos de vales citados anteriormente.


8


Figura 2.1 UHE Funil-RJ – Barragem tipo abóboda de concreto

Figura 2.2 UHE Funil-BA – Barragem de concreto com contrafortes co ntrafortes


9


Tomada de água Barragem Vertedouro

Casa de força

Figura 2.3 Arranjo típico em vale estreito (UHE Yoshida)

Ensecadeira Túnel de desvio

Barragem

Vertedouro Tomada de água Casa de força

Figura 2.4 Arranjo típico em vale medianamente encaixado (UHE Foz do do Areia)


10


Eclusa

Vertedouro

Barragem

Casa de Força Canal de fuga

Barragem

Figura 2.5 Arranjo típico em vale aberto (UHE Tucuruí)

2.2 Definição do tipo de barragem A escolha do tipo de barragem dependerá, principalmente, da existência de material qualificado para sua construção, dos aspectos geológicos e geotécnicos, e da conformação topográfica do local da obra. Outros fatores igualmente importantes para a seleção são: - Disponibilidade de solo ou rocha: proveniente de escavações requeridas, disponíveis em quantidade e qualidade adequadas, segundo um fluxo compatível com a construção do arranjo proposto; - Natureza das fundações: barragens de enrocamento enrocament o e de concreto somente deverão ser colocadas sobre fundação em rocha, enquanto que as de terra poderão ser colocadas em solo; e - Condições climáticas: a existência de períodos chuvosos razoavelmente prolongados onera exageradamente a construção de aterro de solo compactado ou núcleos de argila porque condiciona o progresso da construção.


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Um local poderá ser considerado propício para construção de barragem de terra homogênea (Figura 2.6) quando o reconhecimento de campo indicar que a rocha se encontra a grandes profundidades na área em consideração. Esse tipo de barragem exige menor declividade nos paramentos de montante e jusante e, portanto, resultando em maiores volumes. Por isso, é utilizado para pequenas e médias alturas.

NAmax NAmin 1

B 2,5

30

aterro

1

Hba

filtro

Figura 2.6 Seção típica típica de barragem homogênea de terra O local poderá ser considerado propício para construção de barragem de enrocamento com núcleo núcleo de argila arg ila (Figuras 2.7 e 2.8) ou com face de concreto (Fi ( Figura gura 2.9) se o reconhecimento reconhecimento de campo indicar, na área selecionada, a existência de rocha sã e de boa qualidade ao longo do eixo, a pequena profundidade. Esse tipo de barragem não necessita de condições especiais de fundação. Grandes volumes de escavação em rocha na casa de força, em canais e vertedouros são um bom indicativo para a utilização deste tipo de barragem. Além disso, se existirem períodos chuvosos ou excessiva umidade que prejudique a execução de núcleos de argila, ou a dificuldade na obtenção de material adequado para o núcleo, a solução com face de concreto é a mais indicada. Um local poderá ser considerado propício para construção de barragem de concreto (Figura 2.10) quando o reconhecimento de campo indicar, na área selecionada, a existência de rocha sã e com compressibilidade pequena ao longo de todo o eixo já que estas exercem maiores pressões nas fundações, a pequena profundidade. A estabilidade é garantida principalmente pelos esforços de gravidade. A não ser em casos excepcionais, somente deverão ser consideradas barragens de concreto tipo gravidade maciça. Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

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NA

transição

10,0 B 0,2 1

1

0,2 1

H ba

El te

enrocamento

núcleo de argila

Figura 2.7 Seção típica de barragem de enrocamento enroca mento com núcleo de argila argila vertical

transição Elcr B

NAmax 1

1 0,8 1

Hba

1 0,5

Elte núcleo de argila enrocamento

Figura 2.8 Seção típica de barragem de enrocamento enroca mento com núcleo de argila inclinado inclinado


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B

NAmax laje de concreto 1

Hba enrocamento

Elte

transição

plinto

Figura 2.9 Seção típica de barragem de enrocamento enroca mento com face face de concreto

8,0 NAma

Elcr Hbl

1

Hba

Elte

Figura 2.10 Seção típica de barragem de concreto convencional a gravidade


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CAPÍTULO 3 3. FATORES PREDOMINANTES NA SELEÇÃO DO TIPO DE BARRAGEM DE TERRA E DE BARRAGEM DE ENROCAMENTO 3.1 Introdução As barragens de terra ou de enrocamento, quando existem, constituem sempre uma das estruturas de um barramento. Deste modo, a escolha deste tipo de barragem visa a otimização do arranjo geral do barramento como um todo, e não a sua otimização isolada. Não raro soluções economicamente mais desfavoráveis são selecionadas, caso estas estruturas sejam analisadas isoladamente. Entretanto, apresentam, nítidas vantagens econômicas no contexto global do aproveitamento. Assim sendo, os fatores predominantes na seleção do tipo de barragem de terra ou de enrocamento, são aqueles associados aos do arranjo geral do aproveitamento.

3.2 Classificação quanto quanto ao tipo de seção 3.2.1 Barragem Homogênea Designação simplificada quando há predominância de um único material, pois, na realidade, não existe barragem homogênea. A existência de mais de um material deve-se à necessidade de drenagem interna e de proteção externa dos taludes. Na Figura 3.1 é apresentada a seção típica da barragem Vigário no Brasil. Esta barragem é considerada como homogênea, embora exista drenagem interna, zonas de proteção de taludes com “rip -rap” e incorporação de

ensecadeiras.


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Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Civil e Ambiental / FT Geotecnia Nível Normal 2,5 4 1

Terreno Original

Filtro Vertical

Argila Compactada

1

Dreno Horizontal Linha de Escavação

Enrocamento

Linha de Rocha

Figura 3.1 Exemplo de barrage barragem m homogênea, Barragem Vigário, Brasil.

3.2.2 Barragem Zoneada Denominação dada quando não há um único material predominante. Conforme será visto no item subseqüente, a escolha entre seção homogênea ou zoneada depende dos materiais de construção disponíveis e seus respectivos custos. Na Figura 3.2 é apresentada a seção típica da barragem São Simão no Brasil, no trecho do leito do rio, onde se deve observar o aproveitamento e otimização dos diversos materiais disponíveis.

Terraço Terraço Núcleo Zona 3 Grandes Blocos

Zona 3 – Grandes Blocos

Cascalho Random

Areia

Enrocamento Random

3 ou 5 5

8A

5

Cascalho

5 Areia

Balanço de Regularização

Figura 3.2 Exemplo de barragem de seção Zoneada, Zoneada, Barragem Barrag em de São Simão, Brasil.


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3.2.3 Barragem de Enrocamento Enroca mento Quando há predominância de material rochoso na sua seção. Em geral existem dois tipos de barragem de enrocamento. a). Com membrana externa impermeável (concreto, asfalto, entre outros); b). Com núcleo impermeável interno. A Figura 3.3a e 3.3b mostram as alternativas de barragens estudadas para a definição da barragem de Foz de Areia, tendo sido adotada a alternativa de enrocamento com face de concreto devido aos seguintes motivos principais. N.A. Máximo Normal IB Primeiro Estagio

IVA

IIB

IC

IIID

IB IA

(a) Enrocamento com face de concreto

N.A. Máximo Normal

Cortina de Injeções

(b) Enrocamento com núcleo impermeável Figura 3.3 Exemplo de barragem de enrocamento, Alternativas da barrage barragem m FFoz oz de Areia, (a) Enrocamento com face de concreto; (b) Enrocamento com núcleo impermeável.


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a). Condições Geológicas Geológ icas – Adequadas para os dois tipos de barragens. Entretanto, a existência de degraus nas encostas (derrames basálticos) conduziria a tratamentos mais rigorosos na fundação para o caso de seção com núcleo impermeável, com a finalidade de redução dos recalques diferenciais. b). Desvio do Rio – Na alternativa de barragem com face de concreto é possível construir parcialmente o trecho de montante da barragem, constituindo-se na própria ensecadeira. Além disto, a cota possível desta ensecadeira, no caso de barragem com face de concreto, é superior a cota de uma ensecadeira incorporada a uma barragem com núcleo impermeável, já que na barragem com núcleo há interferência da ensecadeira com o núcleo. Deste modo, apresenta menores riscos hidrológicos de transbordamento com mesmos investimentos. c). Comparação de Custos – Menor volume de enrocamento, de filtro e maior volume de concreto na alternativa com face de concreto. No global resultou numa economia de 9 a 15 milhões de dólares a favor da barragem com face de concreto. d). Clima – Maior interferência climática para a barragem de núcleo impermeável, que aliado ao tratamento de fundação mais demorado, poderia implicar em atrasos no cronograma de obra.

3.3 Fatores predominantes no estabelecimento estabelecimento da seção típica 3.3.1 Materiais de construção constr ução A principal vantagem das barragens de terra e enrocamento é que os materiais de construção já foram “fabricados” “fabricados” pela natureza. natureza.

Em alguns casos, somente um tipo de solo é disponível nas proximidades proximidades da obra. Neste Nest e caso, a preocupação quanto ao projeto da seção se prende a determinação das dimensões mais econômicas da barragem, associadas às características do material e respectiva especificação de compactação, bem como as características geotécnicas da fundação. Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

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Se o material é de baixa permeabilidade, o projeto consistirá em um maciço homogêneo com um sistema de drenagem interno. Neste tipo de barragens é pratica corrente utilizar um filtro septo vertical ou inclinado para montante, até o nível de água máximo do reservatório. A utilização em barragens homogêneas, de filtro de pé ou tapete drenante horizontal, é conceitualmente errada, mesmo em barragens de pequena altura como é apresentado na Figura 3.4. De fato, o filtro vertical ou inclinado para montante, aumenta a estabilidade da região a jusante do maciço e evita qualquer possibilidade do fluxo atingir o talude de jusante, o que levaria a formação de “piping” (erosão regressiva).

N.A. Máximo Normal Fluxo Preferencial (Possibilidade de Piping)

Freática Teórica

Figura 3.4 Barragem homogênea homogênea com dreno horizontal Por outro lado, há locais em que existe uma grande variedade de solos. De um modo geral, nestes casos, o projeto mais econômico consiste em um maciço zoneado, utilizando-se os materiais menos permeáveis na parte central, como núcleo, e os materiais granulares, mais resistentes, nas zonas externas (espaldares). Quando os materiais de uma jazida ou de escavações obrigatórias são erráticos, é comum utilizá- los numa zona denominada “random”. Devido à heterogeneidade da zona de “random” esta nunca é utilizada como núcleo. Em geral, esta zona situa-se a jusante do filtro septo como é apresentado na Figura 3.5.


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N.A. Máximo Normal

1,8 1 2 1

t o e n a m o c r E n

ç ã o i la s i rg an A e r d T o e m d c le o a d ú n n o a N Z R

o ã çi s n ra T e d a n o Z

Enrocamento Random

Figura 3.5 Localização da zona denominada denominada “random”, Barragem de Furnas, Brasil. Uma regra básica, quanto aos materiais de construção a serem utilizados, é considerar, em primeiro lugar, os materiais provenientes das escavações obrigatórias. No caso de materiais terrosos, a sua utilização só é econômica, quando utilizado diretamente das escavações. Por outro lado, as escavações rochosas obrigatórias, devem sempre ser incorporadas ao maciço independente da possibilidade de sua utilização direta ou não.

3.3.2 Características geotécnicas da fundação O projeto do maciço de uma barragem está intimamente relacionado com as características geotécnicas do terreno de fundação, em particular, a resistência ao cisalhamento, a compressibilidade, a permeabilidade e a resistência a erodibilidade. Quanto à resistência ao cisalhamento da fundação, o conceito de resistência baixa ou alta, tem como referência a resistência do material do maciço.


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De fato, de um modo geral, quando a resistência da fundação é inferior a do maciço, os taludes do maciço são condicionados pela resistência da fundação, pois as superfícies potenciais potenciais de ruptura passam pela fundação. Por outro lado, quando a resistência da fundação fundação é igual ou superior a do maciço, os taludes dos maciços são estabelecidos unicamente em função da resistência do mesmo. Pelo exposto acima, conclui-se que, dependendo das características de resistência da fundação, não tem sentido ser rigoroso quanto ao tipo de material a ser utilizado no maciço, como também, quanto às respectivas especificações construtivas. Por exemplo, nos locais de fundações de baixa resistência e de grande espessura, cujos estudos econômicos indicam a sua não remoção, é aceitável, para material de maciço, qualquer material, com exceção daqueles com elevada porcentagem de matéria orgânica, bem como pouco rigor quanto ao grau de compactação mínimo e desvio de umidade, desde que o maciço apresente uma certa homogeneidade. No caso de terrenos de baixa resistência as soluções comumente utilizadas são as seguintes: - Projeto de taludes mais abatidos e/ou bermas de equilíbrio; - Remoção parcial da camada de baixa resistência; - Remoção total da camada de baixa resistência; - Utilização de métodos para aumentar a resistência do solo (por exemplo, drenos de areia ou geossintético no caso de argila mole saturada, entre outros). Outro parâmetro geotécnico da fundação, condicionante no projeto do maciço é a compressibilidade. Portanto, além do estudo da fundação, quanto à ruptura, mencionada anteriormente, deve-se considerar a influência, no maciço, dos recalques da fundação. Esta influência se traduz principalmente por eventual fissuramento do maciço e pela redução do bordo livre “freeboard”. “freeboard”.

Além dos recalques imediatos e por adensamento, bastante conhecidos, um outro tipo de recalque tem ocorrido em algumas barragens brasileiras (Três Marias, Ilha Solteira, entre outras). São os chamados recalques por saturação. Estes recalques ocorreram devido ao colapso da estrutura do solo da fundação, provocado pela saturação do mesmo, devido ao enchimento do reservatório. Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

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Quanto à permeabilidade, três aspectos básicos devem ser considerados.: - A perda d’água através da fundação não deve ser excessiva; - As pressões d’água na base do talude de jusante não devem ser elevadas. Pressões elevadas, neste trecho da fundação, reduzem consideravelmente a estabilidade deste talude; - Os gradientes na saída, a jusante do pé do talude, devem ser tais que não provoquem “piping”.

Os métodos utilizados para o controle da percolação são divididos em dois principais grupos, no primeiro encontram-se os métodos utilizados para a redução da percolação como a utilização de uma zona impermeável, um tapete impermeável a montante, um diafragma flexível ou uma zona de injeções. Já no segundo grupo encontram-se os métodos utilizados para realizar um controle da drenagem como um filtro-dreno vertical, o tapete drenante ou poços de alívio. alívio. Na Figura 3.6 são indicado indicadoss os métodos mais utilizados para o controle da percolação em solos permeáveis.

Nível de Água E A

F

B C

D

Fundação Permeável

G

Base Impermeável

Figura 3.6 Métodos para o controle da percolação; (A) zona impermeável; (B) tapete impermeável a montante; (C) diafragma flexível; (D) zona de injeções; (E) filtro-dreno vertical; (F) tapete drenante; (G) poços de alívio.


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3.3.3 Tempo disponível disponível para construção e Clima Clima da Região Uma vez definida a construção de uma barragem, cada ano gasto no projeto e na construção, representam perdas de rendimentos consideráveis, além de onerar os juros durante a construção. Em geral, os rendimentos gerados por um reservatório, em um ano de operação são bem superiores as economias obtidas em estudos adicionais de projeto, bem como alternativas de projeto mais econômicos, porém com tempo de construção maior. Quando o tempo de construção é limitado, muitas vezes é necessária a elaboração de um projeto que não seria o mais econômico, caso se dispusesse de um tempo maior de construção. Por exemplo, foi mencionado anteriormente que sempre devem ser incorporados ao maciço os materiais rochosos provenientes das escavações obrigatórias (vertedouro, tomada d’água,

entre outras). Entretanto, dependendo do tempo disponível de construção, pode não ser viável, num cronograma de construção otimizado, em relação ao tempo, a utilização de todos os materiais rochosos provenientes das escavações obrigatórias. Um parâmetro relacionado diretamente com o tempo de construção é o clima da região. Em locais de pluviosidade elevada e sem estação seca definida, dependendo do tempo de construção disponível, o projeto de um maciço homogêneo de material bem argiloso, pode ser antieconômico sob ponto de vista global. Nestes locais, deve-se sempre que possível restringir o volume de material argiloso a um mínimo compatível com as necessidades técnicas do projeto, mesmo que esta não seja a solução mais econômica isoladamente. Nestes locais de pluviosidade elevada, sempre que possível, tem-se utilizado no projeto de barragem de terra, seções zoneadas, com núcleo de material areno-argiloso e espaldares constituídos de materiais granulares (cascalho, cascalho arenoso, etc), mesmo que estes materiais se encontrem a distâncias maiores, ou adotadas seções de terra enrocamento. Outra alternativa é a utilização de taludes mais brandos, porém aceitando-se um controle de compactação menos rigoroso, no que concerne a umidade de compactação. Esta alternativa nem sempre é possível na prática, devido às limitações dos grandes equipamentos de compactação atuais. Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

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A escolha de uma barragem de enrocamento é muitas vezes ditada pelo tempo disponível para construção, pois a execução do enrocamento independe das condições climáticas da região. Entretanto, a construção do enrocamento depende da construção do núcleo, que por sua vez depende das condições climáticas. A fim de se obter uma otimização na construção do enrocamento, o núcleo é projetado com inclinação para montante. Deste modo é possível a construção de grande parte do talude de jusante, independente da subida do núcleo. Na Figura 3.7 apresentasse a seqüência construtiva de uma barragem de enrocamento com núcleo argiloso inclinado a montante. Em caso de extrema pluviosidade, e em locais onde não há disponibilidade de material para núcleo, as barragens de enrocamento possuem um paramento na face do talude de montante, de concreto ou asfalto.

N.A. Máximo Normal

Enrocamento Executado Injeções Razas Cortina de Injeção

Figura 3.7 Barragem de enroca enrocamento mento com núcleo argiloso inclinado a montante.

3.3.4 Seqüência de Construção e Desvio do Rio De um modo geral a seqüência de construção de uma barragem envolve duas grandes fases. Na primeira fase, o rio continua passando pela calha natural (total ou parcial). Durante esta Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

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fase são construídas as estruturas de desvio (canal lateral, túnel, galeria, etc.), por onde será desviado o rio na segunda etapa. Na segunda fase é feito o fechamento do canal por onde passava o rio na primeira fase, e completada a barragem neste trecho. Nos casos em que é extenso o canal por onde passa o rio durante a primeira fase, não é econômica a construção de pontes, ligando as duas margens. Neste caso, na primeira fase, os materiais de construção para as duas frentes de trabalho tem que ser das próprias margens, mesmo ocorrendo materiais com características geotécnicas bem mais favoráveis em uma margem que em outra, resultando deste modo, em seções de barragem diferentes. Quanto a ensecadeira de segunda fase, a sua cota é definida em função de considerações hidrológicas e hidráulicas, de tal modo que seja segura para uma determinada cheia (em geral, com tempo de recorrência de 25 a 100 anos). Como o volume desta ensecadeira é considerável, é pratica corrente a incorporação da mesma ao maciço definitivo da barragem, resultando em diminuição de volume e em tempo de construção. Algumas vezes, o tempo que se dispõe para conclusão do maciço no trecho do canal da primeira primeira fase, após o desvio, é reduzido. Nestes casos, nesta seção de fechamento, a barragem possui seção diferente da do resto da obra. Quando este período coincide com o início do período chuvoso, é adotada com freqüência uma seção de enrocamento (por exemplo, Barragem de Tucuruí apresentada na Figura Figura 3.7). 3.7) .

3.3.5 Finalidade do reservatório reservatór io Dependendo da finalidade do reservatório, diferentes tipos de projeto são justificáveis, para um mesmo local. Quando a quantidade d’água disp onível é da mesma ordem de grandeza da demanda, a perda d’água por infiltração, através do maciço e da fundação, deve ser reduzida ao máximo. Esta

necessidade é comum em barragens de regularização, de porte médio, para abastecimento de cidades. Neste caso, deve-se utilizar, para o maciço, materiais de baixa permeabilidade, e tratamento de fundação, visando reduzir ao máximo a percolação, em algumas condições será Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

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necessária a utilização de medidas de redução de percolação como “cut -off” total ou

diafragma total. Por outro lado, para as barragens construídas unicamente com finalidade de controle de cheias, o controle da percolação se reflete somente quanto aos gradientes de saída (para o controle do “piping”) e as sub -pressões na base do talude de jusante, e não quanto ao volume total d’água perdida por percolação. Em alguns casos o tempo de permanência do volume

armazenado para o controle de cheias é tão reduzido que não há possibilidade de estabelecimento de regime permanente de fluxo no maciço, não necessitando, portanto, maiores cuidados de drenagem interna. A finalidade do reservatório e sua forma de operação têm influência também no dimensionamento do talude de montante quanto a existência ou não de um regime instabilizante de rebaixamento rápido, bem c omo o dimensionamento dimensionamento do “rip -rap”.


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CAPÍTULO 4 4. ENSAIOS DE LABORATÓRIO 4.1 Introdução Neste capítulo procura-se dar ênfase especial a aplicação dos resultados dos ensaios de laboratório utilizados na mecânica dos solos normalmente no que se refere a barragens de terra. Não é objetivo o ensaio propriamente dito, suas técnicas e detalhes de execução. Estes apenas serão considerados na medida em que o resultado final seja afetado. Serão tecidas também considerações críticas a respeito da obtenção dos parâmetros de engenharia a partir dos ensaios de laboratório englobando as incertezas envolvidas.

4.2 Ensaios de caracterização e índices físicos físicos Como ensaios de caracterização são entendidos os ensaios de granulometria e os limites de Atterberg. Como índices físicos são considerados os ensaios de densidade dos grãos, umidade e densidade natural dos quais é possível obter as propriedades índices dos solos tais quais: grau de saturação, índice de vazios e porosidade.

4.2.1 Granulometria Às curvas granulométricas podem ser atribuídas algumas funções básicas como são: - Caracterização dos solos; - Determinação do coeficiente de permeabilidade em solos granulares; - Projetos de filtros; -

Comportamento qualitativo dos solos granulares em relação às propriedades de engenharia.

A seguir serão apresentadas algumas considerações que devem ser levadas em conta na determinação das curvas granulométricas de materiais coesivos e não coesivos. Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

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- Solos Coesivos Em função dos diâmetros dos grãos são separadas as frações de argila, silte, areia, pedregulho, etc. A este respeito as classificações existentes dos solos são discordantes principalmente em relação as partículas menores. Neste sentido a ABNT considera que a fração de argila apresenta um diâmetro inferior a 0,005mm. A própria metodologia de ensaio no que se refere à fração fina (silte e argila) é bastante variável para cada norma de ensaio, e o resultado pode ser bastante afetado por esta metodologia. A utilização de defloculantes para dispersão das partículas finas também tem sido bastante questionada uma vez que procura reduzir os solos a condição de grãos isolados o que em muitos casos não tem nenhum significado. Como conceito geral, em que se pese as diferenças entre as diversas classificações e metodologia de ensaio é certo que a distribuição granulométrica serve apenas como referência de caracterização de solos para aqueles com propriedades coesivas, não sendo possível deduzir ou inferir para estes solos a partir de curvas granulométricas, propriedades de resistência, compressibilidade ou permeabilidade. Estas propriedades são dependentes do tipo de mineral que o compõe e de sua historia geológica. Do ponto de vista da erodibilidade/dispersibilidade os ensaios sedimentométricos comparativos (SCS), que se baseiam fundamentalmente na comparação de curvas granulométricas, sem e com defloculante, parecem dar boa indicação das suscetibilidades de erosão dos materiais finos.

SCS 

%  0,005mm sem defloculan te %  0,005mm com com defloculan te

(4.1)

Se o SCS é menor a 25% a argila pode ser considerada não dispersiva, já se SCS é superior a 25% a argila apresenta uma dispersibilidade que pode ser classificada como alta ou baixa em função da porcentagem do SCS.


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- Solos não Coesivos Para os solos não coesivos, ou granulares, o tamanho do grão e a distribuição granulométrica tornam possível serem inferidas algumas propriedades de engenharia. Assim, por exemplo, algumas relações empíricas têm sido relatadas definindo a permeabilidade em função do diâmetro. Na Figura 4.1 são apresentadas algumas curvas granulométricas e resultados de ensaios de permeabilidade indicando a possibilidade de associação à curvas granulométricas similares, permeabilidade equivalentes (em 1° de aproximação).

Faixa granulométrica para areias finas utilizadas em filtros k=0,01 m/min

Faixa granulométrica para britas utilizadas em concreto k=15m/min

100 ) % ( 

e u q r 50 o n e m %

0 0,01

0,1

1,0

10

100

(mm)

Diâmetro dos Grãos (mm) Figura 4.1 Resultados dos ensaios de permeabilidade para algun algunss mater materiais iais Outra aplicação para os ensaios de granulometria, muito utilizada na engenharia de barragens, é o projeto de filtros em função da distribuição granulométrica e tamanho dos grãos. È possível também nos casos de solos não coesivos inferir, do ponto de vista qualitativo, algumas propriedades geotécnicas como por exemplo: areias bem graduadas apresentam num Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

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mesmo estado de compacidade maior resistência, menor compressibilidade e menor permeabilidade que uma areia uniforme.

4.2.2 Limites de Atterberg Atter berg A classificação dos solos finos, é complementada através dos limites de Atterberg, os limites de liquidez e de plasticidade. Casagrande desenvolveu para a utilização em aeroportos a carta de plasticidade que posteriormente foi estendida para a área de estradas e barragens de terra. Casagrande procurou relacionar qualitativamente os limites de Atterberg com as propriedades de resistência e compressibilidade, como se apresenta na Tabela 4.1. Também têm sido postuladas algumas regressões estatísticas relacionando quantitativamente os limites com algumas propriedades de engenharia para solos sedimentares. Tabela 4.1 Relação dos limites limites de Atterberg com as propriedades de resistência e compressibilidade Característica Caracter ística

Solos com igual LL e com IP crescente

Solos com igual IP e LL crescente

Compressibilidade

Aproximadamente constante

Cresce

Permeabilidade

Decresce

Cresce

Resistência Seca

Cresce

Decresce

Estas tentativas de correlacionar-se os limites às propriedades de resistência e compressibilidade deve ser encarada com reservas uma vez que estas, são função da origem geológica dos solos. Extrapolações destas correlações não podem ser feitas sem prévia análise de como foram obtidas. Apesar de todas as críticas relativas à correlações e ao significado físico dos ensaios de LL e LP, é certo que estes ensaios permitem que os solos possam ser classificados em grandes grupos permitindo em primeiro grau de aproximação a previsão de algumas propriedades dos Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

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solos. Na Figura 4.2 são mostradas na carta de plasticidade alguns solos residuais de Tucuruí e da região centro-sul do país, solos na mesma posição da carta apresentam propriedades de engenharia aproximadamente similares. Uma outra aplicação dos ensaios LP é com relação ao limite de trabalhabilidade de um material na praça de compactação, atualmente se sabe que mesmo com altos teores de umidade natural em relação à umidade ótima de compactação é possível se compactar solos desde que a umidade natural esteja próxima ao limite de plasticidade.

4.3 Ensaios índices e de compactação Apesar da importância destes ensaios, os primeiros determinando os índices físicos dos solos tais quais densidade dos grãos, umidade e densidade natural, a partir dos quais são obtidas as propriedades índices como grau de saturação, índice de vazios e porosidade, e os segundos determinando para uma dada energia de compactação, a umidade ótima com a qual é obtida a máxima densidade do solo, os mesmos não serão comentados especificamente uma vez que a influência destes parâmetros será relatada em trabalhos ou itens específicos.

4.4 Ensaios triaxiais para para determinação da resistência ao cisalhamento do solo solo 4.4.1 Introdução Inicialmente convém lembrar que a análise de um problema de estabilidade em mecânica dos solos pode ser feita tanto em termos de pressões totais, como em termos de pressões efetivas. A análise de um problema em termos de pressões totais consiste: - Estimativa das pressões totais que atuam sobre o solo e das condições de drenagem; - Determinação da resistência do solo por meio de ensaios de laboratório que reproduzam as tensões que agem no solo e as condições de drenagem previstas; - Comparação das tensões totais previstas com a resistência em termos de pressões totais obtidas no ensaio. Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

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A análise de um problema em termos de pressões efetivas consiste das seguintes fases: - Estimativa das pressões totais e pressões neutras (estimadas ou medidas) que atuam sobre o solo; - Determinação das pressões efetivas que agem sobre o solo so lo em função das pressões totais e pressões neutras; - Determinação no laboratório da resistência ao cisalhamento do solo em termos de pressão efetiva ; - Comparação entre as pressões efetivas previstas e a resistência do solo em termos de pressões efetivas. O problema de análise em termos de pressões totais ou efetivas é bastante complexo, existindo correntes dentro da mecânica dos solos favoráveis a uma ou outra. Na realidade a análise de um problema em termos de pressões totais é um artifício criado para suprir as deficiências em estimar ou medir as pressões neutras uma vez que a parcela de tensão total resistida pela estrutura das partículas de solo é a tensão efetiva, não havendo “compromisso” desta com aquelas.

Sem dúvida desde que se conheçam as pressões neutras, a análise em termos de pressões efetivas seria mais representativa. A chave da questão reside nas incertezas das medidas das pressões neutras, tanto no laboratório como em alguns casos no campo.

4.4.2 Ensaios Triaxiais Estes ensaios tem sido extensivamente adotados na engenharia de barragens de terra na determinação dos parâmetros de resistência, para análise de estabilidade e, em alguns casos, analise de tensão – deformação. Basicamente os ensaios triaxiais se resumem a aplicação de uma tensão confinante ( c) e de uma tensão axial ( a). Desta forma, e sabendo-se que não existem tensões de cisalhamento


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aplicadas nos corpos de prova, as tensões confinante e axial serão iguais as tensões principais atuantes no corpo de prova.

4.4.3 Representação dos dos ensaios Os ensaios triaxiais são geralmente representados pela curva tensão – deformação, sendo que desta pode ser determinado o ponto de ruptura da amostra. Já com esta informação pode-se representar no diagrama de Mohr os círculos de tensões, ou no diagrama p-q as trajetórias de tensões. Estas representações permitem conhecer a evolução das tensões e das pressões neutras durante a realização do ensaio, assim como os parâmetros de resistência do material quando realizados diferentes ensaios a variadas tensões de confinamento ( c). A Figura 4.2 contem uma representação gráfica de alguns ensaios triaxiais nos diagramas de circulo de Mohr e trajetória de tenções. Já a Figura 4.3 contem as envoltórias de resistência obtidas da representação de um conjunto de ensaios triaxiais na forma do diagrama de Mohr e de trajetórias de tenções.

4.4.4 Tipos de ensaios Em função de como são realizados os estágios de carregamento e de ruptura dos corpos de prova, os ensaios triaxiais podem ser divididos em várias categorias. - Ensaios rápidos (Q ou UU): Neste ensaio não é permitida a drenagem em qualquer estágio do carregamento e o carregamento do corpo de prova é feito de forma rápida. - Ensaios pré-adensados rápidos (R ou CU): Neste ensaio é permitida a drenagem durante o processo de adensamento. Posteriormente é aplicado um carregamento rápido e o corpo de prova é levado a ruptura sem drenagem. - Ensaios Lentos (S ou CD): Nestes ensaios ensaios permite-se a drenagem no carregamento que é feito de forma lenta e com total dissipação da pressão neutra. Desta forma a resistência é sempre expressa em termos de tensões efetivas.


33


 

 1

  3 2 Envoltória em termos de Tensão Efetiva



Envoltória em termos de Tensão Total u<0

u>0

’

3

’31



u

’11

1



(a) Representação no diagrama de circulo de Mohr q

 1

  3 2 u

Trajetória de Tensões Totais

Trajetória de Tensões Efetivas 45º p



 1

  3 2

p

(b) Trajetória de tenções Figura 4.2 Representação dos ensaios ensaios triaxiais; (a) Representação no diagrama de circulo de Mohr; (b) Trajetória de tenções


34


 

 1

  3 2

Resistência em termos de Tensões Totais



’

  c   tg 

Resistência em termos de Tensões Efetivas  '  c'   ' tg  '



c c’

’31 ’32

31

32

’11 ’12 11

12 

(a) Representação no diagrama de circulo de Mohr

q

 1

  3 2 q  d  p tg 

onde:



d  c'  cos  tg   sen 

d p



 1

  3 2

p

(b) Trajetória de tenções Figura 4.3 Envoltórias de resistência; (a) Representação no diagrama de circulo de Mohr; (b) Trajetória de tenções

A Figura 4.4 apresenta os resultados de ensaios triaxiais adensados rápidos anisotrópicos. anisotrópicos. Já a Figura 4.5 apresenta os resultados típicos para vários tipos de ensaios triaxiais anteriormente mencionados. Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

35


Kf = Kc Kc = 4.0 4.0



Kc = 3.0 3.0 K c



Kc = 2.0 2.0

 1c  3c

Kc = 1.5 1.5 Kc = 1.0 1.0 Envoltória de Remitência Kc = 4.0 4.0

c

c’

Kc=1.5 Kc = 1.0 1.0  fc

Kc = 2.0 2.0

Kc = 3.0 3.0 Círculos de Adensamento

Tensão Normal



Figura 4.4 Ensaios triaxiais adensados rápidos anisotrópicos


36


o t n e m a h l a s i C o a a i c n ê t s i s e R

S



’

i v a f e t E ã o n s T e

Tensão de Consolidação

45º+ /2

c

f f f c f t

Tensão Normal

1

u f f



(a) Ensaios C.U.  



’

Amostras parcialmente Saturadas

Amostras com 100% de Saturação



c

c

c’





(b) Ensaios Q ou UU em material argiloso







’



’





(c) Ensaios S ou CD Figura 4.5 Resultados típicos de ensaios triaxiais; (a) Ensaios C.U.; (b) Ensaios Ensaios Q ou UU em material argiloso; (c) Ensaios S ou CD


37


4.5 Programação Programação dos ensaios triaxiais triaxiais Os ensaios de laboratório devem ser programados e executados de forma a representar da melhor forma possível as condições de solicitação, drenagem e saturação que existirão no campo. Como condições de solicitação devem ser considerados o tipo e as tensões de adensamento, a forma com que estas solicitações é feita (compressão axial, extensão axial, compressão lateral e extensão lateral) e a velocidade de carregamento. Na Figura 4.6 é apresentada apr esentada a orientação orie ntação das tensões principais ao longo da superfície hipotética de ruptura. Há que se notar que as direções das tensões principais ao longo da superfície potencial de ruptura podem não ser as mesmas no instante de ruptura. Esta hipótese no entanto, não induzirá um erro muito sério. Já a Figura 4.7 apresenta as condições normais de solicitação de uma barragem de terra .

1

1

N.A. Máximo Normal

f 3



3

1 3 1 3

1 3

Figura 4.6 Tensões principais ao longo longo de uma uma superfície de ruptura ruptu ra


38


Escavação

Compactação

Carregamento devido ao peso do material sobrejacente

Saturação

Rebaixamento do nível do reservatório Figura 4.7 Seqüência de carregamento carrega mento de uma barragem barrage m


39


A programação dos ensaios deve ser realizada em função do tipo de solicitação que se terá nas condições de campo. Em função desta consideração serão apresentadas algumas considerações com relação a cada uma das faces da barragem. Final de construção ou durante a construção

Neste caso o solo é compactado com graus de saturação que variam normalmente entre 75 a 90% e submetido a um carregamento devido à construção do aterro sobrejacente. Dependendo da velocidade da construção e condições de permeabilidade do solo podem ser consideradas como válidas as envoltórias de resistência dos ensaios rápidos não drenados (construção instantânea sem dissipação de pressões neutras) ou adensados rápidos (possibilidade de adensamento devido a velocidade lenta de construção). Como discutido anteriormente, a adoção de envoltórias em termos de tensão total incorpora automaticamente o efeito da pressão neutra. No caso de análise em termos de tensão efetiva Bishop sugere a adoção do parâmetro B que relaciona a pressão neutra desenvolvida com a tensão vertical atuante no local de interesse. A determinação do parâmetro B pode ser feita em ensaios PN, onde é realizada a medição da pressão neutra com aplicação de acréscimo na pressão confinante e axial de tal forma que a relação mantenha-se constante. Nestas condições são normais os casos em solos residuais, por exemplo, em que se determinam parâmetros de B da ordem de 30 a 50% sendo que as medidas de pressões neutras efetuadas no campo, para os mesmos solos, raramente excedem a 10%. Desta forma é possível observar que na estimativa das pressões neutras em solos não saturados é onde residem as maiores dúvidas que dificultam sobremaneira a realização das análises de estabilidade. Este fato decorre, principalmente, da dificuldade não só da medida de pressão neutra em laboratório, bem como de simulação da velocidade de carregamento e das condições de drenagem. Rebaixamento Rebaixamento rápido

Para simular as condições de rebaixamento rápido no laboratório são utilizados os ensaios CU (adensado não drenado) saturados. O adensamento real no campo é feito com uma relação Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

40


próxima de  1c  3c  2 , no entanto, é uso corrente, na engenharia de barragens, proceder-se a ensaios com adensamento isotrópico, que apresentam condições mais conservativas. Em análises em termos de pressões efetivas, as pressões neutras desenvolvidas devido a variação da carga originada pelo rebaixamento podem ser determinadas no próprio ensaio CU .

Tem sido também extensivamente adotada a previsão de pressões neutras após o

rebaixamento, pela utilização do parâmetro B = 1(solo saturado), isto é, a variação da pressão neutra como função da variação da tensão principal maior suposta igual à variação da pressão vertical. Na análise em termos de pressões efetivas, dependendo da permeabilidade do material (k>10-5 m/s), a previsão das pressões neutras pode ser realizada pelo traçado de redes de fluxo em regime transiente. Funcionamento normal

O ensaio utilizado para reproduzir as condições de campo é o ensaio CD (adensado drenado). Se for feita a saturação, a mesma deve ser executada por contra pressão. São utilizados também os ensaios adensados rápidos ou a média das envoltórias dos ensaios adensados rápidos com os ensaios lentos. O cálculo das pressões efetivas é feito extraindo-se as pressões neutras de redes de fluxo em regime permanente. Observações gerais

Análise em termos de tensões efetivas - A única envoltória em termos de tensões efetivas não sujeita às vicissitudes de determinação da pressão neutra é a do ensaio lento. - A envoltória em termos de pressões efetivas é uma propriedade intrínseca de cada tipo de argila. Esta envoltória é única e é independente do histórico de tensões e do processo de ruptura. Desta forma, como pode ser observado nas Figura 4.3 e 4.5, apesar das trajetórias de tensões efetivas terem formas diferentes para os vários tipos Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

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de ensaios (CU, UU, S) a envoltória é a mesma e a resistência o cisalhamento é dependente da tensão de confinamento na ruptura. - As pressões neutras medidas em laboratório normalmente são maiores que as observadas em campo em barragens brasileiras, para a condição de final de construção. Desta forma, em análise de estabilidade em termos de pressões efetivas a utilização das pressões neutras de ensaios representa um enfoque muito conservativo. No caso de análise de final de construção, as pressões neutras de cálculo inferidas dos resultados de medidas no campo em obras e solos similares parecem ser uma solução mais realista. - Em análise de rebaixamento rápido, infelizmente, não se dispõe de dados de medidas de pressão neutra no campo nos solos brasileiros e a previsão desta, pode ser feita pelo método de Bishop descrito anteriormente e na maioria dos casos esta previsão é conservadora. Análise em termos de pressões totais - A utilização das envoltórias em termos de tensões totais pode ter erros significativos uma vez que as condições de drenagem e de velocidade de carregamento são bastante difíceis de serem produzidas. Além deste fato a parcela das pressões totais aplicadas, resistida pelo solo, é a pressão efetiva q ue não tem “compromisso” com as tensões totais aplicadas.

4.6 Outros ensaios de resistência 4.6.1 Ensaio de cisalhamento direto direto Durante muitos anos o ensaio de cisalhamento direto foi muito utilizado para a avaliação da resistência dos solos. Na atualidade é realizado devido à sua fácil execução e ao baixo custo (Juarez & Rico, 1976). O ensaio é executado em uma caixa constituída de duas partes, uma primeira parte fixa que contém aproximadamente a metade da amostra, e uma segunda móvel que contém a metade restante. Duas pedras porosas, uma localizada na parte inferior, e outra na parte superior da amostra, permitem a drenagem livre de amostras saturadas. A parte superior móvel, tem um elemento no qual é possível a aplicação de uma carga horizontal no Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

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plano de separação das duas peças, provocando desta forma, a ruptura do corpo de prova ao longo deste plano bem definido. Sobre a parte superior da caixa de cisalhamento, é possível a aplicação de carga vertical, proporcionando uma pressão normal no plano de ruptura,

n.

Esta

pressão pode ser livremente livremente definida pelo operador do equipamento equipamento (Juarez & Rico, 1976). A adição de extensômetros ao equipamento permite a medição de deslocamentos da amostra nas direções horizontal e vertical. Na Figura 4.8 é possível apreciar um esquema do equipamento de cisalhamento direto.

Figura 4.8 Equipamento de cisalhamento direto direto.. Existem duas formas de realização dos ensaios de cisalhamento direto. A primeira consiste em definir e aplicar a carga vertical para atingir a pressão normal no plano de ruptura. Após este procedimento, continua-se a induzir na amostra uma deformação controlada, definida por uma taxa de deformação fixada pelo operador do equipamento (velocidade de cisalhamento). Durante o processo de deformação da amostra é medida a força tangencial T, aplicada ao corpo de prova. Este procedimento é conhecido como Ensaio de Cisalhamento a Deformação Controlada. Já a segunda forma consiste em alcançar a pressão normal no plano de ruptura, e posteriormente, procede-se induzindo no corpo de prova incrementos da força tangencial T, medindo os deslocamentos horizontais e verticais geradas pela aplicação desta força tangencial. Este procedimento recebe o nome de Ensaio de Cisalhamento Direto a Tensão Controlada.


43


Com os resultados obtidos do ensaio é possível a construção de curvas de tensão tangencial ( ) versus deslocamentos horizontais ( ), para uma determinada tensão normal ( n). A partir destas curvas é possível definir os critérios de ruptura do material, e que tipo de ruptura apresenta, ou seja, se é frágil ou dúctil. Definida a tensão de ruptura do material ( ) para uma determinada tensão normal ( n), e executando o ensaio várias vezes sob as mesmas condições, mas com diferentes valores de tensão normal, é possível obter a envoltória de ruptura do material. Da envoltória de ruptura é possível a determinação dos parâmetros de resistência como coesão ( c) e ângulo de atrito ( ) do material. A coesão é definida como a intercessão da reta que melhor se ajusta à envoltória de ruptura com o eixo da tensão cisalhante ( ), e o ângulo de atrito é representado pela inclinação desta reta. Em função da magnitude das tensões normais, pode-se não obter envoltórias de ruptura retilíneas. Neste caso, o ângulo de atrito e o intercepto de coesão variam com o incremento da tensão normal (

n).

Este processo de determinação da resistência ao cisalhamento dos solos apresenta algumas desvantagens. A primeira delas é o fato de que o corpo de prova é condicionado a romper em um plano de ruptura pré-determinado, desconsiderando a presença de estruturas herdadas ou planos de fraqueza. Em segundo lugar, a distribuição das tensões no plano de ruptura não é completamente uniforme, o conjunto de tensões é complexo, e existem rotações das tensões principais à medida que se incrementa a tensão de cisalhamento. Também não se pode controlar a drenagem durante o ensaio, a poro pressão não pode ser medida, e as deformações aplicadas à amostra são limitadas pelas condições do equipamento. O ensaio também apresenta grandes vantagens como ser de fácil execução, os princípios teóricos básicos serem de fácil entendimento, e a moldagem dos corpos de prova ser de rápida execução. Outras vantagens são que podem ser elaborados equipamentos de maiores dimensões a um custo relativamente menor que para outro tipo de ensaios e que as propriedades medidas como ângulo de atrito e coesão podem ser considerados de boa representatividade. O equipamento pode ser utilizado para ensaios drenados e para a medida da resistência ao cisalhamento residual, pelo processo de múltipla reversão da direção de cisalhamento. Devido a que uma das desvantagens do ensaio de cisalhamento direto é o fato de que a rotação das tensões principais não pode ser controlada, na Figura 4.9, se apresenta o círculo Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

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de ruptura, com os esforços e as direções das tensões principais no ensaio. Nesta figura foi considerado que a linha de ruptura passa pela origem de coordenadas e coincide com os esforços ( n, ), que é chamado de ponto D. Traça-se o círculo tangente à linha de ruptura no ponto D, e que tem centro sobre o eixo . O pólo de planos é localizado traçando uma linha paralela ao plano de ruptura, que passa pelo ponto D. Unindo-se o pólo P com os pontos de intercessão do círculo com o eixo

, A e B, se tem a direção dos planos principais, que é

detalhada na Figura 4.9a (Juarez & Rico, 1976). Envoltória de Ruptura

 n

R D



T



1

3

O

P

C

A

B

3 n 1

(a)

(b)

Figura 4.9 Rotação das tensões principais no ensaio de cisalhamento direto: (a) Direção das tensões principais; (b) Representação das tensões no diagrama de Mhor (modificado - Juarez & Rico, 1976).

4.6.2 Ensaio de compressão simples Este ensaio é um caso particular do ensaio triaxial onde a tensão confinante é nula. Na área de barragens de terra geralmente estes ensaios são preteridos em relação aos ensaios triaxiais. A maior aplicação destes ensaios é no caso de argilas saturadas onde a resistência à compressão simples deveria ser semelhante a resistência destes solos em ensaios Q (na realidade um pouco inferior se é considerada a tração nas bordas do corpo de prova). A coesão das argilas neste caso pode ser tomada igual a 0,43 a 0,50 da resistência à compressão simples. Outra aplicação destes ensaios está na determinação da sensitividade das argilas.


45


4.7 Ensaios de adensamento adensamento – Determinação da compressibilidade dos solos Os ensaios oedométricos ou de adensamento são ensaios de compressão unidimensional realizados com total drenagem, onde são medidas as cargas aplicadas, as variações de altura do corpo de prova e o tempo em que estas variações ocorrem. As deformações laterais são nulas. A medida da permeabilidade em ensaios de adensamento constitui-se numa técnica simples, sendo o resultado obtido mais representativo que os ensaios a carga variável em laboratório, por incorporar a redução dos vazios decorrentes das pressões aplicadas e pela maior facilidade de garantir a saturação da amostra. A colapsibilidade dos solos de fundação de barragens sob o efeito da inundação, sem acréscimo de pressão, tem sido também determinada através dos ensaios de adensamento. Neste caso convém se verificar a ocorrência de colapso a várias pressões. Além da utilização em cálculo de recalques convencionais (teoria de adensamento de Terzaghi), os resultados dos ensaios de adensamento têm sido aplicados na determinação dos módulos de elasticidade para o cálculo das deformações de barragens pela teoria elástica.

4.8 Acondicionamento dos ensaios Os fatores que influenciam nos resultados finais dos ensaios são variados, entre eles podem-se mencionar a amostragem, a velocidade de carregamento, o tempo de adensamento, atrito nas bases e efeito da membrana. Todos estes fatores são amplamente descritos em livros específicos de ensaios de laboratório. Neste item dar-se-á ênfase especial apenas no fator amostragem.

4.8.1 Efeito da moldagem A amostragem, tanto por cravação do amostrador ou por abertura de poços, provocam, sem dúvidas, perturbações nas amostras que influenciam o resultado final tanto mais quanto maior Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

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o amolgamento. Nos ensaios de adensamento oedométricos a influência do amolgamento está representada na Figura 4.10. O índice de vazios é menor para o solo amolgado e sua compressibilidade é maior. Nos ensaios triaxiais adensados, amostras amolgadas terão índices de vazios menor, umidades menores, quando adensadas nas mesmas pressões de campo e no carregamento axial desenvolverão menores pressões neutras e maior pressão efetiva, apresentando, portanto, maiores resistências efetivas. Em contrapartida, nos ensaios Q os solos terão menores resistências quanto maior a sensitividade da amostra. e

Indeformada

Remoldada

Log (

Figura 4.10 Curva de ensaios oedométricos, amostras remoldadas e indefor indeformadas madas

4.8.2 Efeito da pressão atuante atuante Ao retirar-se amostras indeformadas se modificam inevitavelmente as pressões atuantes. As pressões verticais atuantes sobre uma determinada amostra a ser extraída são sensivelmente diminuídas durante a abertura do poço enquanto as pressões horizontais diminuem mais lentamente. Este alívio de tensões gera uma expansão e como o comportamento do solo não é elástico, é bastante difícil que se consiga, mesmo levando-se o corpo de prova ao estado de tensão de campo, reproduzir o índice de vazios do campo.


47


4.8.3 Solos compactados A compactação de laboratório de materiais de empréstimo, para simulação da compactação de campo, deve ser feita tendo em conta todos os aspectos intervenientes na construção dos maciços compactados. Embora ainda não esteja muito investigada a influência da compactação de laboratório com relação às condições reais de compactação no campo, estudos têm concluído que os materiais compactados no campo apresentam melhores parâmetros geotécnicos que os mesmos materiais compactadas no laboratório.


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CAPÍTULO 5 5. PROPRIEDADES GEOTÉCNICAS DE SOLOS COMPACTADOS 5.1 Introdução Os materiais de construção disponíveis, suas características geotécnicas quando compactados e as características logísticas e econômicas das áreas de empréstimo, constituem um dos fatores predominantes na concepção de uma barragem de terra. Em tese, com exceção de solos orgânicos e de solos solúveis, qualquer solo pode ser empregado no maciço de uma barragem de terra. Por outro lado não existe um “solo ideal”.

Em princípio, cada barragem específica, associada a suas características da fundação, à sua altura, ao clima da região, entre outras condições, possui um solo “ideal”, ou, mais corretamente, cada zona de uma barragem possui um “solo ideal”. Mesmo este enfoque,

difundido por muitos, a nosso ver não é conceitualmente correto. De fato, subentende implicitamente uma atuação passiva do engenheiro. Assim sendo, o procedimento correto é o de uma atuação ativa do engenheiro, no estabelecimento do projeto de uma barragem, tornando ideal os materiais disponíveis, através da concepção conveniente do maciço, de modo que resulte num custo global mínimo para a obra. Do maciço De um modo geral as propriedades geotécnicas dos solos relevantes ao projeto de uma barragem de terra são homogeneidade, compressibilidade, permeabilidade, resistência ao cisalhamento incluindo as pressões neutras desenvolvidas durante a construção do maciço, flexibilidade e resistência a erosão interna. Entretanto, dependendo da zona do maciço, algumas destas propriedades são parcialmente ou totalmente irrelevantes. Um exemplo de propriedade irrelevante é a permeabilidade do material que conforma os espaldares.


49


Dos materiais de construção As propriedades geotécnicas de um solo compactado depende de dois fatores importantes, o primeiro é o tipo de solo propriamente dito ( max), e o segundo são as características de compactação deste material. Como a liberdade do engenheiro na escolha do tipo de solo é limitada aos existentes nas proximidades da barragem, sua atuação de forma ampla e livre é restrita às especificações de compactação de modo a obter a almejada otimização maciço-solo existentes. Do conjunto maciço – materiais de construção É necessário que sejam definidas as propriedades relativas de cada zona do maciço, e os respectivos limites aceitáveis para cada uma das propriedades dos solos compactados que conformarão estas zonas. Desta forma são determinados os tipos de solos a serem empregados nas diferentes partes da barragem, assim como suas condições de compactação na obra, com a finalidade de obter as condições ótimas de projeto. Desta forma, as propriedades dos solos compactados fazem parte importante das condições de projeto. Estes dados são obtidos através da programação de ensaios de laboratório para todos os tipos de solos existentes e em toda gama de variação possível de especificação. Entretanto, tal procedimento de análise, individualizado, sem estar baseado em nenhum princípio físico geral não constitui um enfoque técnico cientifico. No presente caso, confirmado a necessidade de uma síntese científica, é fundamental, o conhecimento das propriedades gerais dos solos compactados, baseados no princípio físico da compactação e respectivas iterações e tendências gerais entre parâmetros geotécnicos, tipo de solo e condições de compactação. Desta forma, a concepção inicial do maciço e a programação correta e sistemática dos ensaios de laboratório, será adequadamente planejada seguindo um ciclo iterativo entre programação de ensaios de laboratório e análise da informação obtida, permitindo a reorientação dos conceitos de projeto e sendo estes reavaliados com uma nova campanha de ensaios de laboratório.


50


5.2 Considerações gerais sobre a compactação compactação 5.2.1 A curva de compactação Se um solo coesivo é compactado com uma dada energia de compactação e a vários teores de umidade, obtendo-se uma curva típica, conforme é apresentado na Figura 5.1.

)

3

m / N k ( o c e S o c i f i c e p s E o s e P

S = 1 0 0 %

Teor de Umidade (%

Figura 5.1 Curva típica de um ensaio de compactação em um solo coesivo Esta curva mostra que à medida que aumenta o teor de umidade, o peso específico seco aumenta, atinge um valor máximo e depois decresce. O ponto máximo é denominado de peso específico seco máximo ( dmax) e o respectivo teor de umidade, de umidade ótima. Deve-se observar que o teor ótimo não representa uma condição ótima-ideal relativamente às propriedades geotécnicas, mas tão somente uma denominação comum referente à umidade do ponto máximo da curva. A curva de compactação de um determinado solo depende da energia de compactação e do tipo de compactação. O aumento da energia de compactação reflete no deslocamento do pico Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

51


da curva para cima e para a esquerda (um maior peso específico a um menor teor de umidade).

5.2.2 Interpretação física e físico – química da curva de compactação Interpretação Interpretação física física

A deformação de um solo é basicamente devida ao movimento relativo de suas partículas por deslizamento e rolamento. Deste modo, numa primeira análise, visando o conhecimento do mecanismo físico da curva de compactação é valido comparar o esforço atuante (energia de compactação) com o esforço resistente (resistência do deslizamento das partículas de solo). Assim sendo, no trecho acima da umidade ótima a densidade do solo diminui devido a diminuição da pressão efetiva aplicada, provocada pelo desenvolvimento de pressões neutras durante a compactação. Este modelo interpretativo é particularmente válido para a condição confinante do ensaio de compactação em laboratório. No campo, entretanto, a diminuição da pressão efetiva aplicada é devido à diminuição de suporte do solo (capacidade de carga) devido à criação de pressões neutras. Para umidades abaixo da ótima, a densidade diminui devido ao aumento da resistência ao cisalhamento do solo. De fato, para uma mesma pressão aplicada (esforço de compactação), uma maior resistência do solo implica em menor deslizamento das partículas, conseqüentemente menor densidade. Interpretação Interpretação Físico-Químic Físico-Química a

Estudos físico – químicos químicos indicam que cada partícula de solo é envolvida por uma fina película químico da película d’água. Quando o teor de umidade do solo é baixo o efei to físico – químico envolvente é equivalente a de uma elevada viscosidade entre as partículas de solo. Deste modo, apresenta grande resistência aos movimentos dos grãos quando uma carga é aplicada.


52


Assim sendo, a teores de umidade baixos é necessário um grande esforço (grande energia) para provocar movimento no interior do solo. Se o teor de umidade aumenta, os grãos da estrutura do solo são separados por água de “baixa viscosidade”, desta forma diminui os

efeitos físico – químicos químicos e diminui também a concentração eletrolítica, tendo como resultado uma expansão da película d’água.

Lambe apresenta a seguinte interpretação da curva de compactação com relação à estrutura do solo: “para um dado esforço de compactação um dado solo tende a ter uma estrutu ra mais

floculada representada por um baixo grau de orientação das partículas de argila quando compactado do lado seco (w < w ot) do que quando compactado do lado úmido(w > w ot)”. O mesmo autor também postula que o esforço de compactação, para um mesmo solo e a uma mesma umidade, tende a aumentar a “dispersão” do solo, ou seja, a orientação das partículas.

Embora a mudança da estrutura do solo com o teor de umidade de compactação, acima descrita, pode não desenvolver em todos os solos coesivos, ou melhor, desenvolve a graus quantitativos diferentes, este modelo é útil na interpretação das propriedades geotécnicas de solos compactados, associados ao desvio de umidade de compactação.

5.3 Interpretação geotécnica da compactação Analisando a seqüência de compactação de um solo, tanto em laboratório quanto no campo, verifica-se que o efeito de compactação é o de aplicação de uma determinada carga ao solo e de sua remoção posterior. Análoga, portanto, a seqüência de carregamento de um solo préadensado (com exceção do tempo de aplicação da carga). Partindo deste raciocínio Victor de Mello idealizou como modelo geotécnico de um solo compactado, o modelo comumente adotado na engenharia geotécnica para um solo pré-adensado, sendo a pressão de préadensamento a carga efetiva absorvida pelo solo devido ao esforço de compactação. O modelo anterior, representativo de um solo pré-adensado, e o estudo do efeito de compactação permitem a seguintes interpretações.


53


- A primeira variável que deve ser pesquisada em um solo compactado é a pressão de pré-adensamento equivalente. Esta pressão é função do tipo de solo, da energia de compactação e da umidade do solo. - Como o efeito da compactação é restrito à faixa de pressões inferiores a de pré-adensamento, as características geotécnicas do solo, no universo virgem, dependem praticamente só do tipo de solo, sendo este comportamento também influenciado pela estrutura do solo, variável que deve ser considerada adicionalmente. Deste modo, nas zonas do maciço em que o solo será submetido a pressões superiores a de pré-adensamento, praticamente não há influência da compactação nas respectivas propriedades geotécnicas. - As características geotécnicas correspondentes ao universo pré-adensamento dependem de dois fatores associados ao tipo de solo: capacidade do solo de reter a energia de compactação compactação e de reter o “estado compactado” compactado” -expansão.

- Devido à energia absorvida pelo solo no campo, o estado inicial da tensão principal maior corresponde à pressão horizontal. O valor de ko varia com a pressão vertical (razão de pré-adensamento) tal qual nos solos pré-adensados: de um valor inicial maior a um até um valor entre 0,4 e 0,6 quando atinge o universo virgem.

5.4 Efeito da compactação compactação nas propriedades propriedades geotécnicas do solo solo 5.4.1 Permeabilidade De um modo geral, no ramo seco, o aumento do teor de umidade provoca uma redução marcante do coeficiente de umidade. No ramo úmido, o aumento do teor de umidade provoca apenas um pequeno aumento da permeabilidade. Este fenômeno pode ser observado na Figura 5.2.


54


) c e s / m ( e d a d i l i b a e m r e P )

3

m / N k ( o c e S o c i f i c e p s E o s e P

S = 1 0 0 %

Teor de Umidade (% 

Figura 5.2 Variação da permeabilidade com as mudanças mudanças na umidade de compactação Da Figura 5.2 é possível verificar que para uma mesma densidade e teores de umidade de compactação diferentes, há diferenças no coeficiente de permeabilidade. Esta diferença é explicada pelo modelo de estruturas do solo proposto por Lambe, e discutido no capítulo 2, onde um solo com estrutura “dispersa”, a mesma densidade, é mais permeável do que com estrutura “floculada”.

5.4.2 Compressibilidade A seguir serão ressaltadas algumas observações feitas com relação à compressibilidade dos solos compactados.


55


a. Baseado no modelo de solo pré-adensado a compressibilidade do universo pré-adensado é menor do que a do universo virgem, desta forma solos residuais compactos apresentam em geral um valor inferior a 0,15 para a referida relação. b.

Conforme já dito, a ordem de “explicação estatística” dos parâmetros de

compressibilidade, tanto para o índice de compressão quanto para o índice de recompressão, tem-se em primeiro lugar a variável tipo de solo e, em segundo lugar a variável estrutura do solo função da origem geológica e das condições de umidade na compactação. c. Embora não seja de nosso conhecimento conhecimento a existência de estudos estatísticos, porém baseados em alguns dados disponíveis e no modelo de estruturas de solos compactados, é possível estabelecer as seguintes tendências, resguardadas as observações acima: - No universo universo pré-adensado o índice índice de recompressão recompr essão de um solo compactado com com umidade inferior a ótima é menor do que compactado no lado úmido, por apresentar aquela menor expansão quando aliviadas as tensões. - No universo virgem virgem ocorre ocorr e a mesma influência influência da umidade de compactação, compact ação, porém, devido a maior “rigidez” da estrutura floculada e m comparação com a dispersa.

d. Um efeito interessante a abordar, abordar , quanto à compressibilidade de solo compactado é o fenômeno de deformação a carga constate, quando o solo é saturado, devido ao colapso da estrutura. Este fenômeno é comum ocorrer quando o solo compactado apresenta grande desvio da umidade para o ramo seco, apresentando um baixo grau de saturação inicial. Os recalques provocados por este efeito são rápidos e têm provocado trincas e rupturas em barragens durante o seu primeiro enchimento. O procedimento de projeto que deve ser adotado nestes casos, na zona do maciço submetida a tensões inferiores a que exclui o efeito efeito de colapso, é o de especificar especificar convenientemente a umidade de compactação compactação de modo a não ocorrer colapso da estrutura.


56


e.

De um modo extremamente extremamente simplificado simplificado a relação entre os parâmetros parâmetros de compressibilidade obtidos em corpos de prova moldados em laboratório e de amostras indeformadas do protótipo é de 2:1, e das amostras indeformadas para medições de campo realizadas no protótipo é de aproximadamente 1.5:1 até 3:1.

5.4.3 Resistência ao cisalhamento Serão realizadas algumas observações com relação aos tipos de condições drenadas ou não drenadas, assim como ao tipo de solo e as condições de compactação do material. Resistência Resistência Drenada Drenada

a. Com relação ao tipo de solo – no trecho virgem verifica-se um aumento do ângulo de atrito interno com os solos representados por maiores pesos específicos seco máximo do ensaio de compactação. b. Com relação à umidade de compactação – para um mesmo solo, submetido à mesma energia de compactação e com a mesma densidade de compactação, porém com umidades de compactação diferentes (no ramo úmido ou no ramo seco), apresentam para todos os fins práticos, a mesma resistência no trecho do universo virgem. c. Com relação à energia de compactação – o aumento da energia de compactação aumenta a pressão de pré-adensamento e, conseqüentemente, a resistência do solo no trecho préadensado, adensado, conforme pode ser observado na Figura 5.3. Na prática a envoltória de resistência é ajustada a uma ou duas retas. Resistência Resistência não drenada drenada

Para um mesmo solo a mesma energia de compactação o efeito do teor de umidade na resistência não drenada é devido a dois fatores. O primeiro é o conhecido efeito físico que tem estreita relação com o grau de saturação, e o segundo é o efeito físico – químico químico que tem relação com a estrutura do solo. Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

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 

’

Energia de Compactação

Pa1

Pa2

Pa3



Figura 5.3 Influência da energia de compactação na envoltória envoltória de resistência ao cisalhamento

Estes dois efeitos resultam numa maior pressão neutra no solo quando compactado do lado úmido e submetido a determinado carregamento não drenado. Deste modo, no estado de compactação os solos apresentam maior resistência ao cisalhamento quando compactados no lado seco do que no lado úmido. Medições de pressões neutras no protótipo têm indicado que as previsões de pressões neutras, a partir de ensaios de laboratório, em geral superestimam os valores reais. Isto devido basicamente aos seguintes fatores: a. Técnica do ensaio de laboratório laboratór io – no ensaio de laboratório do tipo PN, por exemplo, a medida da pressão neutra é feita na base e/ou no topo do corpo de prova, cuja técnica de medida necessita da saturação prévia da tubulação e da pedra porosa. Esta saturação provoca uma ligeira modificação da umidade no ponto de medida. Porquanto esta umidade introduzida artificialmente no corpo de prova em nada interfere no comportamento do ensaio, quando analisado em termos de pressões totais é suficiente para mascarar a medida da pressão neutra, fornecendo valores maiores que o real, conforme gráficos reais típicos deste ensaio.


58


b. Mecanismo de compactação compact ação ensaio-protótipo ensaio-protó tipo – para teores de umidade elevados o mecanismo de compactação no laboratório é bastante distinto da compactação no campo. No campo a condição que controla é a resistência resistência (capacidade de carga), enquanto que em laboratório, devido ao confinamento do solo no molde não há problemas de resistência. A diferença de estrutura, devido a estes dois mecanismos explica parcialmente a diferença de comportamento geotécnico entre corpos de prova moldados no laboratório e de amostras indeformadas, quando são compactadas acima da umidade ótima. c. Seqüência de carregamento carregamento ensaio-protótipo ensaio-protótipo – no campo, após compactada uma camada o solo tende a expandir. Esta expansão é praticamente impedida pela criação de tensões capilares negativas. Logo, o estágio inicial de pressão neutra no campo é, para a maioria dos solos, negativa.

5.4.4 Flexibilidade Uma das falácias da engenharia geotécnica é associada a flexibilidade de um solo (capacidade do solo deformar plasticamente sem fissuras), nas condições naturais ou quando compactado. Conforme será discutido as “tensões e deformações em barragens de terra e enrocamento”, o

parâmetro que deve ser considerado na análise de fissuras de uma barragem é a deformação específica à tração no fissuramento ( t) e não a resistência a tração propriamente dita. Pesquisas de laboratório e observações no protótipo indicam que a deformação a tração no fissuramento é função do tipo de solo, das características de compactação e do tempo de carregamento. Deste modo, em princípio, uma vez estimada a extensão máxima de tração ( t) de uma zona do maciço, o procedimento de projeto consiste em selecionar um dado material e especificar as condições de compactação no protótipo de tal modo que a deformação específica à tração do solo nestas condições seja superior à prevista no protótipo, ou seja t > t. Este procedimento, embora conceitualmente lógico e correto, apresenta grau de confiabilidade baixo em relação às necessidades de segurança da obra, por estar baseado em duas variáveis Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

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de difícil obtenção. A extensão de tração prevista, obtida através de métodos de cálculo, e a extensão máxima resistente, obtida através de ensaios de laboratório. Assim sendo, o procedimento de projeto normalmente adotado, é o seguinte: a. Tanto quanto possível evitar zonas tracionadas, trac ionadas, ou potenciais potenciais zonas de tração, no maciço da barragem; b. Projetar o maciço de tal modo que ele funcione mesmo quando fissurado, através do alargamento do sistema de filtros e transições a jusante, bem como introduzindo uma zona de filtro a montante para funcionar como material auto-cicatrizante; c. Diminuir a zona zona capaz de desenvolver desenvolver fissuras por tração, tração, através da redução da altura crítica da barragem. Adotar nas zonas de possíveis trincas, solos com baixa coesão; d. Adoção do procedimento lógico de projeto de zonas de tração, tração , ou seja, solo com capacidade de extensão prevista ( t), porém como segunda linha de defesa, constituindo um fator de segurança adicional.

5.5 Especificações de compactação 5.5.1 Da especificação De um modo genérico as especificações constituem a apresentação escrita da concepção do projeto. Assim sendo, as especificações e os desenhos de projeto se complementam com a função de comunicar ao construtor os conceitos de projeto adotados. Em resumo, as especificações são parte integrante do projeto. Em particular, as especificações de compactação visam obter um produto durante a construção igual ao admitido nas fases de projeto. Existem, em tese, dois procedimentos para especificar um maciço compactado:


60


a. Especificar o método construtivo e nele nele a espessura espessura da camada, o tipo de equipamento de compactação, a seqüência de espalhamento e compactação, o número de passadas, etc.; b. Especificar o produto acabado, através de propriedades geotécnicas geotécn icas fundamentais fundamenta is como permeabilidade, resistência, compressibilidade etc., ou através de parâmetros índices como por exemplo grau de compactação relativo a uma dada energia e desvio de umidade. A especificação do produto acabado através de propriedades fundamentais, embora seja o procedimento mais cômodo para o projetista, é inviável na prática. A especificação através de parâmetros índices ou do método construtivo, apresentam, cada uma, vantagens e desvantagens. Deste modo, o procedimento mais correto é um procedimento híbrido-iterativo conforme a seqüência apresentada a seguir. a. Especificação inicial – A partir de ensaios de laboratório de propriedades geotécnicas fundamentais, são fixados o grau de compactação médio da camada e o desvio da umidade, isto tendo como base a energia de compactação a ser utilizada no processo de compactação no campo. Também são especificadas as dispersões máximas para estes parâmetros. b. Controle inicial de compactação – Através dos parâmetros de compactação é realizado o ajuste do método construtivo com a finalidade de obter o resultado desejado. c.

Adequação da especificação – Através de ensaios de laboratório em amostras indeformadas obtidas no maciço são reavaliadas as correlações previamente estabelecidas entre os parâmetros-índice e os parâmetros fundamentais. Em função destes estudos, eventualmente são feitas revisões nas especificações de compactação, e como conseqüência no método construtivo.

d. Adequação do método de controle – Na medida que o método construtivo ajustado vai fornecendo os parâmetros – índices especificados, com razoável confiabilidade, o método de controle vai passando gradualmente de controle através dos parâmetros de compactação para controle através do método construtivo.


61


5.5.2 Considerações estatísticas sobre especificações especificaçõ es e controle de compactação Em geral os parâmetros de controle de compactação, como grau de compactação e desvio de umidade, são variáveis do tipo aleatórias. De fato, a realização de N ensaios em uma mesma camada fornecem N valores diferentes. A característica aleatória destes parâmetros é devida a dispersão da energia aplicada, a dispersão do empréstimo e a dispersão inerente ao mesmo ensaio. Com a finalidade de identificar a dispersão destes parâmetros é utilizado o desvio padrão, e suas diferentes “variantes” como variância e coeficiente de variação que é a relação entre o

desvio padrão e a média. O desvio padrão do grau de compactação de uma mesma camada de solo, após ajustado o método construtivo, varia, em geral de 1,5 a 2,5%. Existem diferentes formas de especificar os controles no processo de compactação. A mais utilizada é definir os valores extremos da faixa de compactação que devem ser atingidos pelos materiais, materiais, nestas condições são especificados especificados o Valor Va lor Médio e o Valor Mínimo da variável de controle que pode ser o grau de compactação ou a umidade de compactação. Neste processo é especificado que o valor médio de uma bateria de ensaios não deve ser inferior ou 98% do valor médio, caso contrário a camada é rejeitada, deverá ser removida e uma nova compactada no seu lugar.

5.6 Observações As especificações de compactação de um solo podem e devem ser diferentes em função da zona de maciço, de modo a permitir uma maior flexibilidade construtiva. Assim mesmo, a análise das propriedades geotécnicas de um solo compactado deve levar em consideração não somente o tipo de solo e as características de compactação, mas o estado de tensões a que o elemento de solo estará submetido, quando solicitado. Um modelo interpretativo que se ajusta adequadamente ao comportamento de um solo compactado é o de um solo pré-adensado, sendo a pressão de pré-adensamento função da Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

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energia aplicada e da capacidade do solo de absorver a respectiva energia. As propriedades geotécnicas geotécnicas de um solo so lo compactado variam variam conforme o estado de tensão do solo seja superior ou inferior a pressão de pré-adensamento.


63


CAPÍTULO 6 6. PROPRIEDADES DOS ENROCAMENTOS COMPACTADOS 6.1 Introdução A utilização de enrocamentos na construção de barragens no Brasil é reportada desde 1931 e nos últimos anos tem sido incrementada com a construção de barragens com alturas superiores a 100 m, como as barragens de Furnas, São Simão, Foz de Areia e Emborcação entre outras. O enrocamento como material de construção está sendo utilizado na maioria dos grandes projetos hidrelétricos brasileiros atuais, apresentando grandes vantagens do ponto de vista de facilidade construtiva e aspectos econômicos.

6.2 Deformabilidade e resistência de enrocamentos Os ensaios de laboratório para a determinação da deformabilidade e resistência dos enrocamentos têm esbarrado, principalmente, na representatividade das amostras, no tamanho da aparelhagem de ensaio e na dificuldade de simulação das condições de campo. As técnicas atuais de ensaios consistem, basicamente, em moldar curvas paralelas às curvas reais, eliminando blocos com diâmetros superiores a um determinado diâmetro limitado pelas dimensões das células de ensaio. Isto devido a que o tamanho da célula de ensaio deve ser da ordem de seis vezes maior que o máximo tamanho das partículas do enrocamento para que não se apresentem problemas de escala nos resultados dos ensaios realizados. No entanto, tem-se determinado com relação ao efeito do tamanho de partículas, que com o aumento do tamanho máximo das partículas do enrocamento o ângulo de atrito reduz-se, colocando em evidência não um fenômeno físico e sim um problema de representatividade das amostras. A Figura 6.1 apresenta o efeito do máximo tamanho de partículas sob o ângulo de atrito para diferentes enrocamentos modelados. Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

64




Oroville Dam Material

55

’3

e = 0.45

45

35

0,1

1,0

10,0

D100

Figura 6.1 Efeito do máximo máximo tamanho de partículas partículas no ângulo de atrito – enrocamentos com curvas modeladas (modificado – Marachi, et.al. 1969)

6.2.1 Fatores que influenciam a resistência e a deformabilidade dos enrocamento enrocamentoss Como nos solos arenosos e granulares, os fatores que influenciam na resistência e deformabilidade do enrocamento são a mineralogia, a resistência da rocha, o fraturamento dos blocos, índice de vazios, o tamanho dos blocos, a velocidade de aplicação das cargas e a magnitude das pressões aplicadas. A seguir serão discutidos alguns destes fatores. Mineralogia Mineralogia

Existem poucas investigações sobre o efeito da mineralogia na resistência dos enrocamentos. Alguns estudos concluíram que minerais iguais, embora procedentes de diferentes origens, apresentam características de atrito semelhantes; já materiais diferentes apresentam ângulos de atrito diferentes.


65


Na prática é muito difícil isolar o aspecto mineralógico como controle das propriedades físicas, existindo porém, evidência que as propriedades físicas do enrocamento têm relação com o tipo de material e com suas características litológicas. Resistência Resistência / fraturamento fraturamento dos blocos

A resistência é sensivelmente diminuída para tensões confinantes de até 90kPa, para os materiais menos duros. A partir deste valor é menor a influência na resistência global do enrocamento. O fraturamento dos blocos é função não só da resistência do bloco como do formato dos grãos e a sua composição granulométrica. Comparando a variação da granulometria, após o teste de deformabilidade, obtendo uma medida do grau de fraturamento, foi possível concluir que quanto maior o fraturamento maior a deformabilidade. Granulometria e índice de vazios

Enrocamentos bem graduados são mais resistentes e menos deformáveis que os uniformes, para a mesma resistência individual dos blocos. Desta forma é possível observar que a granulometria está intrinsecamente ligada ao índice de vazios e a porosidade. Para um material com a mesma granulometria, quanto menor o índice de vazios maior a resistência e menor a deformabilidade. Desta forma, materiais bem graduados atingem índices de vazios menores que materiais mal graduados, quando submetidos às mesmas condições de compactação. O efeito do índice de vazios na resistência, representado através da compacidade relativa, é apresentado na Figura 6.2. Forma das partículas

A resistência ao cisalhamento varia com a forma das partículas, sendo maior para partículas angulares e menor para arredondadas. Em contrapartida a deformabilidade aumenta para partículas sub-angulares e angulares em relação às arredondadas.


66




Tamanho Tamanho máximo máximo de partículas partículas 125mm

52

’3 44

Dr = 85% 36

120

Dr = 50% 80

40

0

%

Compacidade Relativa (%)

Figura 6.2 Variação no ângulo de atrito com as mudanças na compacidade relativa do material Saturação

A molhagem do enrocamento pode produzir uma leve redução na resistência ao cisalhamento pela diminuição da resistência das pontas dos blocos, notadamente para baixas tensões confinantes, embora alguns autores afirmem que não é clara a relação entre a resistência e a saturação. Do ponto de vista de deformação, no entanto, a influência da saturação é mostrada com a realização de ensaios oedométricos, indicando colapsos abruptos quando a mesma é efetuada. A instrumentação de barragens de enrocamento tem mostrado também o acréscimo das deformações com o enchimento do reservatório. As Figura 6.3 e 6.4 apresentam a ocorrência de colapso em enrocamentos durante a realização de ensaios oedométricos e durante o enchimento de alguns reservatórios.


67


e

Saturação

Log (

Figura 6.3 Evidência de colapso em ensaios oedométricos

0% ) % ( o ã s s e r p m o C

1er Enchimento

100% Altura do aterro (% de H H

Figura 6.4 Deformação do enrocamento durante o alteamento da barrage barragem m e no primeiro enchimento Magnitude das das pressões pressões aplicadas aplicadas e tipo tipo de ensaio

Quanto à magnitude de tensões de um modo geral, as envoltórias de resistência são curvas, indicando que para maiores tensões confinantes o efeito de quebra de blocos é mais acentuado


68


que para baixas tensões confinantes. A Figura 6.5 apresenta as envoltórias de resistência de alguns enrocamentos. A deformação também é função das pressões aplicadas, sendo nítido o efeito do pré-adensamento “nominal” tanto em ensaios como em resultados de medida de deformações no campo. Quanto ao tipo de ensaio para a medida da resistência, os ensaios triaxiais convencionais dão uma resistência de pico de até 30% inferiores a cisalhamento direto. É possível que os ensaios de deformação plana simulem melhor as condições reais de campo, e desta forma a utilização dos ensaios triaxiais convencionais seja um tanto conservativa.

) a P k ( o t n e m a h l a s i C o a a i c n ê t s i s e R

400

200

0 0

200

400

600

(kPa)

Tensão Normal (kPa)

Figura 6.5 Envoltória de resistência de alguns enrocamentos enro camentos

6.2.2 Observações com relação à resistência resistência e a defor deformabilidade mabilidade Foram analisados os fatores principais que influenciam na resistência e deformabilidade dos enrocamentos, considerando principalmente resultados de ensaios de laboratório. Vale notar, como já foi mencionado, que pela dificuldade de execução dos ensaios, a representatividade dos mesmos no contexto das reais condições de campo, as limitações de tamanho da


69


aparelhagem e a não utilização de curvas granulométricas reais, os resultados que têm sido obtidos devem ser encarados com enfoque crítico. No entanto, mesmo com os avanços na realização de ensaios de laboratório cada vez mais apurados, e o melhor entendimento das condições de comportamento dos materiais de enrocamento, os taludes das grandes barragens construídas atualmente ainda apresentam condições de inclinação dos taludes muito similares às utilizadas anteriormente quando não se dispunham destas ferramentas. Na realidade, o desconhecimento sobre as reais características do material, as dificuldades de previsão do comportamento das barragens de enrocamento e o aumento considerável das alturas das barragens, têm levado os projetistas a desenvolverem os projetos de forma conservativa. No Brasil ainda não se dispõe de aparelhagem de ensaios para enrocamentos reais e os projetos são feitos baseados em analogia com os resultados sobre enrocamentos de características semelhantes e, principalmente, na experiência do comportamento de obras similares. Os parâmetros de projeto a serem adotados devem ser tomados de forma criteriosa, levando-se em conta todos os fatores intervenientes na resistência e deformabilidade dos enrocamentos e o processo construtivo (especificações).

6.3 Recomendações sobre as especificações construtivas Serão relacionados alguns procedimentos construtivos e alguns critérios básicos que têm sido adotados na construção de enrocamentos compactados.

6.3.1 Critérios relativos à granulometria granulometr ia Na Tabela 6.1 são apresentados apr esentados alguns critérios cr itérios relativos às à s granulometrias granulomet rias que devem deve m apresentar o enrocamento, extraídas da literatura e complementadas com algumas especificações construtivas de algumas das principais obras brasileiras. Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

70


Tabela 6.1 Critérios relativos à granulometria de alguns enrocamentos enroca mentos AUTOR

RECOMENDAÇÕES

Marsal

Menos que 10% em peso menor que 0,2mm e  máximo entre 200 e 300 mm, com (D60 /D10) > 15

Henry & Thomas

Menos que 15% em peso menor que 25 mm

T. Leps Mori & Freitas

Menos que 30% em peso menor que 25 mm Menos que 40% em peso menor que 5mm, com (D 60 /D10) > 15

Sherard

De 30 a 40% em peso menor que 25,4 mm

Foz de Areia

Menos que 25% em peso menor que 25 mm com 50% em peso maior que 75 mm

Itaipu

Isentos de pó de pedra, argila, areia; e  máximo igual a 600 mm

Tucuruí

Menos que 15% em peso com diâmetro diâmetr o menor que 4,8 mm; e  máximo igual a 1,0 m

As limitações, principalmente na quantidade de finos, estão ligadas a dois fatores principais: - Um aumento da quantidade de finos pode ocasionar a diminuição da permeabilidade e o desenvolvimento de pressões neutras durante a construção. - O aumento da quantidade de finos pode provocar uma mudança no comportamento do maciço, mudando de comportamento de solo granular a comportamento de solos finos. As limitações na quantidade de finos, no coeficiente de uniformidade e no tamanho dos blocos, muitas vezes são difíceis de serem conseguidas, pois a granulometria é função do tipo de rocha e dos métodos de escavação e desmonte. Estabelecer-se uma granulometria ideal prévia repercutirá negativamente no custo da obra. O mais correto é adequar o tipo de enrocamento que está sendo obtido ao processo construtivo e ao projeto da barragem, utilizando o conceito de zoneamento de materiais.


71


6.3.2 Critérios relativos à espessura de camadas de compactação Algumas recomendações de diversos autores são relacionadas na Tabela 6.2, considerando como critério o diâmetro máximo do enrocamento. Tabela 6.2 Critérios relativos à espessura das camadas de compactação dos enrocamentos enrocamento s

AUTOR

RECOMENDAÇÕES

Mori & Freitas

1  max   1 ; máximo 1,0 m e 3

Penman & Charles

 max max e

Sherard

 1 ; máximo 0,9 m

e = 1 a 2 max ; máximo 0,9 m

Itaipú, Foz de Areia e Tucuruí

 max max e

1

Mello

De 1,5 a 2,0 m

Thomas

Máximo 1,0 m

Casagrande

Máximo 0,6 m

Vale acrescentar que estes dados relativos a espessuras da camada são apenas indicativos e são função do tipo de enrocamento e de equipamentos a serem adotados e da seção transversal da barragem. Teoricamente, a determinação da espessura ótima de compactação deve ser feita não só com o objetivo de maximizar a eficácia do equipamento de compactação, mas também, levar em consideração o produto final que se deseja obter do ponto de vista de deformações e resistência. Intuitivamente, pode-se inferir que menores espessuras de camada devem gerar um maciço mais rígido e mais resistente pela maior densificação produzida e conseqüentemente menor índice de vazios.


72


No entanto não é intuitivo o fato que menores compressibilidades no enrocamento resultam em melhor comportamento da barragem. Em barragens terra-enrocamento, núcleos muito compressíveis e espaldares pouco deformáveis provocam arqueamentos de tensões no núcleo, aumentando os riscos de ruptura hidráulica. No caso de barragens com face de concreto interessa realmente uma menor compressibilidade do enrocamento. A falta de dados de laboratório e os reduzidos resultados de instrumentação das barragens brasileiras ainda não permitem conclusões teóricas precisas sobre a diminuição do módulo de deformabilidade devido à redução da camada de compactação. Um método de otimização da espessura da camada, em função do equipamento de compactação, é a construção de aterros experimentais, através de medida das deformações especificadas da camada.

6.3.3 Equipamentos de compactação Os equipamentos que comprovadamente têm revelado maior eficiência na compactação de enrocamentos são os rolos vibratórios lisos de peso estático superior a 10 ton. Têm sido também utilizados tratores de esteira tipo D-9. Estes no entanto, além de serem menos eficientes dificultam o controle de compactação. Alguns dados construtivos e de deformações observadas em algumas barragens são listados na Tabela 6.3.

6.3.4 Algumas recomendações recomendaçõ es sobre o processo construtivo As operações de lançamento e espalhamento devem ser feitas de maneira a evitar segregação do material. Geralmente este procedimento é feito com o lançamento do material nas bordas dos avanços da camada que está sendo compactada e pelo posterior espalhamento com a lâmina inclinada de um bull-dozer.


73


Tabela 6.3 Características de algumas algumas barragens de enrocamento construídas no Brasil e no exterior Barragem

Altura (m) 125

Material

max

max / e

150

e (mm) 20003000 3000

Porfirito

(mm) 1000

Tooma

68

Quartzito Quartzito

1/20

-

-

M.D.W.R.*

61

-

200

600

1/3

7

18

Cethane

110

Quartzito

600

900

2/3

40

8

Brianne

91

-

300

500

3/5

24

>80

Blowering Embankment Gepatsck Rockfill Shihmen

112

Quartzito, filito

1000

1000

1

10

20

153

Gnaisse

1800

2000

1

24

17

110

“seixos”

300

-

-

18

>80

El Infiernillo Infier nillo

148

Diorito

450

600

¾

10

12

Mont-Cenis

120

-

1000

1-1/2

5

3

Cougar

157

Basalto

450

10002000 600

¾

15

8

Mica

244

Quartzito

300

300

1

52

15

45

Gnaisse

400

500

4/5

25

12

94

Biotita gnaisse

1000

1100

-1

12

30

Paraitinga

104

Biotita gnaisse

1000

1100

-1

12

30

Itumbiara

105

Anfibolito

600

600

1

35

30

Estreito

92

Quartzito

150

500

3/10

42

15

Furnas

125

Quartzito

300

700

3/7

45

15

Trangslet

Nyumba Mungu Paraibuna

Ta

½-1/3

%max < CU 5mm D60 /D10 5 5

*: Mauthaus Drinking Water Reservoir Blocos maiores que a espessura da camada devem ser empurrados para as bordas do aterro. Constituindo-se prática freqüente prever-se no projeto uma zona de 5,0 m, junto aos taludes para a colocação destes blocos.


74


No número de passadas do equipamento de compactação deve-se ter em conta diminuir a excessiva trituração do topo da camada. Devido a este fenômeno estima-se que a porcentagem de vazios na primeira metade da camada pode chegar a ser duas vezes menor que a da metade inferior, gerando altos gradientes de compactação na própria camada. A molhagem do equipamento tem sido utilizada em algumas obras e tem como objetivo reduzir os eventuais colapsos por inundação com o enchimento do reservatório. Nestas condições a molhagem produz dois efeitos: - Efeito Mecânico. A molhagem proporciona uma melhor distribuição de finos, escarificando escarificando a superfície da camada e forçando a penetração dos finos para os vazios vazios formados na parte interna da camada. - Efeito Físico. A molhagem reduz a resistência à compressão da rocha, aumentando os recalques durante a construção e, portanto, diminuindo os recalques posteriores durante o enchimento do reservatório. Alguns autores enfatizam que o volume d’água deve ser cerca de 20 a 30% do volume do enrocamento a ser compactado.

6.4 Parâmetros para projeto projeto e controle de construção adequados à atualidade atualidade brasileira Os parâmetros mais utilizados para projeto são o peso específico aparente, os módulos de elasticidade da rocha, a resistência à compressão saturada e seca da rocha, ensaios de ciclagem (natural e acelerada), ensaios de granulometria antes e após a compactação. De posse destes dados devem ser atribuídos os parâmetros de energia para o projeto por comparação com os já obtidos com enrocamentos de características geotécnicas semelhantes. Até o momento não foram ainda desenvolvidas aparelhagens de ensaios triaxiais e deformação para enrocamentos no Brasil, só se tem aparelhagem para o ensaio de curvas granulométricas semelhantes (paralelas) do mesmo material do enrocamento. Entretanto mesmo com o desenvolvimento das técnicas de ensaio, devem ser utilizados também os Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

75


resultados de instrumentação durante a fase construtiva e de funcionamento, pois os mesmos fornecem subsídios valiosos para uma retro-análise e devem sempre ser computados. Os métodos para controle de construção geralmente são visuais. Deve-se controlar o número de passadas do rolo e a espessura da camada de compactação que já foram definidas através de aterros experimentais ou durante o início dos trabalhos de compactação. É boa prática, esporadicamente, esporadicamente, verificar-se verificar-se a deformação que está est á sendo produzida durante a compa co mpactação, ctação, sendo esta um índice importante na definição da eficiência da compactação. Normalmente a deformação especificada da camada deve se situar entre 4 a 5%. Ensaios para a determinação da densidade “in -situ” devem ser realizados com freqüência, pois

os parâmetros de projeto estão intimamente ligados com a mesma (índice de vazios e compacidade). compacidade). Ensaios no todo to do e na base da camada servem para determinar os gradientes de compactação e homogeneidade da camada. A execução de ensaios de granulometria (gravimetria) também deve se considerada como uma medida da homogeneidade do material de construção.


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CAPÍTULO 7 7. CONSIDERAÇÕES SOBRE PROJETOS DE BARRAGENS DE TERRA E ENROCAMENTO O presente capítulo visa servir de elo de ligação entre as considerações sintéticas sobre o arranjo geral de um barramento, a interdependência entre o projeto de barragem de terra com as demais estruturas do barramento, com os aspectos relativos aos dados básicos para o projeto de uma barragem e o enfoque do projeto propriamente dito, suas concepções e seus métodos de cálculo. Desta forma será apresentada a interdependência entre as diversas concepções específicas de projeto. De fato a premissa básica entre a concepção de uma barragem de terra, sua seção transversal e respectivo tratamento de fundação, é que a introdução de cada detalhe, beneficie o projeto como um todo. Por exemplo a introdução de um “cut -off” na fundação de uma barragem visa controlar a percolação, com a redução de perda d’água pela fundação e dos gradientes de saída, como conseqüente controle contra “piping”, bem como, otimizar o talude de jusante,

aumentando a estabilidade ao deslizamento pela fundação através da redução da sub-pressão na fundação. Outro aspecto interessante a abordar neste capítulo é o referente a distinção entre projeto e cálculo. Na realidade a engenharia consiste em projetar primeiro e analisar em segundo lugar. O projeto, ou a concepção, constitui a verdadeira arte da engenharia, não existindo, portanto, diretrizes, regras ou metodologias para o seu estabelecimento. Entretanto, a partir dos dados básicos referentes à fundação e aos materiais de construção, procuraremos mostrar alguns exemplos usuais de concepção e respectivas vantagens técnicas.

7.1 Fase de viabilidade Na fase de viabilidade de uma barragem é estabelecido o arranjo geral do aproveitamento, incluindo a disposição das estruturas, seções transversais típicas com respectivos tratamentos de fundação, seqüência construtiva e cronograma das obras. Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

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Deste modo, quando existente, o projeto da barragem de terra, sua localização, seção transversal, tratamento de fundação, é estabelecido visando o custo mínimo do aproveitamento como um todo, o que não é necessariamente a locação, seção transversal, tratamento de fundação que resultariam em custo mínimo para a barragem de terra, isoladamente. Por exemplo, a locação da barragem de terra é em geral ditada pela escolha da melhor localização das estruturas de concreto, no que se refere às condições geotécnicas para fundação e condições hidráulicas - operacionais. De fato, uma premissa básica no estabelecimento do arranjo geral é favorecer as estruturas de concreto com os melhores locais de fundação, sob o ponto de vista geológico – geotécnico.

7.2 Fase de projeto projeto básico Na fase de projeto básico, além do estabelecimento da seção típica e do tratamento de fundação, são quantificados e especificados os referidos projetos, de um modo a possibilitar a licitação da obra. Com os novos dados obtidos nesta fase, através de investigações complementares, são otimizados, inicialmente, o maciço e o tratamento de fundação de forma conjunta. Numa segunda etapa, o maciço e o tratamento de fundação são otimizados separadamente, mantendo-se as diretrizes estabelecidas anteriormente.

7.2.1 Requisitos básicos de projeto e método de análise O corpo de engenheiros dos Estados Unidos estabelece os seguintes requisitos básicos que deve satisfazer uma barragem para que apresente segurança satisfatória. a. Os taludes da barragem devem ser ser estáveis durante a construção e todas as fases de operação, incluindo a de rebaixamento rápido; b. O maciço maciço não deve impor tensões excessivas excessivas à fundação;


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c. A percolação perco lação através do maciço, fundação e ombreiras ombre iras devem ser controladas de tal modo que não ocorra “piping” ou remoção de material por solução. Adicionalmente, a

quantidade d’água perdida por percolação deve ser compatível com a finalidade do projeto; d. A crista da barragem deve ter uma elevação elevação segura quanto ao transbordamento transbordamento por efeitos de ondas, bem como uma folga adicional referente aos recalques após construção; e. A capacidade capacidade de vazão do vertedour vertedouroo deve ser de tal ordem orde m a impedir o transbordamento transborda mento do reservatório sobre a barragem de terra. Excluindo-se o item e, os demais itens pertencem ao campo da engenharia geotécnica, que, por sua vez, subdivide os problemas em três grupos. a. Análise de tensões e deformações, no maciço e fundação, na condição de equilíbrio limite. limite. b. Análise de tensão e deformação em regime elástico, linear ou não. c. Estudos de percolação. A análise superficial é isolada dos critérios acima, bem como a divisão usual dos métodos de cálculo geotécnicos, tem conduzido a graves erros de projeto. Nos itens subseqüentes é apresentada uma interpretação conjunta dos mesmos e sua interdependência.

7.2.2 Dos requisitos básicos – Interpretação conjunta Deve-se considerar inicialmente, o que está implícito na sua formulação, que os cinco critérios devem ser atendidos simultaneamente. A análise de estabilidade do maciço e fundação, no regime de equilíbrio limite, não considera as deformações cisalhantes necessárias à mobilização da resistência ao cisalhamento. Deste modo, embora um talude possa apresentar uma segurança global ao deslizamento, suas deformações podem não ser compatíveis com a segurança da obra. O item c é onde o nde ocorrem, com mais freqüência, interpretações erradas, associando associando segurança ao “piping”, somente à redução dos gradientes de percolação. A análise de segurança ao Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

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“piping”, de modo correta, deve contemplar a comparação entre forças de percolação com

forças de gravidade. Logo, o estudo correto de “piping” envolve o estabelecimento do estado de tensões no maciço durante as fases de operação da barragem, uma vez que, tanto a força atuante de percolação, quanto a resistência, de gravidade, é função do estado de tensões. De fato, a existência de zonas fraturadas no maciço ou de fraturas abertas devido à percolação (fraturamento hidráulico) governa a distribuição da permeabilidade no maciço e, conseqüentemente, a configuração dos gradientes hidráulicos. Quanto ao item d , os recalques do maciço e da fundação, provocam distribuição de tensões no interior do maciço, com possíveis aberturas de trincas, que devem ser levadas em consideração na análise do critério de projeto. Em síntese, as observações acima servem para mostrar a interdependência entre os diversos critérios de projeto.

7.2.3 Dos métodos de cálculo – Interpretação conjunta A engenharia geotécnica envolve a estimativa das tensões e deformações tanto nas obras de terra como nas fundações. A fim de obter esta estimativa de modo correto é necessário o conhecimento das equações constitutivas dos solos, bem como a distribuição geométrica dos diversos tipos de solos. Devido à impossibilidade da aplicação do procedimento correto acima exposto, a engenharia geotécnica geotécnica subdividiu subdividiu o problema geral de tensões e deformações no solo em dois do is grupos: um associado à deformação e o outro referente a máxima tensão que poder ser imposta a uma massa de solo, estado de ruptura. Na realidade, o solo deforma de modo contínuo, desde seu estado inicial de tensões até a ruptura. Muitos problemas têm ocorrido em projetos de barragem devido à separação artificial e simplificada, do comportamento do solo, em estudos de deformação, sem consideração de


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rupturas localizadas e estudos de ruptura, sem consideração das deformações necessárias para a massa de solo atingir o estado de ruptura. A exposição anterior procura mostrar a interdependência real entre os problemas de deformações e rupturas, bem como os riscos devido à aplicação indiscriminada da referida subdivisão.

7.2.4 Exemplos de concepção conjunta Maciço – Fundação Barragem de de Terra – Enrocamento. Posição do Núcleo

As barragens de terra – enrocamento são constituídas por um núcleo de material terroso impermeável, contido por espaldares de enrocamento, e com zonas de filtro e transição entre o núcleo e o enrocamento. A posição do núcleo varia desde extremamente inclinado, coincidindo com o talude de montante, até a posição central, simétrica. Sob o ponto de vista de estabilidade dos taludes, de fraturamento hidráulico do núcleo e eficiência no contato núcleo-fundação, de um modo geral, função das características de resistência e deformabilidade do material do núcleo e do enrocamento, o núcleo moderadamente inclinado para montante constitui a posição otimizada. De forma livre a “inclinação moderada” se refere a inclinação 0,4H:1V a 0,6H:1,0V para a interface de jusante

do núcleo de enrocamento, e 0,9H:1,0V a 1,0H:1,0V para a interface de montante. O núcleo inclinado também apresenta vantagens de cronograma, em locais de alta pluviosidade, por possibilitar construção de maior volume do enrocamento de jusante, independente do núcleo. Entretanto, condições específicas de determinados projetos podem levar a utilização de outras seções típicas. Como pode ser a utilização do núcleo pouco inclinado ou central visando a incorporação total da ensecadeira de montante. Ou a utilização do núcleo extremamente inclinado devido às condições geológicas da fundação, e/ou condições topográficas mais favoráveis.


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Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Civil e Ambiental / FT Geotecnia Barragem Homogênea Homogênea – Sistema interno de drenagem

Na Figura 7.1 é apresentada a evolução dos projetos de barragens de terra e respectivos sistemas de drenagem. O estágio atual de projeto impõe a necessidade de septo drenante total, a fim de evitar fluxo emergente no talude de jusante. Deve-se observar as condições ideais de percolação, implícitas no conceito de rede fluxo, e as condições reais, associadas a camadas mal compactadas, ao estado de tensões do maciço e zonas fissuradas no maciço.

Figura 7.1 Evolução do projeto de barragens barragens de terra e seu sistema sistema de drenagem interna 7.2.5 Outros exemplos exemplos de concepção de projeto Regularização Regularização de fundação fundação rochosa rochosa

É comum a existência de grandes irregularidades topográficas da superfície rochosa no leito do rio, associadas a zonas de maior fraturamento da rocha, uma vez que o rio “procura” as zonas de fraquezas estruturais da rocha para estabelecer o seu leito. Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

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Projetos de barragens de terra e/ou enrocamento em tais regiões, caracterizadas por variações abruptas da superfície rochosa, exigem uma análise detalhada das zonas potenciais de fissuras no maciço, devido às deformações diferenciais impostas por estas irregularidades topográficas. Nestes casos, concepções de projeto envolvem em geral uma ou mais das seguintes medidas. a. Regularização da topografia da fundação, fundação, através da suavização das irregu irregularidades; laridades; b. Fixação da seqüência construtiva construt iva de modo a reduzir os recalques diferenciais; c. Adequação dos mater materiais iais do maciço e/ou respectivas especificações, de modo a reduzir reduzir os recalques diferenciais, ou provir maior plasticidade ao solo nas zonas solicitadas a tração; d. Ampliação do sistema de drenagem interna nas zonas de fissurament fissuramentoo potencial. A verificação e adequação das medidas de projeto acima indicadas são feitas pelo método dos elementos finitos de forma paramétrica, ou seja, variando os diversos parâmetros intervenientes. Fundações em solos argilosos saturados moles – Soluções normalmente adotadas

Estes materiais caracterizam-se por baixa resistência ao cisalhamento, elevada compressibilidade e baixa permeabilidade. Quando ao aspecto de resistência ao cisalhamento tem sido adotado um ou mais dos seguintes procedimentos. a. Remoção parcial ou total do material; b. Aumento da resistência ao cisalhamento cisalhament o utilizando o procedimento da construção por etapas associada ou não a aceleração do adensamento através de drenos verticais de areia; c.

Diminuição da solicitação cisalhante da fundação mediante a adaptação da seção transversal do maciço através da suavização dos taludes e/ou com emprego de bermas de equilíbrio.

Quanto ao aspecto de elev e levada ada deformabilidade deve-se distinguir distinguir os casos de recalques reca lques quase absolutos e de recalques diferenciais. O primeiro tipo de recalque pouco freqüente, interfere no projeto somente no que refere a diminuição do bordo livre, necessitando portanto, de uma Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

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sobre elevação da cota da crista da barragem correspondente aos recalques após a construção. Quanto aos recalques diferenciais, as soluções de projeto tem sido a adaptação de seqüência construtiva visando uma redução dos recalques diferenciais e/ou projeto de sistema de drenagem mais rigoroso, a espessura dos drenos deve ser de tal ordem que não sejam secionados devido aos recalques diferenciais.


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CAPÍTULO 8 8. ANÁLISE E CONTROLE DE PERCOLAÇÃO Problemas causados por percolação através de barragens, podem ser resumidos em três principais tipos: - “Piping” – ou erosão regressiva – pode ocorrer pela migração de partículas de solo devido às forças de percolação, desenvolvendo na fundação ou no maciço da barragem canais ou tubos que se interligam com o reservatório. O “piping” é uma causa comum de rupturas em

barragens de terra – enrocamento, reservatórios e ou outras estruturas hidráulicas. - Saturação e instabilização de taludes – causadas pelas forças de percolação devido a fluxos emergentes no talude ou altas subpressões de fundação no pé das barragens. - Perda excessiva de água – Principalmente em reservatórios alimentados por rios de pequena vazão, estes problemas podem assumir serias proporções. Os problemas relativos à percolação devem sempre ser analisados de forma conservativa pelas incertezas normalmente envolvidas como a permeabilidade dos meios, a heterogeneidade dos solos, as descontinuidades dos maciços de fundação, entre outras.

8.1 Fluxo através através de meios porosos porosos (Teoria de percolação) percolação) A quantidade de água que percola através ou sob uma barragem e a distribuição das pressões de água (equipotenciais) podem ser estimadas usando a teoria de fluxo através de meios porosos, que se constitui desta forma, numa ferramenta importante para as análises de engenharia. No primeiro caso pode- se estimar as perdas d’água no reservatório. No segundo caso pode -se avaliar a distribuição de pressões neutras para análises de estabilidade, para análises dos gradientes hidráulicos de saída e verificação do potencial ao “piping”.


85


8.1.1 Limitações da teoria Em análises de percolação o projetista deve ter em mente sempre as hipóteses básicas da teoria, que são: a. Os solos do maciço e fundação são meios meios incompressíveis não havendo variações variações nas dimensões dos poros. b. A percolação se se processa sob gradientes gradient es hidráulicos que são função das perdas de carga gravitacionais. c. Não há mudanças mudanças do grau de saturação saturação na zona onde o fluxo fluxo ocorre, de tal forma forma que a quantidade de fluxo que entra no elemento de volume é igual a quantidade de fluxo que sai dele, num mesmo espaço de tempo. d. As condições de contorno de fluxo são conhecidas. Estas hipóteses são melhor satisfeitas em maciços de areia ou brita, onde a vazão de percolação é relativamente grande, não há ar nos vazios e a influência da capilaridade é pequena. Em maciços de solos finos, por outro lado, as forças capilares podem ter mais influência nas pressões neutras que as cargas hidráulicas e assim a rede real de fluxo pode ser bem diferente da projetada. As análises de percolação nestes solos devem ser encaradas com reservas, servindo apenas para orientar o julgamento do engenheiro.

8.1.2 Lei de Darcy e Equações de Laplace A lei de Darcy (1856) de fluxo laminar para a percolação de água através dos solos pode ser escrita da seguinte forma:

V  k  i  K

dh dl

Q  k  i  A

(8.1) (8.2)

Onde: V: velocidade de descarga; Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

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k: coeficiente de permeabilidade; i: gradiente hidráulico; h: carga de pressão; l: comprimento do caminho de percolação; A: área de seção transversal do solo solo onde a água percola; Q: vazão de percolação. A equação geral da hidrodinâmica para fluxo permanente – Equação de Laplace pode ser escrita como:

 2h  2h  2h   0  x 2  y 2  z 2

(8.3)

Considerando fluxo bidimensional, geralmente admitido nas barragens de terra e enrocamento, pode-se usar a fórmula simplificada da equação de Laplace:

 2h  2h  0  x 2  y 2

(8.4)

Esta última equação representa duas famílias de curvas que se interceptam ortogonalmente, formando figuras “quadradas” conhecidas como redes de fluxo. Uma das famílias de curvas

são chamadas de linhas de fluxo; as outras são chamadas de equipotenciais. As linhas de fluxo representam os caminhos da água ao longo de uma seção transversal. As linhas equipotenciais são linhas de igual nível de energia ou carga.

8.1.3 Método gráfico para o desenho das redes de fluxo Para satisfazer as equações de Laplace podem ser desenhadas duas famílias de curvas ortogonais satisfazendo algumas condições de contorno e formando os chamados “quadrados”

entre si.


87


Para os traçados de redes de fluxo devem ser seguidos os passos abaixo descritos: a. Zoneamento dos dos materiais materiais de diferentes permeabilidades. b. Estabelecimento das condições de contorno: - Linhas equipotenciais limites; - Linhas de fluxo limites. c. Traçado das linhas de fluxo e equipotenciais equipotenciais por tentativas obedecendo as relações constantes entre as distâncias entre duas equipotenciais e duas linhas de fluxo adjacentes, cte , num mesmo canal de fluxo. Por conveniência este fator de forma que l1 b1  l2 b2  cte

constante é tomado igual a unidade para facilidade de visualização das figuras que, neste caso, são aproximadamente quadradas. No traçado das linhas de fluxo e equipotenciais deve sempre ser observado o ortogonalismo entre as linhas. d. Entre duas equipotenciais equipotenciais sucessivas as perdas de carga são constantes. e. A vazão por canal de fluxo por unidade unidade de comprimento é calculada pela equação de Darcy.

q  k  i  A  k 

h L

 A  k 

h nq

(8.5)

Onde: nq: número de equipotenciais. A vazão total por unidade de comprimento é:

Q  k 

nf nq

 h


(8.6)

88


Onde: nf: número de canais de fluxo; h: diferença de carga total (montante – jusante).

f. Para maior facilidade construtiva, um número mínimo de equipotenciais equipot enciais de fluxo deve ser traçado inicialmente. O detalhamento final só deve ser feito quando o traçado já estiver parcialmente acertado. g. Lembrar que as equações de Laplace só admitem uma única solução e, desta forma, para uma determinada condição de contorno, a rede de fluxo é única. No caso da Figura 8.1 uma das condições de contorno não é conhecida, a linha de saturação ou linha freática e o traçado em geral é mais demorado. No entanto existem maneiras de inferir-se a linha freática inicial. Lembrar que as equipotenciais são perpendiculares a linha freática (linha de fluxo limite) e que nesta as pressões neutras são nulas existindo apenas carga de posição, razão pela qual as equipotenciais devem ser traçadas em intervalos verticais iguais. N.A.

h h h

h h h

Figura 8.1 Redes de fluxo em barragens de seção homogênea Se considerar-se anisotropia, permeabilidades horizontais e verticais diferentes, a equação de Laplace que governa a percolação é dada dela seguinte expressão.


89

Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Civil e Ambiental / FT Geotecnia k x

2h  2h  k 0  x2 y  y 2

(8.7)

Esta solução pode ser convertida na solução simples de Laplace pela transformação da escala geométrica. Assim, para permeabilidades horizontais maiores que as verticais (caso mais comum em maciços compactados em camadas), a escala horizontal deve ser reduzida no fator k h k v

.

A vazão de percolação pode ser calculada pela utilização da permeabilidade equivalente apresentada na Equação (8.8). k equiv  k h  k v

(8.8)

A Figura 8.2 apresenta as redes de fluxo transformadas e verdadeiras para uma barragem de maciço homogêneo anisotrópico. Normalmente considera-se para maciços compactos anisotropia (k h /k /kv) da ordem de 4 a 16. Nas fundações a anisotropia pode ser considerada nos casos de xistosidade, acamamentos, estratificações ou qualquer descontinuidade que indique fluxos preferenciais em uma determinada direção. Deve-se sempre que possível verificar, quer para o maciço compactado quer para as fundações, as permeabilidades no sentido vertical e horizontal através de ensaios de permeabilidade.

8.2 Fluxo através de enrocamentos 8.2.1 Equações de fluxo Os fluxos através de enrocamentos não obedecem às leis de fluxo laminar, ou Lei de Darcy, exceto possivelmente em gradientes extremamente baixos. As leis de fluxos turbulentos são mais adequadas para um melhor entendimento deste tipo de fluxo.


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Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Civil e Ambiental / FT Geotecnia N.A.

Seção Transformada h

N.A.

Seção Original kh = 0,5 0,5 kv h

Figura 8.2 Redes de fluxo transformadas e verdadeiras em uma barrage barragem m homogênea homogênea anisotrópica. A complexidade do regime de fluxo que se processa em enrocamentos é aumentada pela impossibilidade de construção de maciços com gramulometrias uniformes, considerando que as operações de carga e descarga, espalhamento e construção produzem inevitável segregação do material. Desta forma o maciço de enrocamento possui heterogeneidades intrínsecas do próprio processo de construção, com volumes de vazios variáveis em seções adjacentes. Devido a esta heterogeneidade, a vazão estimada através de enrocamentos normalmente é multiplicada por fatores de 2 a 5. A partir de ensaios de laboratório é proposta a seguinte equação, para a determinação da velocidade através dos vazios (velocidade de descarga dividido pela velocidade). V V

 C  N a  M b  i n


(8.9)

91


Onde: C: fator de forma; N: viscosidade da água; M: raio hidráulico médio dos vazios; i: gradiente hidráulico; a, b, n: coeficientes empíricos. Esta equação pode ser simplificada para: V V

 W  m0,5  i 0,54

(8.10)

Onde: W: varia de aproximadamente 33 a 46 para enrocamentos com superfícies rugosa à polida. Esta equação exprime basicamente as condições de fluxo turbulento através de enrocamentos. Através de medida de área de superfície, em rochas de tamanho único e isentas de finos (W=33), foram determinados valores para os raios hidráulicos apresentados na Tabela 8.1.

Tabela 8.1 Raio hidráulico dos vazios vazios para enrocamentos enrocamento s Tamanho dos Blocos (polegada) ¾

M (polegada) 0,09

M0,5 (polegada 0,5) 0,30

W. M0,5 (polegada/seg) 10

2

0,24

0,49

16

6

0,75

0,87

28

8

0,96

0,98

32

24

3,11

1,76

58

48

6,43

2,54

84


92


As principais limitações para as fórmulas de fluxo turbulento, desenvolvidas, para enrocamentos uniformes, está ligada a dificuldade de medir ou determinar o raio hidráulico dos vazios dos enrocamentos bem graduados.

8.2.2 Redes de fluxo As redes de fluxo turbulento, devido às flutuações de velocidade, requerem novos conceitos para as equipotenciais e linhas de fluxo. No caso de uma linha de fluxo, ela não é a única e deve ser entendida como média na representação do caminho do fluxo (fluxos bidimensionais). A Figura 8.3 mostra uma rede de fluxo turbulento para dois quadrados adjacentes, localizados localizados no mesmo canal de fluxo. As relações entre os lados dos mesmos guardam a seguinte proporção:

l1 l2

n

 h    1   n  1,85  h2 

(8.11)

Como no fluxo laminar, no regime turbulento, entre duas equipotenciais sucessivas existe a mesma perda de carga. N.A.

h 1,85

 l1   b1        l2   b2 

b1

h

l1 b2

l2

h h h

Figura 8.3 Redes de fluxo turbulento em enrocamentos enroca mentos Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

93


8.3 Fluxo através de fissuras Os problemas de percolação dos fluidos em meios fissurados e em particular, em rochas fissuradas, são ainda pouco conhecidos e bastante complexos. O termo fissura é considerado no seu sentido mais amplo, englobando todas as aberturas dos maciços rochosos, independente de sua orientação geológica: juntas de estratificação, de xistosidade, diáclases, falhas, etc. Fissuras, mesmo que muito finas, conferem aos maciços de fundação anisotropias hidráulicas e sem dúvida coeficientes de permeabilidade superiores a da matriz rochosa. A seguir são apresentados os princípios que regem o fluxo através de maciços rochosos. a. Maciços sem fissuras Neste caso são aplicáveis as leis de escoamento nos meios porosos. As permeabilidades dos maciços rochosos são muito pequenas, da ordem de 10 -7cm/s a 10 -11cm/s, dependendo na natureza dos mesmos. No entanto, como a escala de problemas de percolação em barragens atinge até dezenas de metros, são raros os casos em que os maciços rochosos não são fissurados. b. Fissuras elementares Considerando-se fissuras abertas, sem preenchimento, com eventuais contatos das paredes. Nas rochas as fissuras são caracterizadas caracterizadas por po r alto valor de rugosidade relativa K/Dh, onde K é a rugosidade relativa e Dh o diâmetro hidráulico igual ao dobro da abertura da fissura. As variações relativas a abertura da fissura são, portanto, muito importantes. As leis de escoamento numa fissura elementar são:

Regime Laminar

V  K f

 J f

(8.12)

Regime Turbulento

V  K ' f

 J f 

(8.13)


94


Onde: V: velocidade média do escoamento; Kf , K’f : condutividade hidráulica; Jf : projeção do gradiente hidráulico sobre o plano da fissura; 

: coeficiente de não linearidade, variando lentamente de 1,0 a 0,5 quando o número de Reynolds passa de 100 (limite de fluxos laminar/turbulento) para 2000.

c. Sistema de Fissuras Basicamente o que se deseja determinar é a condutividade hidráulica do sistema de fissuras para a aplicação nas fórmulas de escoamento laminar e/ou turbulento. V  K  J

(8.14)

Para um sistema de fissuras contínuas:

K 

e b

 K f  K m

(8.15)

Onde: Kf : Condutividade hidráulica da fissura; Km : Condutividade hidráulica do maciço; e : Abertura média das fissuras; b : Espaçamento médio das fissuras. Uma aplicação numérica mostra nitidamente que um sistema de fissuras contínuas, mesmo muito delgadas, pode ter condutividades hidráulicas muito elevadas. Na realidade estes valores teóricos de condutividade hidráulica são mais baixos, pois em geral a extensão das fissuras é limitada, sendo no seu plano descontínuas.


95


8.4 Controle da percolação através dos maciços compactados e fundações Os projetos de estruturas para o controle de percolação têm como objetivos principais à redução da quantidade de percolação, minimização ou controle dos gradientes de saída e, redução da linha de saturação no espaldar de jusante e nível de sub-pressões na fundação. Basicamente existem dois tipos de soluções: Soluções de Drenagem: Filtros inclinados ou verticais, filtros drenos horizontais, poços de alívio, trincheiras de drenagem. Soluções de Impermeabilização: Tapetes impermeáveis, trincheiras de vedação diafragmas plásticos, paredes diafragma, cortinas de injeção. Como regra geral as soluções de impermeabilização devem ser apenas consideradas à montante e as de drenagem à jusante. Estas soluções em geral são consideradas de forma combinada.

8.4.1 Projeto de filtros A função básica dos filtros é prevenir fenômenos de erosão regressiva ocasionados por forças de percolação internas, rupturas hidráulicas e trincas ocasionadas por deformações diferenciais no corpo da barragem. Os materiais para filtro devem satisfazer os seguintes critérios aparentemente antagônicos: a. Piping – os vazios dos filtros devem ser suficientemente pequenos para impedir que partículas do solo, que se deseja proteger, migrem através dos filtros. b. Permeabilidade – os vazios dos filtros filtros devem ser suficientemente suficientemente grandes para permitirem a passagem livre do fluxo e, desta forma, possibilitar o controle de sub pressões.


96


Existem regras empíricas para o dimensionamento dos filtros. Considerando Dn: o diâmetro do filtro em que n% em peso tem diâmetro menor, e dn diâmetro do material a ser protegido em que n% em peso tem diâmetro menor. Abaixo são listados alguns critérios para o dimensionamento de filtros. Critério de Terzaghi Piping

D15

Permeabilidade

D15

d 85

d 15

4

(8.16)

4

(8.17)

5

(8.18)

5

(8.19)

Sherard Piping

D15

Permeabilidade

D15

d 85

d 15

e D5 > 0,074mm As curvas do material de base e filtro são aproximadamente paralelas. Máximo tamanho da partícula do material material de filtro igual a 3” 3” para prevenir prevenir segregação.

USBR - Solos não coesivos e solos uniformes 5

D50 d 50

 10

(8.20)

- Solos bem graduados, partículas arredondadas do material de filtro 12 

D50

12 

D15

d 50

d 15

 58

(8.21)

 40

(8.22)

- Solos bem graduados, partículas angulares do material de filtro


97


9

D50

6

D15

d 50

d 15

 30

(8.23)

 18

(8.24)

D5 > 0,074mm e D100 < 3” O solo uniforme é aquele que D 95 < 8 x D5 (aproximadamente) Estas regras empíricas são válidas geralmente para solos não coesivos. Para solos coesivos representam critérios conservadores, parecendo mais lógico, caso se deseje aplicar os critérios de filtro, executar ensaios de granulometria sem defloculante, utilizando como dispersante apenas água.

8.4.2 Projetos de drenagem interna interna No projeto de drenagem interna, diferentes elementos devem ser projetados para a funcionalidade do sistema, adicionalmente alguns cuidados devem ser tomados para garantir a segurança das obras. Entre estes elementos temos os filtros tipo chaminé, os drenos horizontais, o dimensionamento hidráulico e a avaliação dos fatores de segurança, assim como a determinação da capacidade de drenagem dos elementos. Estes fatores são discutidos com mais profundidade a seguir. a. Fil Filtro tross Chaminé (Vertical (Vert ical ou Inclinados) O objetivo básico deste filtro é prevenir o carregamento do material, no sentido montante e jusante, através de eventuais trincas que se processem quer por rupturas hidráulicas, quer por deformações diferenciais. Estes filtros têm função “cicatrizante” e desta forma podem ser projetados com mínima

largura construtiva uma vez que, normalmente, sua capacidade de vazão é grande em relação à vazão de percolação através do maciço compactado. Atualmente, com o emprego de formas deslizantes, na construção destes filtros, tem-se chegado a larguras de 0,80 m.


98


b. Filtros – Drenos Horizontais No sistema de drenagem interna o filtro-dreno horizontal, tem papel fundamental. Sua função basicamente é não só impedir carregamentos do material de fundação, bem como promover a drenagem das águas de percolação através da fundação e do maciço compactado. - Dimensionamento Hidráulico Existem duas formas para o dimensionamento dos filtros drenos horizontais: A primeira consiste em dimensionar a espessura do dreno para escoar o vol volume ume de percolação previsto sob determinadas condições de carga hidráulica, com base na lei de Darcy. Já a segunda determina a espessura necessária de filtro com base em análise de percolação através do conjunto aterro-fundação-filtro. No primeiro caso apresentado na Figura 8.4a, pode-se utilizar a fórmula geral seguinte:

Q

K h

2

2 L

(8.25)

Onde: K : Permeabilidade do filtro; h : Altura da linha de saturação no limite montante do filtro-dreno é igual à espessura do filtro; L : comprimento do filtro; Q : Vazão total pelo maciço e fundação. Três hipóteses estão envolvidas nesta fórmula: - A área drenante tende a zero na saída do dreno; - A linha de saturação não se eleva acima da superfície superior do tapete; - O fluxo d’água (vazão total do maciço e da fundação) penetra inteiramente através do limite de montante do tapete. Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

99


A primeira hipótese pode ser reformulada através da seguinte equação:

Q

K h 2

 hj 2

(8.26)

2 L

Onde: h j : carga hidráulica na saída do filtro. Esta formulação é conservativa, pois não admite saturação do maciço. Em geral pode ser admitido que o filtro-dreno trabalhe sob carga hidráulica, de tal forma que se mantenham ainda baixos os gradientes hidráulicos no filtro, como estabelecidos nas Figuras 8.4b e 8.4c. Desta forma podem ser utilizadas as Equações (8.27) e (8.28) para uma destas condições respectivamente:

Q

Q

h L

K

2 L

 K  A

(8.27)

2 A  h  A2  h 2 j

(8.28)

A vantagem de o filtro trabalhar em carga é a de proporcionar melhores condições para a não colmatação de origem geoquímica, além de permitir espessuras mais econômicas do filtro. - Fatores de Segurança Em projetos convencionais de filtros e drenos é comum a adoção de fatores de segurança em relação à vazão. Estes fatores de segurança em geral variam de 10 a 100 vezes. Justificam-se tão altos valores de coeficiente de segurança devido às seguintes apreciações: 

Incerteza com relação às permeabilidades dos materiais notadamente da fundação;



As permeabilidades variam em escala logarítmica;



Heterogeneidade tanto dos materiais de maciço quanto da fundação;


100

Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Civil e Ambiental / FT Geotecnia 

Incertezas com relação a colmatação dos filtros;



Correções do sistema de drenagem interna são difíceis e onerosas;



Incertezas com relação ao fluxo através da rocha;



Incertezas com relação aos fluxos tridimensionais.

Q

K h

2

2 L

h=A

hj

Q

L

(a) Q

h L

 K  A

h A

Q

L

(b) Q

K

2 L

2 A  h  A2  h 2 j

h

Q

A

hj

L

(c)

Figura 8.4 Determinação da espessura do filtro-dreno filtro- dreno horizontal

Considerando todas as incertezas envolvidas, o conservadorismo no projeto de barragens deve ficar por conta dos filtros e drenos.


101


- Capacidade drenante do filtro Quanto menor a capacidade drenante dos filtros mais alta será a linha de saturação, levando portanto ou a menores coeficientes de segurança do talude de jusante ou ao abrandamento destes taludes. A Figura 8.5 ilustra a variação da linha de saturação em função da capacidade drenante do tapete horizontal.

N.A.

Linha de saturação

Figura 8.5 Esquema de filtro-dreno filtro-dreno horizontal O aumento da capacidade de drenagem pode ser conseguido pela utilização de tubulações perfuradas no interior do tapete drenante. No entanto este procedimento pode ocasionar problemas consideráveis, devido aos riscos de trincas ou rupturas de tais tubulações, perante carregamentos não uniformes e deformações diferenciais. Outra forma de se aumentar a capacidade drenante é a utilização de filtros tipo “sanduíche”

(Figura 8.5). Por exemplo com a utilização de filtros de areia de 2,0m de espessura (k = 10 -2 cm/seg), a vazão por centímetro que percola é de 2 i cm 3 /seg.cm. Num filtro sanduíche sanduíche contendo uma camada de brita (k = 1cm/seg) de 0,20m para o mesmo gradiente hidráulico a vazão é de 20 i cm 3 /seg.cm. Desta forma, a utilização dos filtros sanduíche pode representar a diminuição das espessuras de filtro e conseqüentemente de seu volume. Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

102


Uma desvantagem da utilização de filtros tipo sanduíche é o fato de que para a total segurança dos mesmos é necessário que os materiais que os compõem obedeçam aos critérios de filtro, o que leva geralmente a um aumento de espessura teórica em função da maior quantidade de materiais. No entanto, as análises técnico-econômicas, para a decisão do tipo do filtro a considerar, devem também computar os benefícios trazidos pelo aumento da capacidade de vazão.

8.4.3 Sistema de alívio de sub-pressões sub-pr essões Os sistemas de alívio de sub-pressões mais comumente utilizados são as trincheiras de drenagem e poços de alívio, como apresentados na Figura 8.6a e 8.6b. As sub-pressões no pé da barragem tendem a se elevar no caso de existência de camadas menos permeáveis na superfície, bloqueando a saída natural de fluxo e forçando o aumento de carga hidráulica na camada mais permeável (efeito aqüífero). Este aumento de pressão pode ser de tal ordem que produza um levantamento na região do pé da barragem (“blowup”).

O coeficiente de segurança ao levantamento na região do pé da barragem deve ser no mínimo 1,5. O fator de segurança é definido como sendo a relação entre o esforço vertical total e a pressão neutra no ponto considerado. Outra solução para este tipo de problema é o aumento de peso no pé da barragem pela construção de bermas, como ilustrado também na Figura 8.6c. De preferência estas bermas devem ser feitas totalmente com material drenante ou no mínimo com material drenante junto ao terreno natural.


103


N. A. Berma para estabilização do pé da barragem Linha de subpressão AB

Filtro

Solo Impermeável

A

B

Solo Permeável Base Impermeável

(a) N. A. Linha de subpressão AB

Linha de subpressão AB com trincheira

Filtro

Solo Impermeável

A

B

Solo Permeável Base Impermeável

(b)

N. A. Linha de subpressão AB com o poço de alívio

A

Linha de subpressão AB

Filtro

Solo Impermeável

Solo Permeável

B

Base Impermeável

(c)

Figura 8.6 Controle de sub-pressão sub-press ão - Trincheiras drenantes A capacidade drenante da trincheira deve ser tal que a linha de carga hidráulica na mesma não ultrapasse o terreno natural. O cálculo da capacidade drenante da trincheira pode ser feito utilizando-se as equações de Darcy para filtros ou de Wilkins para filtros grossos de brita e enrocamento.


104


Para aumentar a capacidade drenante podem ser usadas tubulações perfuradas no interior da trincheira. Cuidados especiais devem ser tomados no projeto das trincheiras, com relação aos materiais de filtro, uma vez que a trincheira é uma região de convergência de fluxo e conseqüentemente de altos gradientes de entrada. Tem sido muito utilizadas mantas de material sintético tipo Bidim como filtro para os materiais mais grossos. A Figura 8.7 apresenta algumas seções transversais de trincheiras drenantes.

Pé da Barragem Tubulação Perfurada

Camada Impermeável Brita Pedrisco Aqüífero

Filtro de Areia

Figura 8.7 Detalhes esquemáticos esquemát icos de trincheiras drenantes - Poços de alívio Os poços de alívio em barragens de terra são normalmente utilizados junto ao pé da barragem. Como recomendação de ordem prática, os poços de alívio devem ter, no mínimo, 6” de

diâmetro e a máxima penetração possível na camada permeável. Vale acrescentar que é conveniente para aumentar a capacidade de vazão nos poços de alívio, manter-se um tubo interno de no mínimo 2”. O preenchimento total dos poços com materiais de filtro reduz substancialmente sua capacidade de vazão.


105


Em projetos de barragens de terra é comum a adoção de um espaçamento inicial entre poços de 10 a 20m, e posteriormente, no primeiro enchimento do reservatório diminuir este espaçamento onde necessário. A Figura 8.8 apresenta alguns detalhes do poço de alivio.

Brita

Tubo de PVC

Solo Impermeável Lama Bentonítica Aqüífero

Areia

Figura 8.8 Detalhes esquemáticos de poços de alívio

8.4.4 Tapetes de impermeabilização a montante Os tapetes de impermeabilização são utilizados na redução das vazões de percolação, gradientes hidráulicos e sub-pressões, pelo aumento do caminho de percolação. O cálculo da espessura de tapete pode ser feito a partir do traçado de redes de fluxo ou através de formulações matemáticas. Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

106


O inconveniente da utilização utilização de tapetes está no fato de que trincas t rincas por ressecamento durante a fase construtiva ou por deformações diferenciais pelo enchimento do reservatório são muito comuns e reduzem substancialmente sua eficiência. A Figura 8.9 apresenta um esquema da disposição do tapete a montante.

N.A. Poço de alivio

Camada de areia protetora

Tapete Impermeável

Fundação Permeável

Base Impermeável

Figura 8.9 Detalhe esquemát esquemático ico de um tapete de impermeabi impermeabilização lização a montante

8.4.5 Trincheira de vedação (“cut -off”) As trincheiras de vedação constituem-se na estrutura de redução das vazões de percolação mais utilizadas nas barragens brasileiras em casos de fundação em solo. Apresenta as seguintes vantagens: 

É um elemento adicional para as investigações geológico – geotécnicas;



Permite uma boa execução do preparo superficial da base e paredes da trincheira;



Permite na escavação e construção, a utilização de equipamentos construtivos convencionais.

O principal inconveniente que as trincheiras de vedação apresentam é quando existem níveis de água altos, o que exige utilização de drenagem para a execução da escavação (ponteiras, poços de bombeamento e trincheiras de drenagem, etc). Barragens – Apostila G.AP-AA006/02

107


As trincheiras de vedação devem ser localizadas a montante do eixo da barragem e, preferencialmente, nas regiões onde apresenta maior altura para incorporar uma redução de permeabilidade do solo de preenchimento, por efeito da pressão vertical. A largura na base das trincheiras deve ser da ordem de 0,10 a 0,30H, onde H é a carga hidráulica total do reservatório. Cuidados especiais devem ser tomados na base (cut-off parciais) e nas paredes de jusante da trincheira para evitar-se carregamento do material de preenchimento da trincheira para a fundação, uma vez que os gradientes hidráulicos no “cut -off” são elevadíssimos por ser este um trecho de concentração de perdas de carga. Estes cuidados devem ser tomados em fundações fraturadas ou que contenham vazios não preenchidos. A Figura 8.10 apresenta um detalhe de uma trincheira de vedação.

N.A.

H Tratamento superficial

Areia 0,10 a 0,30 H

Base Impermeável

Figura 8.10 Detalhe esquemático esquemát ico de uma trincheira de vedação

8.4.6 Outros tipos de estruturas para a redução da vazão vazão de percolação Outras soluções para a redução das vazões de percolação são: 

Diafragmas plásticos ou de concreto;


108

Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Civil e Ambiental / FT Geotecnia 

Cortinas de estacas pranchas;



Cortinas de injeções;

Os dois primeiros tipos de estruturas têm sido utilizados nos Estados Unidos Unidos e na Europa com bastante freqüência. No Brasil, por critérios econômicos, eles têm sido preteridos. Quanto às cortinas de injeção são descritas com detalhe em um capítulo específico.

8.5 Controle de percolação em enrocamentos Os fluxos através de enrocamentos provocam dois tipos de rupturas nos taludes que podem ser catastróficos. 

Rupturas locais provocadas por arraste dos blocos devido às forças de percolação.



Rupturas gerais por instabilização do talude, segundo superfícies aproximadamente circulares devido às pressões neutras que se desenvolvem.

Alguns casos históricos de fluxo através de enrocamentos e medidas de controle são encontrados na bibliografia. Basicamente as soluções para a estabilização de seções de enrocamento estão relacionadas com a suavização do talude de jusante, aumento das dimensões dos blocos e/ou utilização de malhas e ancoragens de aço para reforço do talude.

8.5.1 Estabilização dos taludes Um talude construído próximo a seu ângulo de repouso ( ), quando submetido à percolação, torna-se instável, a menos que o mesmo seja abatido ( w),

 w 

 b 


(8.29) 109


Onde: b : Peso específico submerso do material;  : Peso específico do material.

No caso de estabilização dos taludes, o projetista possui dois caminhos a seguir. 

Abater os taludes especificando um enrocamento adicional no pé da estrutura;



Prover o talude original com um sistema de ancoragem que suporte as tensões que seriam absorvidas pelo enrocamento adicional.

O dimensionamento da ancoragem pode ser feito pelo equilíbrio de forças. T  W  U  tg 

(8.30)

Onde: W : peso da cunha a ser estabilizada; U : poro pressão atuante na base da cunha; T : Força que tem que ser fornecida pelo sistema de ancoragem. A força T precisa ser transmitida ao longo da superfície de descarga e embora sua distribuição não seja conhecida, é razoável esperar-se uma distribuição uniforme, pois a ancoragem funciona como um todo.

8.5.2 Estabilização dos taludes em função do tamanho dos blocos blocos e vazões de descarga Diferentes experiências têm determinado de forma experimental a relação entre o tamanho dos blocos e a vazão permissível para garantir a estabilidade da estrutura. Tudo isto em função das condições de estabilidade do material, como inclinação do talude de jusante e o grau de compacidade, fofo ou denso. A Tabela 8.2 contém um resumo destas relações.


110


Tabela 8.1 Estabilização dos taludes em função do tamanho dos blocos blocos e vazões de descarga Talude Jusante Tamanho dominante (H:V)

dos blocos (mm)

1,5:1 1,5:1 1,5:1 5:1 5:1 5:1 5:1 5:1 10:1 10:1 10:1 10:1 10:1

600 1200 1500 300 600 900 1200 1500 300 600 900 1200 1500

Vazão permissível (m 3 /s /m) Fofo Denso 0,37 1,40 1,86 0,46 1,86 3,25 5,11 6,96 1,39 4,18 7,43 11,15 15,79

0,93 3,72 5,11 1,39 5,11 8,83 13,94 18,58 3,72 11,15 20,44 30,66 43,66

8.5.3 Considerações gerais A aplicação das teorias de fluxo em enrocamentos bem como as soluções para controle destes fluxos têm sido adotadas com sucesso em vários países, principalmente, em barragens sem sistema de extravasamento e que, portanto, podem ser susceptíveis a “overtopping” e fluxos

através do enrocamento de jusante. Ensecadeiras de fechamento de rios também são submetidas a fluxos internos ao enrocamento, notadamente, quando o órgão de desvio está situado em cotas mais altas que o nível d’água do rio, na época de desvio. Nestes casos, como o enroca mento das ensecadeiras é

lançado, os taludes externos são da ordem 1,3H:1V e não é possível adotar nenhum sistema de ancoragem e armação do enrocamento. A estabilização deve ser feita apenas considerando o aumento de diâmetro dos blocos em função da máxima vazão permitida através do enrocamento.


111


A utilização de armação e ancoragem para enrocamentos deve considerar a vida útil da obra. Em estruturas definitivas deve-se considerar proteções para as malhas e ancoragem contra a corrosão, tais como: tinturas, proteção catódica e malhas e ancoragens de metais não ferrosos ou aço inoxidável.

8.6 Verificação do comportamento das barragens de terra e enrocamento em face aos problemas de percolação Do ponto de vista de percolação, o comportamento de barragens pode ser verificado através de uma instrumentação adequada, como piezômetros e medidores de vazão, nas regiões mais críticas. Os resultados obtidos fornecem subsídios para: 

Reavaliar a segurança da obra em qualquer fase de seu funcionamento;



Tomar medidas oportunas de controle;



Verificar as hipóteses originais de projeto.

Infelizmente apesar de muitas barragens brasileiras terem sido instrumentadas, poucos resultados e avaliações desses resultados, em confronto com as hipóteses admitidas em projeto, foram publicados, o que tem dificultado o avanço das teorias de percolação em solos residuais e saprolitos. A quantidade de dados de instrumentação existentes sem a devida análise é enorme. Este problema, no entanto, é bastante complexo pois envolve um custo adicional que normalmente não tem sido dispendido. Atualmente, existe uma movimentação por parte dos donos de obras no sentido de solucionar este problema. De parte dos projetistas é necessário que no final de cada projeto de instrumentação sejam fornecidas todas as informações relativas aos parâmetros de cálculo, às hipóteses de projeto, aos níveis piezométricos máximos admitidos e níveis prováveis e às vazões de percolação esperadas.


112


CAPÍTULO 9 9. FUNDAÇÕES EM SOLO A construção de barragens sobre solos que apresentam características geotécnicas desfavoráveis, como baixa resistência, altas permeabilidade e compressibilidade, e colapsibilidade, constitui um dos mais sérios problemas da engenharia de barragens. O problema começa com a dificuldade de se formular um modelo geotécnico que corresponda à realidade e termina com a necessidade de se adotar soluções que sejam as mais econômicas possíveis, sem que haja o comprometimento da segurança da obra. É um problema comum, pois as barragens devem fechar vales ou baixadas onde, em geral, ocorrem formações geológicas constituídas de solos moles, compressíveis e permeáveis. No projeto de uma grande barragem, dificilmente a solução será o abandono do local de barramento por falta de condições adequadas de fundação, a menos que haja um local próximo, com condições nitidamente melhores e com indiscutível vantagem econômica. Pode-se mesmo afirmar que é perfeitamente possível construir uma barragem de terra sobre quase todo os tipos de fundações, desde que o projeto se adapte convenientemente às condições oferecidas pelo sítio. Neste caso, é a análise econômica das diversas alternativas, concebidas com o intuito de contornar os problemas apresentados e garantir a funcionalidade e a segurança da barragem, que apontará a solução definitiva do projeto. Caberá, então, otimizar, técnica e economicamente, a solução adotada. Embora possa haver superposição de duas ou mais características desfavoráveis dos solos de fundação, serão aqui apresentadas três condições que, didaticamente retratam toda a problemática envolvida. a. Fundação em solos permeáveis – areias e cascalhos, onde interessa analisar a quantidade de água perdida por percolação e a grandeza das forças de percolação. b. Fundações em solos moles – argilas, areias argilosas e siltes argilosos, onde interes assegurar a estabilidade contra a ruptura por cisalhamento e evitar o aparecimento de trincas no maciço, devidas a recalques excessivos.


113


c. Fundações em solos solos porosos poro sos e colapsíveis – de elevada porosidade volumétrica e baixo grau de saturação, onde interessa evitar ou minimizar os efeitos dos recalques instantâneos desses materiais.

9.1 Fundação em solos solos permeáveis Na engenharia civil, ao se tratar de problemas resultantes da presença inconveniente de água, muitas vezes inevitável, deve-se ter sempre presente dois preceitos elementares que orientem sua solução. 

Evitar, tanto quanto possível, que a água penetre na região onde é indesejável;



Facilitar, até o “impossível”, a sua saída dessa região.

Em projetos de barragens, para atender ao primeiro preceito, costuma-se adotar elementos ou medidas que visem a “impermeabilização” da fundação, como por exemplo: substituição do

material permeável ou construção de trincheiras vedantes, cortina de estacas-prancha, paredes diafragma e tapetes impermeáveis a montante. Para atender ao segundo preceito é usual utilizar-se tapetes drenantes associados a filtros de pé, trincheiras drenantes e poços de alívio. Nestes casos o objetivo é minimizar os efeitos, elevadas vazões e sub-pressões, da presença de água no trecho de jusante das fundações da barragem. Os métodos para o controle da percolação através das fundações de uma barragem podem ser classificados pelo próprio efeito que tem sobre a percolação: 

Eliminando-a, ou reduzindo-a a valores desprezíveis, através da construção de “barreiras impermeáveis completas” até o horizonte impermeável;



Reduzindo- a, mediante a construção de uma “barreira impermeável incompleta” que aumente as linhas de fluxo, proporcionando o aumento de perda de carga e redução das sub-pressões, do gradiente hidráulico e da vazão;



Apenas controlando-a, mediante a construção de drenos, método este praticamente imprescindível e que pode ser associado aos dois anteriores.


114


Antes de 1940, quase todas as grandes barragens fundadas em solos permeáveis foram construídas com o primeiro método. Ainda hoje, a maioria das barragens é assim projetada, mas de lá para cá, um número crescente de barragens tem sido fundadas diretamente sobre solos permeáveis, em locais onde a construção de barreiras impermeáveis completas seria extremamente onerosa. Dentro do primeiro método, quatro tipos de obras podem ser utilizadas, elas são: a. Trincheiras impermeáveis impermeáve is (“cut -offs”) – obtidas compactando-se solo impermeável

em trincheiras escavadas na fundação permeável da barragem; b. Paredes diafragma – estruturas impermeáveis delgadas que podem ser construídas em concreto, solo-cimento ou lama; c. Cortinas de estaca-prancha estaca-pr ancha cravadas a partir da superfície do terreno – natural ou escavada, não exigem, ao contrário dos tipos de obras anteriores, a substituição do material da fundação; d. Injeções de impermeabilização. impermeabilização . A adoção de uma barreira impermeável completa só deve ser descartada por motivos de ordem econômica, quando, por exemplo, a espessura da camada permeável for muito grande em relação à base impermeável da barragem. As cortinas de estacas-prancha metálicas são atualmente pouco utilizadas, principalmente no Brasil, tendo em vista o alto custo dos perfis metálicos. Só constituirão solução vantajosa em circunstâncias muito especiais. Também as paredes de concreto têm sido cada vez menos empregadas, por serem muito caras e por oferecerem um inconveniente muito sério, sua elevada rigidez torna o maciço da barragem, muito menos rígido, vulnerável ao fissuramento sob efeito das deformações


115


– Trincheiras impermeáveis (“cut -offs”) 9.1.1 Soluções de Eliminação – Trincheiras

A Figura 9.1 mostra uma seção típica de barragem com trincheira preenchida com solo impermeável compactado. Esta solução tem sido mais intensamente utilizada, em vista da evolução dos equipamentos de terraplanagem, que a têm tornado mais econômica para profundidades cada c ada vez maiores. maiore s. Profundidades Pro fundidades até 25 a 30 3 0 m são, hoje, perfeitamente per feitamente razoáveis. A principal dificuldade de sua construção é dada pelo lençol freático que exige, muitas vezes, onerosas instalações de rebaixamento, como mostrada na Figura 9.2.

N.A.

Tratamento superficial

Areia

Base Impermeável

Figura 9.1 Trincheira impermeável Esta solução apresenta as seguintes vantagens: 

Permite a inspeção visual tanto das paredes como do fundo da escavação;



Permite um bom preparo superficial da base da trincheira;



Permite o uso dos equipamentos convencionais de escavação e terraplanagem;



Possibilita o preenchimento da trincheira com materiais selecionados, compactados sob controle tecnológico.


116


Sistema de Bombeamento

Areia

Calha de drenantes drenantes

Base Impermeável

Figura 9.2 Esquema da escavação abaixo do lençol freático A trincheira impermeável é em geral posicionada sob a crista da barragem, onde a maior compressão, proporcionada pelo peso do aterro, aumenta sua eficiência. Porém, sua posição poderá ser condicionada pela geometria do topo impermeável, ou seja, deverá situar-se de forma a minimizar as escavações. Em barragens de enrocamento com núcleo de argila ela deverá estar, obrigatoriamente, sob a base do núcleo impermeável.

9.1.2 Soluções de Eliminação – Paredes diafragma Dentre as paredes diafragmas destacam-se os diafragmas plásticos, constituídos por materiais deformáveis, que se compatibilizam melhor com o maciço da barragem, tornando-o menos susceptível ao trincamento. A Figura 9.3 ilustra o efeito de trincamento provocado por um elemento rígido inserido na fundação, sob o maciço da barragem.


117


N.A.

Elevadas tensões de compressão

Trincas abertas Aluvião

Parede de concreto

Base Rígida

Figura 9.3 Trincamento provocado por um elemento rígido de parede diafragma diafragma Esse método consiste em preencher com concreto plástico uma trincheira, aberta com utilização de lama bentonítica. A lama bentonítica tem a finalidade de manter a estabilidade das paredes da trincheira, atuando duplamente: oferece um grande empuxo estabilizador, proporcionado pela sua alta densidade, aproximadamente 12 kN/m 3, e impermeabilizando as paredes da escavação, impossibilitando a formação de uma rede hidrodinâmica desfavorável. Além disso, a lama bentonítica serve de veículo ao transporte do material escavado. O concreto plástico é obtido mediante a adição de colóides argilosos (argila natural ou bentonítica), cuja dosagem deve ser controlada por ensaios de laboratório. Os diafragmas plásticos são, em geral, executados em painéis com cinco metros de comprimento (5m), em espessuras de 0,50 a 1,50m e podem atingir valores da ordem de 10-6 mm/s.


118


As trincheiras de lama foram pela primeira vez utilizadas em obra permanente na barragem de Wanapum, construída nos Estados Unidos, em 1958. Essas trincheiras são executadas com o mesmo processo anterior, porém, em um único painel contínuo, preenchido com lama plástica, obtida pela mistura de solo com bentonita. Na barragem de Wanapum, o material de fundação era construído por um depósito aluvionar de areias, pedregulhos e cascalho com permeabilidade média estimada em 10mm/s. Os estudos indicaram que a execução de cortina com estacas-prancha ou de uma trincheira impermeável teriam custo muito elevado. Após testes bem sucedidos de execução no campo a trincheira de lama foi construída, com 3m de espessura até a profundidade de 25m. Em alguns trechos, onde a espessura do aluvião era superior a 25m, a camada inferior remanescente foi injetada com solo-cimento. A lama foi obtida pela mistura do material escavado, bentonita utilizada na escavação e 15% a 20% de silte natural, obtido de área de empréstimo. Ensaios de laboratório sobre corpos de prova indicaram permeabilidade de 10 -6mm/s. As trincheiras de lama oferecem as seguintes vantagens: grande deformabilidade, continuidade da cortina, boa eficiência, facilidade de execução abaixo do lençol freático, inclusive em cascalho. Em contra-partida tem os seguintes inconvenientes: limitação da profundidade, dificuldades de atravessar materiais compactos ou duros, impossibilidade de engastamento em rocha alterada e pequena resistência.

9.1.3 Soluções de Eliminação – Injeções de impermeabilização Até 40 anos atrás, as injeções de cimento eram utilizadas apenas para reduzir a percolação através de maciços rochosos fraturados. Injeções químicas que pudessem ser executadas em


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depósitos de areia eram muito dispendiosas e as tentativas com betume revelaram-se extremamente desvantajosas. Engenheiros franceses iniciaram experiências com argilas e caldas para impermeabilizar areias e obtiveram algum sucesso antes de 1950. Por volta desse ano teve início o projeto da barragem de Serra-Ponçon, localizada nos Alpes. A barragem, concluída em 1960, está assentada sobre um aluvião constituído de areia e pedregulhos, entremeados por camadas e lentes de silte e argila. A permeabilidade média desse material foi estimada em 5x10 -1 a 1mm/s. Esse depósito aluvionar foi injetado com calda de cimento e argila, até a profundidade de 100m, em largura de 15m. Ensaios realizados mostraram uma redução da permeabilidade para valores de 1x10 -3 a 5x10-4mm/s e o sucesso do método pôde ser constatado por piezômetros instalados na fundação, imediatamente a jusante da cortina, cortina, que indicaram indicaram apenas 2m acima do nível nível d’água anterior anterior ao barramento. barramento.

As injeções se processam através de numerosas rupturas hidráulicas que permitem a penetração da calda no aluvião, dificultando a passagem das águas de percolação. Se a camada for homogênea, essas rupturas ocorrem segundo planos verticais, ou seja, em planos onde atuam as menores tensões de compressão ( 3). A penetração da calda nessas fendas verticais provocam uma compressão dos materiais adjacentes (Aumento de 3) tornando-os mais compactos e menos permeáveis. As injeções em meios aluvionares têm, portanto, um duplo efeito: aumentando o caminho de percolação, forçando a água a contornar esses inúmeros planos injetados e diminuindo a própria permeabilidade do meio entre esses planos, por onde deve passar a água. O fato das injeções tornarem mais rígido o trecho de fundação tratado é uma questão que deve ser considerada no projeto, de forma a compatibilizar as deformações do conjunto maciço-fundação para que não ocorram trincas indesejáveis. Depois de Serra-Ponçon este método foi utilizado, com sucesso, em várias outras barragens de grande porte como, por exemplo:


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Apostila Barragens 05-2003

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