Geologia De Barragens

• Estanqueidade A propriedade de estanqueidade de uma fundação de barragem relaciona-se com o impedimento da percolação da água através dela. Evidentemente, não se pode esperar que uma fundação seja totalmente estanque, pois os custos para tornar o maciço rochoso impermeável seriam incompatíveis com os efeitos esperados para tal estanqueidade. Assim, com a estanqueidade parcial

4 - Problemas geotecnológicos das fundações de uma barragem

-.: u m maciço rochoso, busca-se reduzir a colação a níveis aceitáveis em função da -\!Urança da obra e do objetivo para o qual bra foi projetada. Uma vez que a permeabilidade intersti:ial na maioria das rochas que constituem =- fundações de uma barragem (rochas ~ eas e metamórficas) é praticamente - ula (da ordem de 10- 10 cm/s), pode-se :oncluir que os planos de descontinuidade ;:onstituem-se no principal veículo de per:olação da água nos maciços rochosos. :=>enominando genericamente de fraturas _;_ maioria dos planos por onde percolam as águas subterraneamente, pode-se defi::.ir como parâmetro mais importante para =Ssa propriedade hidrogeotécnica a perfeita ::aracterização estrutural do maciço rochoso. A condutividade hidráulica, que reflete a uantidade de água na unidade de tempo ue passa em um metro linear desses ?lanos de descontinuidade por unidade de ? ressão hidráulica, é o parâmetro que mede a permeabilidade do maciço rochoso fratu-

N

t

o

1

99

rado. Trata-se de um importante critério caracterizador da estanqueidade e, portanto, imprescindível à classificação de um maciço rochoso que atua como fundação de uma barragem. É, contudo, imprescindível analisar as perdas d' água juntamente com a caracterização estrutural, conforme mostrado na Fig. 4.18.

b) Modelo de classificação Definidos os critérios mais importantes na caracterização dos principais aspectos envolvidos na fundação de uma barragem, restaria graduar os diferentes parâmetros selecionados, de sorte a zonear graus de aplicação de cada um deles. O modelo escolhido foi inspirado na classificação de Bieniawski (ver Tab. 5.1), que atribui índices para ponderar as cinco classes em que foram divididos os parâmetros selecionados. O somatório desses índices permite zonear cinco classes para o enquadramento do maciço rochoso para obras subterrâneas.

w

E

s

FIG. 4.18 Relações entre as direções de descontinuidades abertas e o sentido de f/.uxo das águas sob uma barragem: (a) mapa com indicação de dois eixos barráveis; (b) estereograma de fraturas dessa área

100

1

Geologia de Barragens

Embora o princípio de classificação seja o mesmo, os parâmetros são diferentes, em função dos aspectos envolvidos na fundação de uma barragem. A Tab. 4.8 mostra a classificação geral dos maciços rochosos em função dos critérios adotados. O módulo de deformabilidade - E (GPa) foi definido em 4.2.1 e as formas de execução dos ensaios que permitem sua definição serão descritas no Cap. 7. A resistência à compressão uniaxial - Se (MPa) foi definida em 4.2.2 e as formas de sua determinação também serão descritas no Cap. 7. Os graus de alteração da rocha (D 1 a D 5 ) devem ser definidos em função das características apresentadas por cada um desses estágios de alteração, conforme discriminado no Quadro 4.2. A presença de um ou mais sistemas de descontinuidades

é fundamental na análise de estabilidade. Porém, mais importante que isso é a intensidade e o sentido de inclinação desses planos de descontinuidade, o que pode ser bem evidenciado no Quadro 4.3. O atrito e o embricamento provocado pelas irregularidades ao longo dos planos de descontinuidade, principalmente de fraturas, influem decisivamente na resistência ao cisalhamento. A abertura desses planos e seu material de preenchimento são importantes fatores na análise dessa resistência. O Quadro 4.4 mostra esse relacionamento e comprova a necessidade de uma acurada descrição de todas as descontinuidades existentes em um maciço rochoso. A influência do posicionamento das descontinuidades analisadas em cada sistema sobre a estabilidade da obra só pode ser bem

TAB. 4.8 Classificação geral dos maciços rochosos Parâmetro

Aspecto envolvido

!

Variação de índices

> 200

100 - 200

50 - 100

10 - 50

<10

10

8

6

4

2

Resist. à compr. uniaxial (MPa)

> 100

50 - 100

20 - 50

5 - 20

<5

10

8

6

4

2

Alteração da rocha (Quadro 4.2)

D1

D2

D3

D4

D5

16

12

8

4

2

Sistemas de descont. (Quadro 4.3)

A

B

c

D

E

8

6

4

2

o

Relação de direções (Tab. 4.9)

a

b

c

d

e

8

6

4

2

o

Condição da descont. (Quadro 44)

a'

b'

c'

d'

e'

8

6

4

2

o

Espaçam. Entre descont. (m)

> 3,0

1,0 - 3,0

0,3 - 1,0

0,05 - 0,3

< 0,05

10

8

6

4

2

Estanqueidade

Condutividade hidráulica (Tab. 4.10)

H1

H2

H3

H4

H5

15

10

7

4

o

t

Relação de direções (Tab. 4.9)

a

b

c

d

e

15

10

7

4

o

81 - 100

61 - 80

41 - 60

21 - 40

< 20

1

li

Ili

IV

V

M. Bom

Bom

Reg.

Ruim

M. Ruim

Módulo E (GPa)

Deformabilidade

! t Estabilidade

t

Somatório de índices Classe do maciço rochoso Descrição do maciço rochoso

4 - Problemas geotecnológicos das fundações de uma barragem

Decomposição das rochas

QUADR04.2

Grau

1 101

Denominação

Características

D1

Rocha sã

A rocha apresenta seus minerais constituintes sem decomposição. Eventualmente apresenta juntas oxidadas .

D2

Rocha pouco decomposta

A rocha apresenta decomposição incipiente em sua matriz e ao longo dos planos de fraturas.

D3

Rocha medianamente decomposta

A rocha apresenta cerca de 1/3 de sua matriz decomposta. A decomposição ao longo das fraturas é acentuada.

D4

Rocha muito decomposta

A rocha apresenta cerca de 2/ 3 de sua matriz ou de seus minerais totalmente decompostos . Todas as fraturas estão decompostas .

D5

Rocha extremamente decomposta

A rocha apresenta todo o seu corpo totalmente decomposto.

compreendida quando considerada a relação entre as direções desses planos e a direção do eixo barrável. A Tab. 4.9 mostra a influência dessa relação não apenas sobre a estabilidade, mas também sobre a estanqueidade, e pode-se observar que essa influência é otalmente oposta para essas duas propriedades do maciço rochoso. Enquanto um plano de descontinuidade torna-se perigoso para a estabilidade quando se aproxima da mesma direção da barragem, QUADR04.3

esse mesmo plano dificulta a percolação da água, mesmo se estiver aberto, tornando-se um fator favorável à estanqueidade. Quanto menor o espaçamento entre os planos de descontinuidade, maior a intercomunicabilidade entre eles, configurando blocos isolados que reduzem a sua resistência ao cisalhamento . Em termos de estanqueidade, a maior intercomunicabilidade entre os planos abertos, quando é reduzido o seu espa-

Sistemas de descontinuidades

Classe

Características

Denominação

A

Um sistema dos tipos : V ou MF

Muito favorável

B

Um sistema dos tipos: JF ou Mf Dois sistemas dos tipos: H/M F, H/Mf, V/JF, MF/JF

Favorável

e

Dois sistemas dos tipos: H/JF, HIV, JF/Jf, V/Jf, V/MF, MF/Mf Três sistemas dos tipos: H/JF/ Jf, H/V/JF, V/ JF/Jf

Regular

D

Um sistema dos tipos: H ou Jf Dois sistemas dos tipos: H/Jf ou V/Mf Três sistemas dos tipos: H/V/Jf, H/V/M F, H/M F/Mf, V/M F/ JF

Desfavorável

E

Dois sistemas dos tipos: Jf/MF ou Mf/Jf Três sistemas dos tipos não incluídos nas classes C e D Mais de três sistemas

Muito desfavorável

Sim bologia "1 - Horizontal V- Vertical JF - Mergulhando para jusante com forte ângulo (>50°) Jf - Mergulhando para jusante com fraco ângulo (< 30°) M F - Mergulhando para montante com forte ângulo Mf - M ergulhan do para montante com fraco ângu lo

10 2

1 Geologia de Barragens

QUA DRO 4.4

Classe

Condições da descontinuidade

Descrição da superfíci e do plano de descontinu idade

a'

Superfície rugosa, descontínua, paredes resisten t es

b'

Superfície levemente rugosa, separação< 1 mm, paredes resistentes

e'

Superfície levemente rugosa, separação< 1 mm, paredes fracas

d'

Superfícies contínuas, estriadas ou com preenchimento< 5 mm ou com abertura de 1 a 5 mm

e'

Superfícies contínuas com preench imento mole > 5 mm ou com abert ura> 5 mm

TAB. 4.9 Influência entre as direções das descontinuidades e do eixo barrável com

relação à estabilidade e à estanqueidade das fundações Ângulo entre a descontinu idade e o eixo da barragem (º) Classe

Tipo de infl uência

a

Nula

b

Reduzida

51 - 70

11 - 30

e

Regular

31 - 50

31 - 50

d

Elevada

11 - 30

51 - 70

e

Muito elevada

O - 10

71 - 90

Com relação à estabilidade

Com relação à estanqueidade

71 - 90

O - 10

çamento, contribui decisivamente para aumentar a permeabilidade do maciço rochoso, chegando a conferir ao maciço rochoso, nos casos mais extremos, a condição de aquífero granular (Fig. 4.16a). A condutividade hidráulica é definida pelos ensaios de perda d'água (ver Cap. 5). A classificação do maciço em relação a esse parâmetro é apresentada na Tab. 4.10. A classificação geral apresentada na Tab. 4.8 resulta do somatório de todos os índices atribuídos aos diversos parâmetros para cada uma das cinco classes em que foi dividido o maciço rochoso.

c) Aplicabilidade do modelo de classificação do maciço rochoso para barragens O simples fato de classificar um maciço rochoso em função de sua finalidade e de critérios eleitos como supostamente mais importantes não teria muito significado

se não fosse possível aplicar na prática tais conceitos. Na verdade, uma classificação genérica e abrangente, que aten de a três importantes e distintos aspectos de uma fundação de barragem, serve tão somente para que se tenha ideia da qualidade do maciço rochoso na forma mais abrangent e. Isso porque, na prát ica, é possível que um maciço rochoso considerado bom na classificação geral possa ser muito bom em termos de deformabilidade, regular em termos de estabilidade e ruim em termos de estanqueidade. Nesse caso, seria necessário concentrar as atenções apenas na estabilidade e na estanqueidade dessas fundações. Para avaliar separadamente a influência dos parâmetros escolhidos nos três aspectos enfocados, foram elaboradas as Tabs. 4 .11, 4.12 e 4.13, respectivamente para deformabilidade, estabilidade e estanqueidade. Nas duas primeiras são recomendados diferentes tipos de barragens

4 - Problemas geotecnológicos das fundações de uma barragem j 103

TAB. 4.10

Condutividade hidráulica Condut. hidráulica l/min.m.kg/cm 2

Classe

Denominação

Permeabilidade cm/s

H1

Muito baixa

k < 10-5

C.H < 0,1

H2

Baixa

10-5 < k < 5.10-5

0,1 < C.H < 0,5

H3

Média

5.10-5 < k < 5.10-4

0,5 < C.H < 5,0

H4

Alta

5.10-4 < k < 2,5.10-3

5,0 < C.H < 25,0

H5

Muito alta

k > 2,5.1 0-3

C.H > 25,0

em função da classificação do maciço ro -

classificação do maciço rochoso quanto à

choso, de acordo com suas características

percolação da água subterrânea submetida

de deformabilidade e estabilidade.

à pressão do reservatório.

O somatório de índices apresentado nas

Essas tabelas são uma tentativa de nor-

Tabs. 4.11 e 4.12 deve incluir os parâmetros

tear o geólogo e o engenheiro geotécnico

considerados entre as setas verticais que

com relação a situações genéricas, o que não

aparecem acima e abaixo do nome de cada

impede de estreitar mais o grau de conhe-

aspecto enfocado na Tab. 4.8.

cimento e necessidades da obra com dados

A Tab. 4.13 traz as providências reco-

melhores e confiáveis, que possam mudar

mendadas para melhorar a condição de

um pouco os procedimentos recomendados

estanqueidade das fundações em função da

nessas tabelas.

TAB. 4.11

Aplicação da classificação quanto à deformabilidade

Somatório de índices

26 - 36

16 - 24

< 16

Bom

Regular

Ruim

Concreto Enrocamento Terra

Enrocam ento Terra

Terra

42 - 60

26 - 40

< 26

Bom

Regu lar

Ruim

Concreto Enrocamento Terra

Enrocamento Terra

Terra

Classificação do maciço Tipos de barragem recomendados

TAB. 4.12

Aplicação da classificação quanto à estabilidade

Somatório de índices Classificação do maciço Tipos de barragem recomendados

TAB. 4.13

Aplicação da classificação quanto à estanqueidade H1

H2 - H3

H4- H5

Somatório de índices

> 40

20 - 40

< 20

Classificação do maciço

Bom

Regular a ruim

Ruim a péssimo

Nenhuma

Injeção ao longo de duas ou três linhas

Injeção ao longo de três ou mais linhas

Condutividade hidráulica

Providências recomendadas

5

Geotecnia das obras complementares

5.1 CA NAIS DE ADUÇÃO E RESTITUIÇ ÃO

Em uma obra de barragem, os canais . dem ser utilizados para o direcionamento d.as águas do reservatório para diversas es3"1..lturas, como vertedouro, tomada d'água ~ túneis de desvio, ou como restituição das aguas para jusante, a partir da casa de força ou de túneis de desvio. Com base no co- ecimento das condicionantes geológicas, .c:eotécnicas e morfológicas da área de en·orno da barragem, o geólogo deve auxiliar engenheiro projetista quanto à melhor :xalização dos canais necessários à obra, ?rincipalmente quando essas condicionan:es são muito diferentes nas duas margens -=o rio. Uma vez selecionados os melhores ocais sob o ponto de vista de arranjo de bras e das condicionantes naturais, devem ·er caracterizados os problemas induzidos . elo fluxo das águas nesses canais. Nessa aracterização, três pontos devem ser bem efinidos: • natureza dos materiais de escavação (solo ou rocha); • geometria das descontinuidades; • estabilidade das paredes de escavação.

S . 1.1 Caracterização geológ ico-geotécnica Conhecido o traçado previsto para o canal e as condições de projeto (velocidade

de fluxo, seção do canal, cota do nível da água e variação de profundidade de escavação), deve-se programar a investigação geotécnica (supondo-se já conhecer a geologia de superfície), que pode ser baseada em sondagens mecânicas ou com o auxílio da geofísica. Com os resultados das sondagens, deve-se apresentar uma seção longitudinal ao canal e algumas seções transversais sempre que ocorram variações, quer topográficas, quer geológicas, que influam na definição dos problemas de estabilidade. Nessas seções, devem ser compartimentadas as diferentes unidades geológico-geotécnicas presentes no futuro canal, conforme exemplo da Fig. 4.6. É sumamente importante caracterizar nessas seções e em sua análise os seguintes elementos: a] contato solo/ rocha; b] contato entre diferentes classes do maciço rochoso; c] características dos materiais no trecho submerso do canal; d] características dos materiais no trecho submetido a variação do nível d' água (NA); e] características dos materiais no trecho permanentemente emerso; f] características dos materiais na entrada do canal; g] geometria das descontinuidades (plotadas em estereograma polar); h] persistência, extensão, rugosidade e preenchimento das descontinuidades.

106

1 Geologia de Barragens

5.1.2

Condições de estabilidade

Os canais de adução ou de restituição são sempre veículos de fluxos com vazões consideráveis, razão pela qual devem ser constituídos de materiais que ofereçam resistência à erosão. Assim, a primeira consequência do estudo geológico consiste em zonear os trechos de baixa resistência à erosão e que necessariamente tenham que ficar submersos, recomendando não somente taludes de escavação apropriados, mas também estruturas de contenção para evitar sua erosão e/ou seu desabamento. Para os trechos de rocha sã, o canal não deverá ser revestido, mas geralmente escavado com taludes verticalizados. Nesses trechos, é necessário definir as relações entre as direções do fluxo das águas e as direções das descontinuidades presentes no maciço, bem como as condições de embricamento dos blocos individualizados por tais descontinuidades. Isso porque eventuais situações desfavoráveis nessas relações de direções podem induzir o arrancamento de blocos das paredes, o que funcionará como início de erosões pontuais que poderão desencadear grandes instabilidades ao longo da parede de escavação, com os consequentes problemas de assoreamento do canal e transporte de detritos para as estruturas de jusante. A Fig. 5.1 mostra duas situações de estabilidade de talude em canais. Na primeira (a), o fluxo de águas favorece o arrancamento de blocos, podendo gerar instabilidade da parede de escavação em função das demais características de resis tência do maciço rochoso; na segunda (b),

o embricamento dos blocos dificulta o seu arrancamento pelo fluxo das águas, oferecendo boas condições de estabilidade à parede de escavação. 5 . 1.3

Modelo geomecânico de escavação

Em função das características de estabilidade diagnosticadas no estudo geológico-geotécnico, deve-se estabelecer um modelo geomecânico para as escavações do canal em que conste: • trechos sem revestimento; • trechos com revestimento; • taludes em solo e em rocha, no trecho emerso e no trecho submerso; • estruturas de contenção (placas, tirantes etc.); • proteção contra erosão no trecho emerso em solo. A Fig. 5.2 mostra um tipo de modelo geomecânico de escavação para o canal do vertedouro da barragem de !rapé (Cemig).

5.2 VERTEDOURO

O vertedouro de uma barragem pode ser de vários tipos, desde os mais convencionais, em calhas incorporadas à barragem ou em canais abertos em uma das margens, até os mais incomuns, que incluem a tulipa e os túneis. No caso de tulipa, praticamente não há qualquer interferência das condicionantes geológicas, pois toda a estrutura é incorporada à própria barragem, merecendo, assim, apenas os cuidados de um engenheiro projetista. Por esse motivo, esse tipo de obra

5 - Geotecnia das obras complementares

1 107

N

r

1 1 1

12 1 1 1

--- _.,.

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N 1

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1 1 1 1

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1 1 1

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__ .J._

FIG. 5.1 Estabilidade de taludes em canais - barragem de Irapé-MG: (a) situação de instabilidade das pa redes com relação ao arrancam ento de blocos; (b) sit uação de estabilidade das paredes com relação ao arran camento de blocos Fo nte: cortesia da Cemig.

não será discutido aqui. O vertedouro em túnel, por sua vez, será abordado no item correspondente a obras subterrâneas (5.4). Os vertedouros em calhas incorporadas à própria barragem são, a exemplo da tulipa, um problema meramente construtivo da engenharia, e a única relação com a geologia refere-se à erosão das águas restituídas, o que será comentado no próximo item. Resta, assim, como vertedouro a analisar,

o caso em que essa obra é localizada fora da

própria barragem , ou utilizando uma sela topográfica, ou escavando um canal na encosta. No primeiro caso, geralmente não há necessidade de canal de aproximação e a estrutura do vertedouro é constituída de três partes: ogiva, canal rápido e restituidor (Fig. 5.3a). A ogiva é uma estrutura de concreto onde se situa a comporta para controle do

108

Geologia de Barragens

1

maciço rochoso para evitar eventuais

Superfície topográfica

~ / ~ 0.25 Solo coluvionar /

/ /

/_,,,

/ /

/ 2 ,00

1.ov

=t--t

Obs.: quando submerso o micaxisto alterado deve ter taludes com H:V = 0,33:1,0

+.--.'.-+ Variável FIG.

5.2 Mo delo geomecânico de corte (barragem

de Irapé-MG) Fonte: cortesia da Cemig.

fluxo d 'água que será vertido. Ela funciona , portanto, como uma pequena barragem de gravidade, razão pela qual são exigidas como sua fundação as mesmas características geomecânicas referidas no item 4.2, com relação à deformabilidade e estabilidade. Assim, em princípio, deve ser fundada em rocha D1/ D2 . O canal rápido corresponde ao trecho intermediário situado entre a ogiva e o restituidor, e geralmente possui grande declividade (Fig. 5.3b). Dada a elevada velo cidade imposta pela grande vazão da água passando em uma área reduzida e com forte gradiente, esse canal deve ser revestido não só na base, mas também em suas paredes de escavação, mesmo quando a rocha em que será assentado for da melhor qualidade. O problema que poderá ocorrer nessa obra refere-se à fixação das placas no

desplacamentos decorrentes do efeito de sucção provocado por vácuo hidráulico, o que pode ser exacerbado pela subpressão hidrostática na base dessas placas, quando o maciço rochoso é muito fraturado. O engenheiro projetista poderá recomendar a utilização de tirantes para fixação das placas ou de drenas para aliviar as subpressões (Fig. 5.3c). Nesse caso, é necessário caracterizar muito bem as reais características de resistência do maciço rochoso, bem como suas condições de percolação de água. O restituidor pode ser constituído por uma bacia de dissipação, que amortizará a velocidade da água efluente, restituindo-a ao rio com reduzido poder erosivo (Figs. 5.3a e 5.3c), ou por uma estrutura de salto de esqui, que dirigirá a água vertida a uma fossa no leito do rio (Fig. 5.3b). Em ambos os casos, a obra de restituição será construída em concreto e, apesar de eventualmente delgada, recebe a água com muita velocidade, exigindo do maciço rochoso boas características de deformabilidade e estabilidade.

5.3 EROSÃO A JUSANTE A erosão a jusante das estruturas de efluxo de uma barragem, como túneis de restituição e vertedouros, depende da forma como as águas são restituídas ao canal do rio a jusante da obra de barramento. No caso de túneis , geralmente a erosão é provocada unicamente pelo atrito do fluxo da água, que chega ao rio com sua velocidade amortecida pelo atrito ao longo do canal de restituição. Nesses casos, a erosão será mínima, pois o próprio colchão

5 - Geotecnia das obras complementares 1 109

a

Canal rápido

Bacia de dissipação

1 ,,

Stop L

Comporta

_ ..

1 ;!'

Salto de esqui

r. _~ ·· !·•·······s.\ o · · ·- n~

--~ ~u

e

Comporta

Bacia de dissipação

Draina galle ln]eçoes Grouting

FIG. 5.3

Drenagem Drainage

Tipos de vertedouro

1Furo de dren agem Holes drainage

110

1 Geologia de Barragens

d' água existente no rio a jusante diminuirá o poder erosivo dessas águas efluentes. No caso de vertedouro, há duas espécies de efluxo, conforme o tipo de vertedouro: calha com bacia de dissipação e calha com salto de esqui. No primeiro caso, o poder erosivo das águas é amortecido na bacia de dissipação, porém o grande volume das águas restituídas pode criar correntes com altas velocidades a jusante dessa bacia, gerando os mesmos problemas de erosão citados para os canais. Nesse caso, somente um modelo hidráulico poderá caracterizar as direções dessas correntes e prever a velocidade do fluxo da água nessas direções . Aí, então, deverá ser feita uma análise das influências das descontinuidades do maciço rochoso e de suas relações com os fluxos previstos, visando diagnosticar problemas relacionados com a sua erosão. Também é importante caracterizar para esses maciços todas as eventuais variações no seu estado de alteração, desde as mais uniformes em relação à profundidade até as mais heterogêneas em consequência das descontinuidades existentes. No caso de vertedouro que termina em salto de esqui, uma nova componente é adicionada ao poder erosivo das águas restituídas: o impacto causado pela queda d'água sobre o maciço rochoso. Nesse caso, o poder de erosão das águas restituídas poderá escavar fossas muito profundas no maciço rochoso, trazendo alguns problemas se o mecanismo da erosão e transporte do material erodido não for previsto antes da operação da obra. Ocorre que, à medida que a fossa vai se aprofundando, os blocos resultantes da erosão podem ir se acumulando em sua

borda de jusante (Fig. 5.4), formando barreiras ao fluxo de jusante, que passa, com o decorrer do tempo, a funcionar como uma barragem. À medida que essa barragem vai crescendo com o acúmulo de materiais, o nível do rio a montante dela poderá ser elevado, comprometendo eventuais estruturas da obra, como casa de força, pé da barragem etc.

FIG. 5 .4 Fossa de erosão a jusante de vertedouro

Para evitar tais problemas, a fossa deverá ser pré-escavada, reduzindo, assim, o transporte do material resultante da erosão natural das águas efluentes. A profundidade de escavação da fossa deve ser prevista em função das características inerentes ao projeto e ao maciço rochoso. A equação utilizada pela maioria dos projetistas para calcular a profundidade da erosão na fossa é: de = K. q 0,54 . H0,225 onde: de - profundidade de erosão medida a partir do NA de jusante; K - coeficiente de resistência à erosão do maciço rochoso;

5 - Geotecnia das obras complementares

q - vazão específica (m 3 / s/ m);

1 111

5.4 ÜBRAS SUBTERRÂNEAS

H - desnível (m) entre o NA de montante e o NA de jusante. O valor de K nessa equação tem variado muito de autor para autor, desde 0,525 (USBR) até 1,9 (Veronese). No trabalho In-

vestigação geomecânica a jusante de vertedouros com dissipador em salto de esqui, Brito (1991) estabeleceu critérios geológicos para estimar o valor de K. Primeiramente, esse autor definiu um quadro classificatório para o maciço rochoso em função das características das descontinuidades e condicionantes geomecânicas da rocha. Com base nas classes de maciço assim identificadas, estabeleceu um zoneamento para um gráfico que relaciona a variável qº• 54 . Hº· 225 com a profundidade de erosão a partir do NA de jusante. Na Fig. 5.5 acham-se reproduzidos o quadro classificatório e o gráfico para zoneamento do valor de K proposto por Brito (1991). Como exemplo de aplicação dessa metodologia, pode ser citado o projeto da barragem de !rapé, em Minas Gerais, cujos valores relacionados com o maciço rochoso foram: • resistência: Rl; • diâmetro médio do bloco de rocha: 0,5 a 1,0 m; • padrão de descontinuidade: PES.

5.4.1 Tipos de obras subterrâneas As obras subterrâneas para barragem podem ter as mais variadas finalidades, e as principais são: • desvio do rio na fase construtiva; • vertedouro; • adução para casa de força ou para abastecimento; • acesso a obras subterrâneas; • chaminé de equilíbrio; • câmara de válvulas; • casa de força; • restituição de águas turbinadas. Com relação à geometria, essas escavações podem ser classificadas em dois tipos: túneis e cavernas. No primeiro caso, estão as escavações em que a extensão é muito superior à largura e à altura, e nelas incluem-se as escavações para desvio, vertedouro, aduções, acesso, chaminé de equilíbrio e restituição das águas turbinadas. No segundo caso, a extensão é pouco superior às outras dimensões, incluindo-se aí as escavações para casa de força e câmara de válvulas. Com relação à horizontalidade, as cavernas são sempre dispostas na horizontal; a chaminé de equilíbrio é um túnel vertical e os demais túneis podem assumir qualquer

Com base no quadro classificatório, o maciço rochoso enquadrou-se na Classe IV. Pelo gráfico de zoneamento do valor de K, esse parâmetro varia entre 0,9 e 1,5, tendo

posição. Finalmente, quanto à temporaneidade, os túneis de desvio são as únicas obras temporárias, sendo desativadas após

sido escolhido o valor médio dessa faixa, ou

a conclusão das obras, embora possam con-

seja, 1,2. Em função dos dados de projeto,

tinuar com um trecho em funcionamento

calculou-se em 47 m a profundidade da fossa de erosão.

quando são parcialmente aproveitados como vertedouro.

114

1 Geologia de Barragens

/2

..

.

.

.

..

/

/ttttlff111 I /

0

FIG. 5.6 Emboques em túneis: (a) talude suave em solo; (b) talude íngreme em solo; (c) emboque em rocha com descontinuidade mergulhando no mesmo sentido da encosta; (d) emboque em rocha com descontinuidade mergulhando no sentido contrário ao da encosta; (e) intersecção de descontinuidades sobre o emboque

surge a possibilidade de um aprofunda-

A orientação das descontinuidades em

mento diferencial do perfil de alteração,

relação ao traçado pode exercer influência

tornando totalmente heterogêneo o contato

muito variada na estabilidade do teto e das

solo/ rocha.

paredes laterais de escavação. Com base na

A Fig. 5.7a mostra um túnel que atra-

estratificação, por ser a descontinuidade

vessa um maciço relativamente homogêneo,

mais uniforme do maciço rochoso, podem-

com exceção do trecho indicado por C, onde

-se analisar quatro casos distintos:

uma descontinuidade litológica ou estrutu-

• Caso 1: rocha laminada com o teto do túnel paralelo à laminação (Fig. 5.7b). A rocha é considerada laminada quando composta por uma sucessão de leitos paralelos, cujas espessuras são pequenas em relação ao diâmetro ou à altura da abertura, e quando a ligação entre os leitos é nula ou possui resistência inferior à resistência à tração dos leitos rochosos. Nesse caso, o maciço pode ser considerado isotrópico para a análise de estabilidade das paredes, que serão estáveis, mas o teto oferece grandes

ral, recebendo o fluxo de águas superficiais, propiciou o aprofundamento diferencial do manto de alteração. As investigações geológicas devem ser bastante detalhadas para prever situações como a indicada nessa figura e nortear um programa de investigações que identifiquem a real situação do maciço rochoso nos pontos B e C. O ideal é que o túnel possua um recobrimento de rocha sã pelo menos igual a duas vezes o seu diâmetro.

5 - Geotecnia das obras complementares

oblemas de estabilidade, em função das :3acterísticas de resistência de cada leito, que será discutido mais adiante.

1 115

Para 70° < a < 90°, a situação de estabilidade da escavação dependerá do estado de tensões do maciço rochoso. Se as tensões horizontais forem superiores a 1 / 3 das tensões verticais, o maciço rochoso pode ser considerado isotrópico e alguma caída de blocos do teto e das paredes pode eventualmente ocorrer. Para evitá-la, utilizam-se

• Caso 2: descontinuidade inclinada

e paralela ao traçado do túnel (Fig. 5.7c). Se a= 0°, a situação é idêntica ao caso 1. Para 0° < a < 20°, não haverá problema ::.e estabilidade nas paredes, mas a situação :io teto será crítica e, geralmente, a forma ::o teto do túnel será condicionada pela la;ninação (Fig. 5.7d).

chumbadores . Caso crh < 1 /3 crv, as tensões de tração criarão grandes problemas de instabilidade no teto da escavação. Para 20° < a < 70°, a situação de instabilidade no teto é semelhante ao caso

0

0

-u

- ------- -

y....__

.

z

'' Y,

0

...__

r1/' _J ...__ /

.... x

CD

1

1

z z

FIG. 5.7 Diferentes situações do traçado de um túnel: (a) decomposição diferencial das rochas; (b) descontinuidade horizontal; (c) e (d) descontinuidade paralela ao túnel com inclinação para um de seus lados; (e) e (f) descontinuidade perpendicular ao túnel; (g) descontinuidade vertical com inclinação qualquer em relação ao tú nel

116

1

Geologia de Barragens

anterior, porém a instabilidade das paredes é maior, sendo mais iminente a ruptura por cisalhamento em um dos lados da escavação. • Caso 3: descontinuidade inclinada e perpendicular ao traçado do túnel (Fig. 5.7e). Se B= 0°, a situação é idêntica ao caso 1. Para 0° < B< 20°, a situação das paredes é idêntica ao caso 0° < a < 20°, mas a situação do teto é bem diferente. Agora o túnel corre na direção do mergulho da descontinuidade e, se ocorrer uma camada de baixa resistência (Fig. 5.7.f), será muito extenso o trecho em que o túnel terá tal camada como teto, e isso exigirá um severo programa de estabilização com tirantes. À medida que Bvai aumentando, diminui a necessidade de ancoragem no teto, e não haverá problema de estabilidade para as paredes, qualquer que seja o valor de p. A melhor situação de intersecção de uma descontinuidade por um túnel horizontal é quando p = 90°. • Caso 4: descontinuidade vertical e fazendo um ângulo qualquer com a direção do túnel (Fig. 5.7g). Para y = 90°, a situação corresponde ao caso em que a = 90°. Para y = 0°, a situação é idêntica ao caso em que P= 90°, ou seja, é a melhor situação para a abertura de um túnel horizontal. Para 70° < y < 90°, as condições do teto e das paredes assemelham-se à situação em que a= 90°. Para 20° < y < 70°, algum suporte pode ser necessário no teto e nas paredes.

5.4.3 Influência do estado de tensões O comportamento geomecânico de um maciço rochoso ao ser escavado por um túnel ou qualquer outro tipo de escavação subterrânea é ditado pelo estado de tensões gerado no entorno da abertura. No caso de uma escavação circular, a tensão tangencial às paredes de escavação, sejam no teto ou lateralmente, desenvolve-se conforme indicado na Fig. 5.8a. Nessa figura , a s é a tensão tangencial e CTy, a tensão vertical. Observa-se que na crista do teto as tensões são negativas e de mesmo valor de ªy· Ocorre, assim, uma tração horizontal no topo do teto do túnel de intensidade igual à tensão imposta pelo peso da rocha, considerando o efeito de arco imposto pela abertura. As tensões tangenciais negativas se anulam aproximadamente a 1/ 3 do arco compreendido entre o raio na vertical (y) e na horizontal (x). A partir daí, as tensões tangenciais são compressivas, assumindo o valor máximo na perpendicular à horizontal, quando são correspondentes a 3ay. Nessas circunstâncias, pode-se prever que as tensões de tração no teto propiciarão a abertura de fraturas paralelas ao traçado do túnel, além de facilitarem a flexão de camadas sub-horizontais. Por outro lado, as tensões compressivas que se distribuem para as paredes laterais aumentam as possibilidades de ruptura por cisalhamento ao longo dessas paredes, principalmente quando as descontinuidades possuem um ângulo a > 70° (Fig. 5.7c). Com relação ao teto, deve-se analisar se a geometria das descontinuidades, já

5 - Geotecnia das obras complementares 1 117

entada no item anterior, não exacerba

problemas de rock bursts ou explosões na-

-?Oblema criado pelas tensões de tração.

turais de rocha, quando grandes blocos

: casos mais críticos, devem-se executar

podem ser destacados violentamente para

·os de flexão, deformabilidade e tração rochas que compõem o teto.

o interior da escavação. O problema das paredes laterais deve ser

_ o caso de laminações horizontais

observado com mais atenção quando dois

m aciço no teto, os valores de deflexão,

ou mais túneis são abertos em paralelo,

ão de cisalhamento e tensão de tração

muito próximos entre si. Nesse caso, o es-

-~e atuam em uma lâmina de rocha no teto

paçamento entre os túneis funciona como

:o dados pelas seguintes expressões:

um pilar, o qual receberá o efeito do arque-

-

y· L4

;nãx -

3y· L ' max , =-- cr max , 32E · t 2 4

y- L2

=-t 2

amento das tensões verticais provenientes das duas escavações atuando simultaneamente. Assim, enquanto no caso de uma só abertura a tensão cre - que assume o maior

n de: áx

valor quando atua perpendicularmente

= deflexão máxima;

-=roáx = m áx

no eixo horizontal (Fig. 5.8a) - decresce

tensão de cisalhamento máxima;

= tensão de tração máxima;

rapidamente para o interior do maciço, tornando nulo o efeito da abertura a uma

:, =

vão da lâmina no teto;

distância igual ao diâmetro da abertura

- =

espessura da lâmina;

(Fig. 5.8b), esse efeito é somado quando

· = peso específico da rocha;

duas aberturas são feitas muito próximas

E = módulo de deformabilidade da rocha .

(Fig. 5 .8c). Nesse caso, a tensão no "pilar" é calcu-

Para as paredes laterais, as consequências

lada pelo valor médio <Jp, que depende da

do esforço compressivo não são as mais de-

relação entre o diâmetro da escavação (w0 )

sastrosas, a não ser que o estado de tensões

e o espaçamento entre escavações (wp).

n aturais ou virgens seja muito elevado, em

Por exemplo, para uma relação w 0 / wp = 5,

função da tectônica local, podendo levar a

a tensão vertical que atua no "pilar" (crp)

3

cro Cl"y

A+B cro = p-

crp = (1 + WofWr)cry

FIG. 5.8 Distribuição de tensões no en torno de túneis: relação entre cre e cry nas paredes do t únel (a) e no entorno do t únel (b); tensões sobre o pilar formado por dois túneis próximos (e)

118

1 Geologia de Barragens

existente entre as escavações é igual a 6cry,

parede podem ser calculadas para diversas

o que pode ser suficiente para provocar a

formas de escavação, a partir do conhe-

ruptura do pilar. Em função das descontinuidades exis-

cimento do estado de tensões virgens do maciço rochoso (segundo Hoek e Brown,

tentes, torna-se necessário, nesses casos,

1980). A título de exemplo, considere-se

calcular a resistência do maciço rochoso

que O"x = cry e que Pz = 2,70 MPa. Analise-

que integra o pilar e dividir essa resistência

-se as tensões que atuam no teto (crr) e na

pela tensão calculada pela equação de <Jp,

parede lateral (cr5) para os seguintes tipos

na Fig. 5.8c. Essa relação constitui o fator

de abertura: a) circular; b) elíptica com o

de segurança do pilar contra a ruptura.

maior eixo na vertical; c) elíptica com o maior eixo na horizontal.

5.4.4 Influência da geometria do túnel

Observa-se que cada tipo de abertura apresenta um estado de tensões diferente.

A forma do túnel induz variações muito

Assim, quando for possível variar a forma

significativas no estado de tensões gerado

da escavação, deve-se conciliar a forma es-

no entorno da cavidade, ou, mais precisa-

colhida com as consequências que o estado de tensões impuser à escavação, principal-

mente, no teto e nas paredes. Na Fig. 5.9 são mostrados gráficos com base nos quais as tensões no teto e na

mente levando em conta a geometria das descontinuidades do maciço rochoso.

12

Valores das contantes A e B

~ = (Ak - 1) Pz

11

'""' ººººººººº

10

150:::

9

.a

8

6

o .!: e:

7

5

"' "' :e

6

.8 C1J

A

5,0 4,0 3,9 3,2 3,1 3,0 2,0 1,9 1,8

B

2,0 1,5 1,8 2,3 2,7 3,0 5,0 1,9 3,9

+- ·;;:;

E u

.·x.,,

E >

o o

5

~ ~

4

2 ·;;:; o .!: e: ro E u

"'

·x

o

'"'"'

=(B-k)

3

3

2

:;::;

:;;

•ro

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o o ,ro 'Bl

N

o:'.

Pz

15 o::: 4 .8 .a'

C1J

'Ble: 'Ble:

~

2

V,

e:

e:

~ ~

o -1

o

'"'ro

o -1

N

o:'.

o

2

3

4

Razão = Tensões horizontais "in situ" = k Tensões verticais "in situ"

-2 -30

2

3

Razão = Tensões horizontais "in situ " = k Tensões verticais " in situ"

FIG. 5 .9 Inf/.uências da forma do túnel sobre as tensões que atuam em seu entorno Fonte: Hoek e Brown (1980).

4

5 - Geotecnia das obras complementares

5.4.5 Classificação geomecânica Em função das características geológicas ::: geomecânicas do maciço rochoso, deve-se .:lassificar esse maciço com o objetivo de defi;!IT a sua aptidão para escavação subterrânea. ~xistem várias classificações geomecânicas ?
b

e

crr

5,40

10,80

2,97

crs

5,40

2,70

10,80

A Tab. 5.1 apresenta a classificação de ieniawski, por ser a mais simples e, por :sso, a mais utilizada. Nessa classificação, são levados em conta critérios geológicos (características as descontinuidades), hidrogeotécnicos condições de percolação da água subterrâ:::iea) e geomecânicos (RQD e resistência à compressão). A título de exemplo, segundo essa classificação, o maciço rochoso da barragem de Irapé (MG) apresentou, para as diversas obras subterrâneas previstas naquele projeto, um somatório de índices que 'ariou entre 67 e 87 pontos, o que permite classificar aquele maciço como bom a muito bom para obras subterrâneas.

5.5 ÁREAS DE ACAMPAMENTO E DE CANTEIRO DE OBRAS

As áreas de acampamento e, principal-

1 119

mente, de canteiro de obras, geralmente são localizadas em função de dois aspectos principais: proximidade da obra e condições topográficas. Assim, é pouco provável que o fator geológico pese muito na escolha dessas áreas, razão pela qual o papel da geologia nesses casos tem sido resolver os problemas gerados por uma localização que não atenda às melhores condições geológico-geotécnicas. Em geral, os problemas nessa área são: • instabilidade de taludes em cortes e aterros; • geração de focos de erosão; • inundações em áreas baixas próximas às obras; • obtenção de água para consumo. Outros problemas são ligados à degradação ambiental e serão abordados no Cap.11 . A área de acampamento, por exigir extensões maiores, geralmente fica mais distanciada da obra, e sua localização pode ser mais adequada às condicionantes geológicas, geotécnicas e hidrogeológicas. Nesse caso, o problema de inundação pode serdescartado, pois geralmente o acampamento fica localizado em áreas mais elevadas. Dependendo do porte da obra, o consumo de água para o acampamento pode ser o maior problema e, nesse caso, o geólogo deve perscrutar as melhores possibilidades de exploração das águas subterrâneas, pois, além de constituir uma captação mais barata, pode eliminar maiores aduções e sistema de tratamento. Tal solução também implica problemas ambientais muito menores que a captação de água superficial, principalmente se for necessária a construção de barragem para esse fim.

TAB. 5.1

Classificação geomecânica de maciços rochosos p ara túneis

~í_n_d_ic_e_d_e_c_o_m_p_r_e_ss_ã_o_p_o_n_t_ua_l-+-___8_M_P_a_ _ _+-___4_-8_M_Pa_ _ _+-_ _ 2_-4_M_P_a_ _-+-___1_-2_M_P_a_ _--+_U_t_ili_z_ar_e_n_s,a_io_d_e_co_m-.-p_r._s_im_pl_e_s 10-25 3-10 1-3 MPa ~ ~ ~ Resistência à compr. simples 200 MPa 100-200 MPa 50-100 MPa 25-50 MPa MPa MPa ~ ~ 1------------+----------+----------+--------+----------+----+----+---7 4 Peso relativo 15 12 2 1 O -~

r<J

~.c~-u

25-50 R.Q.D. % 25 90 -100 75-90 50-75 21-- - - - - - -- -- - - - - - - 1 - - - - - - - - + - - -- - -- - - + - - - - - - - -1 - - - - - - - - + - - - -- - - - - - - - 17 13 Peso relativo 20 8 3 1-3 m 0,3 -1 m 50-300 mm Espaçamento de fraturas 3m < 50 mm 31-----'---'-------------1--------+---------+--------1--------+------------25 20 10 Peso relativo 30 5 Superfícies estriadas Superfícies Superfícies Preenchimento mo le Superfícies pouco muito rugosas. Não pouco rugosas. ou preench. < 5 mm > 5 mm ou abertura rugosas. Separação Condições das fraturas 4 contínuas. Fechadas. Separação < 1 mm. ou abertura 1-5 mm. > 5 mm. Fraturas contínuas < 1 mm. Paredes duras Fraturas contínuas Paredes duras Paredes moles 20 12 6 o Peso relativo 25 25-125 L/mi r ou > 125 L/min ou < 25 L/min ou rd Infi ltração em 10 m de túnel nen huma ou
cê 5

...,
..o :J

V,

Relação: Pressão de água na fratura Tensão principal máxima

0,0-0,2 ou

0,2-0,5 ou

0,5 ou

Completamente seco

Umidade

Água sob pressão moderada

Prob lemas graves de água

10

7

4

o

Aceitável -5

Desfavorável -10

M uito desfavorável -12

Ili Regu lar 60-41

IV Pobre 40-21

V Muito pobre

1 semana para vão de 3 m 150-200 kPa

5 horas para vão de 1,5 m 100-150 kPa

35°-40°

30°-35°

Oou _ _ _ _ _ __

rd :J

b.O ·<(

Cond ições gerais Peso relativo

Ajuste para orientação das descontinuidades

Direção e mergulho Peso relativo

Muito favoráve l

o

Favorável -2 Classes de maciço

Classe nº Descrição Soma dos pesos rel ativos

Muito bom 100-81

li Bom 80-61

20

Significado das classes

Tempo méd io de autossustentação Coesão Ângulo de atrito 1,,,,1,

1111 111 1 • 11 ( I" /1,

10 anos para vão de 5 m > 300 kPa > 45°

6 meses para vão de 4 m 200-300 kPa 40°-45°

10 mi n para vão de 0,5 m < 100 kPa < 30º

5 - Geotecnia das obras complementares

Deve-se levar em conta que tanto a área de acampamento quanto a de canteiro de obras podem constituir-se em obras permanentes. A primeira, por ser geralmente utilizado o acampamento para outra finalidade após a construção da obra; a segunda, porque em grande parte dessa área serão construídas obras . Assim, os problemas gerados não devem ser tratados como se relativos a obras temporárias, onde as soluções nem sempre são duradouras.

5.6 ACESSOS Os acessos também serão, em grande parte, utilizados após a construção das obras, exceto aqueles para áreas de empréstimos e pedreiras. Assim, deve-se tratá-los como obras permanentes, com seus traçados definidos no sentido de evitar grandes obras de infraestrutura e oferecer a máxima segurança ao tráfego de veículos leves e pesados. Os maiores problemas para a escolha do traçado são relacionados com a interação topografia/geologia. A dificuldade de atingir os vales mais profundos através de encostas muitas vezes com acentuada declividade impõe soluções que nem sempre conseguem evitar a ocorrência de problemas geológico-geotécnicos. Nesse caso, os maiores problemas relacionam-se com a estabilidade de taludes de corte e aterro nas estradas a meia encosta. Os principais aspectos a observar nesses taludes são: • natureza geológica do talude a proceder o corte; • características de resistência ao cisalhamento do solo;

1 121

• presença de estruturas reliquiares no solo e no saprólito; • relações entre as descontinuidades do maciço rochoso e o talude do corte; • natureza da cobertura vegetal da encosta; • presença de trincas a montante da área de corte; • relação entre as drenagens de encosta e os taludes a serem abertos; • características da encosta onde será executado o aterro; • possibilidades de uso do material de corte no aterro; • localização de bota-fora proveniente de material de corte não aproveitado; • eventuais jazidas de empréstimos para aterro. Nas encostas de elevada declividade, deve-se estudar a possibilidade de construir estradas mais estreitas e de mão única, conforme mostra o esquema da Fig. 5.10a. Essa solução apresenta as seguintes vantagens: • economiza a escavação do trecho hachurado na figura; • reduz a altura de corte, o que aumenta a segurança do talude; • reduz o risco de abalroamento de veículos; • facilita a drenagem, o que reduz os problemas de erosão. A única desvantagem é impedir as ultrapassagens, principalmente na eventual quebra de veículos . Isso pode ser resolvido com a construção de alguns nichos (Fig. 5.10b).

122

1

Geologia de Barragens

f-----,

-

------

-

Mão única Mão dupla

5 .1 0 Infl.uência da topografia nas estradas de acesso: (a) configuração em dua s vias de mão única; (b) construção de nichos para ultrapassagens ou para atender à quebra de veículos

FIG.

5.7 ENSECADEIRAS

Ensecadeiras são obras de barramento temporário para permitir a construção da barragem e obras complementares em terreno seco. Para tal, deve-se construir uma ensecadeira a montante e outra a jusante da barragem, e desviar o curso do rio a partir do lago formado pela ensecadeira de montante até ultrapassar a ensecadeira de jusante. Esse desvio pode ser feito por meio de canal, mas geralmente é feito por meio de túnel, que será posteriormente tamponado ou aproveitado parcialmente como obra definitiva (limpeza de fundo ou vertedouro). As ensecadeiras podem também ser destruídas após a conclusão da obra ou incorporadas à própria obra. Embora constituam um problema construtivo, de responsabilidade do engenheiro projetista, as ensecadeiras também apresentam problemas de fundações, além de algumas implicações com a própria obra de barramento, razão pela qual serão abordadas no presente capítulo.

Em princípio, as ensecadeiras podem ser consideradas "obras de risco", pois, além de dimensionadas para vazões estimadas para tempo de recorrência curto (10 a 50 anos), terão que ser construídas por meio do lançamento dentro do rio, sem qualquer compactação artificial, o que exige muita engenhosidade não só em seu projeto, mas principalmente em sua construção. 5.7.1

Configuração em planta

A disposição das ensecaderias em planta depende de dois aspectos: largura do rio e arranjo das obras. Em função desses dois aspectos, pode-se optar por um dos seguintes tipos de disposição: barramento parcial ou barramento total do rio. No barramento parcial, a ensecadeira tem a forma de U deitado, com as duas extremidades fixadas nas margens do rio e a parte curva dentro do rio (Fig. 5.lla). Nessa opção, a obra é construída em duas ou mais etapas . No caso mais simples (duas etapas), a obra é construída na primeira etapa, no interior do U, que e

5 - Geotecnia das obras complementares 1

:-reviamente secado por meio de bombeaento da água que aí ficará retida. Nessa e~pa, o rio continua fluindo no trecho não :::nsecado (Fig. 5.lla). A obra construída essa etapa deve incluir as estruturas de :oncreto necessárias (vertedouro, toma.ias d' água etc.), devidamente providas de adufas para permitir o fluxo das águas na segunda etapa. Concluída a primeira etapa, ..:estroem-se as ensecadeiras em forma e U, permitindo que o fluxo do rio passe -ambém pelas adufas. Inicia-se a segunda etapa pela construção de duas novas enecadeiras que irão abraçar a estrutura de concreto já existente, direcionando o à uxo do rio para as adufas construídas Fig. 5.llb). Secando-se o novo trecho ensecado, completa-se a construção da barragem conforme mostrado nessa figura . Findo o processo, eliminam-se as ensecadeiras, fecham-se as adufas e inicia-se o enchimento do reservatório formado . A grande vantagem dessa alternativa é dispensar o desvio do rio. No barramento total, são construídas duas ensecadeiras e um dispositivo de

~1

0 o o

....,"'

:~ "D

E Q)

"'

é a mais empregada quando o curso do rio apresenta uma largura que não permite o seu barramento parcial para a construção da barragem. O exemplo dessa figura corresponde à barragem de Foz do Areia, no Paraná.

5.7.2 Construção da ensecadeira a) Ensecadeira fundada em rocha A ensecadeira fundada em rocha é construída em duas etapas: pré-ensecadeira e alteamento. A pré-ensecadeira é executada com material lançado sem compactação, preferencialmente na época em que a vazão do rio encontra-se mais reduzida. Em geral, a pré-ensecadeira é construída de forma submersa, por um trecho em enrocamento, seguindo-se em direção de montante, por um material de transição (pedrisco e areia) e por um material vedante (argiloso), como indicado na Fig. 5.13. O alteamento, por sua vez, é executado com uma parte submersa (enrocamento), porém a maior parte é construída a seco, com compacta-

Ensecadeira de montante

:::,

ü:

o o

·;::

o o "D oX

"D

Adufas

·;::

-e"'

111111

Q)

111111 111111

:::, O"

111111

:::,

V,

11111 1

Q)

11111,

ü:

E Q)

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·;:: "D

-e"' Q)

:::,

~

'6 E

Q)

E Q)

Q)

t>O

~

!:_ll

~ CM

Ensecadeira de jusante FIG. 5.11

o o "D oX

·;::

CD

!:_ll

~

desvio do rio (Fig. 5.12). Essa alternativa

Ensecadeira

·;::

"D

123

Ensecadeira por barramento parcial do rio: (a) primeira etapa; (b) segunda etapa

"'

~

124

1

Geologia de Barragens

ção (Fig. 5.13). A parte emersa geralmente é constituída por um enrocamento a jusante e um material vedante (argiloso) a montante, com a transição entre esses materiais construída por areia e pedrisco. Embora os materiais aqui apresentados sejam os mais comumente utilizados para a configuração das ensecadeiras, são conhecidas ensecadeiras compostas dos mais diferentes tipos de materiais, como estacas de aço, madeira, sacos de areia e cimento, enrocamento injetado com argamassa e até de concreto, como a ensecadeira da barragem de Funil, no Rio de Janeiro. Também é comum fazer a incorporação das ensecadeiras no próprio corpo da barragem (Fig. 5.14); nesses casos, porém, embora constitua urna solução econômica, é necessário que sejam rigorosamente obedecidos os mesmos requisitos de segurança adotados para a barragem.

b) Ensecadeiras fundadas em solo Geralmente o solo existente no leito do rio é de origem aluvionar e, na maioria das vezes, constituído por areia ou cascalho. Ocorre que, em rios que alternam períodos de baixas e de elevadas vazões, pode haver alternância de materiais finos

Tú neis de desvio

Ensecadeira

\'1'l!WIIJl.!illlt,- ✓ de jusant e

FIG. 5 .1 2 En secadeira por barramento total do rio

(barragem de Foz do Areia - PR) Fonte: modifzcado de CBGB (1982b).

e grossos, o que pode criar problemas de deforrnabilidade e estabilidade das fundações dessas ensecadeiras. Nesses casos, é comum lançar sem compactação uma camada de solo arenoargiloso ao longo de uma faixa de largura bem superior à

Alteamento

Material vedante Enrocamento

Pré-ensecadeira

FIG. 5.13 Etapas de pré-ensecadeira e alteamento na construção de um a ensecadeira Fonte: modifzcado de Cruz (1996).

5 - Geotecni a das obras complementares 1 125

Ensecadeira de montante Barragem principal

FIG. 5.14 Ensecadeiras incorporadas à barragem :onte: modif,. cado de Cruz (1996).

oase prevista para a ensecadeira, em todo o trecho submerso, formando uma pré-ensecadeira (Fig. 5.15). O alteamento será eito na parte emersa por meio da compac~ação do material vedante, como mostrado nessa figura, e pode, eventualmente, contar com uma proteção de enrocamento no espaldar de jusante.

5.7.3

Aspectos geotécnicos

a) Fundações Dada a dificuldade de coletar amostras indeformadas de materiais inconsolidados submersos, a caracterização das fundações nos locais previstos para ensecadeiras deve ser feita por meio de sondagens a percussão sobre plataforma fixa ou flutuante , definindo, por meio do SPT e da coleta com amostradores especiais, o tipo de material que recobre a rocha, bem como a sua espessura. Esse estudo deve ser mais detalhado quando se tenciona incorporar a enseca-


b) Materiais de construção Antes de construir as ensecadeiras, é necessário ter um bom conhecimento das disponibilidades de materiais naturais de construção, para evitar que o seu uso nessas obras comprometa a sua utilização na barragem principal. Como exemplos da nefasta interferência entre a ensecadeira e a obra, no que tange à utilização de materiais de construção, podem ser citadas as barragens de Passaúna e de Rosana. No primeiro caso, a utilização de solo argiloso nas ensecadeiras comprometeu o volume necessário desse material para a construção do núcleo da barragem. No segundo caso, foi necessário utilizar solo-cimento para construir o rip-rap da barragem porque as ensecadeiras consumiram os poucos blocos de rocha não desagregável que poderiam ser utilizados como rip-rap.

Solo Compactado

Solo de vedação lançado Aluvião

FIG. 5 .15 Ensecadeira fundada em solo ionte: modif,. cado de Cruz (1996).

6

Investigações para obras de barragens

Entende-se por investigação ou pes-: ·sa no estudo de uma barragem o : nj unto de operações que permitam ..;.:na perfeita caracterização de todas as -_·çõ es geológicas e geotécnicas passíveis - ser relacionadas com a implantação -.,sse tipo de obra. A metodologia da - squisa envolve desde a investigação - campo, incluindo os estudos superfi·s, os diferentes meios prospectivos e - ensaios tecnológicos desenvolvidos in u, até os testes realizados em laborario. Os estudos superficiais iniciam-se escritório por meio do levantamento e = análise dos dados fisiográficos , geoló- os, hidrogeológicos e geotecnológicos =o apenas do local de barramento, mas - oda a bacia hidrográfica contribuinte. rue-se, ainda no escritório, a caractericào preliminar dessa área por meio da -ointerpretação geológica. Esses estutê m continuidade em campo, com a _rição da fotogeologia , caracterização itu dos aspectos geológicos e geotécos da bacia e dos locais de obra, além ·dentificação superficial dos materiais rais de construção e dos prognósti- dos impactos ambientais. .Sssa pesquisa superficial acha-se detapor etapa de investigação no Cap. 2 Será concluída com a programação das est:igações subsuperficiais, por meio dos entes tipos de prospecção, bem como _ ensaios que se fizerem necessários para

o perfeito conhecimento das feições geológicas e geotécnicas do projeto a implantar. O mais importante na programação dessa pesquisa é racionalizar o seu uso em função das reais necessidades requeridas por cada etapa de investigação discutida no Cap. 2. Isso porque o custo dessas investigações cresce muito com o grau de detalhamento requerido nas fases de projeto básico e projeto executivo, razão pela qual é totalmente desaconselhável a realização de métodos mais avançados de investigação antes que seja comprovada a viabilidade técnica e econômica da obra na etapa de viabilidade. Esses cuidados devem levar em conta não apenas o tipo de investigação, mas também a sua quantificação, uma vez que alguns tipos de prospecção e de ensaios são iniciados já na fase de viabilidade, como mostrado no Cap. 2, continuando nas fases de detalhamento do projeto. Assim, deve-se quantificar um número m ínimo desses processos investigatórios na fase de viabilidade, desde que atendam à necessidade a que se propõem, e aumentar esse número nas etapas seguintes. Outros aspectos relevantes na programação de uma investigação são: tipo de obra, porte da obra, natureza geológica do local de implantação, riscos envolvidos e meio ambiente. Explicitou-se no Cap. 2 que uma das recomendações a ser feita no relatório relacionado com a fase de inven-

128

1

Geologia de Barragens

tário ou plano diretor seria a indicação do melhor tipo de barragem a projetar para o local a ser investigado. Nessas circunstâncias, o geólogo encarregado de programar as investigações a partir da etapa de viabilidade deve estar certo de que as pesquisas programadas são as mais adequadas para o tipo de barragem preconcebido. Se as condicionantes envolvidas com a obra prevista contemplarem outros tipos de obra que, na fase de viabilidade, possam ser cotejados com o tipo preconcebido, é obrigação do geólogo abrir o leque de investigações de modo a atender às necessidades exigidas pelos demais tipos passíveis de ser projetados. O porte da obra também influi muito na programação das investigações. Assim, uma barragem com 20 m de altura deverá, em princípio, exigir uma investigação bem menos onerosa que uma barragem com 100 m ou mais de altura. A natureza geológica do local de implantação das obras, tanto da própria barragem como das obras auxiliares discutidas no Cap. 4, é fundamental para uma perfeita adequação dos processos investigatórios . Por exemplo, é muito diferente o tipo de investigação programada para uma barragem implantada sobre uma aluvião espessa, daquele indicado para uma fundação rochosa. Os riscos envolvidos pela obra são geralmente associados à possibilidade de ruptura da barragem. Para minimizar esses riscos, a investigação deve esclarecer muito bem todas as feições que possam comprometer a segurança das obras a projetar, bem como as possíveis consequências de um acidente catastrófico para as populações localizadas a jusante das obras.

Finalmente, as investigações devem ser programadas com a preocupação de reduzir significantemente os impactos ambientais decorrentes da implantação das obras associadas à barragem a projetar. Nas investigações que serão comentadas a seguir, será sempre indicada a melhor forma de sua utilização em cada etapa de projeto e, quando possível, quantificado o tipo de pesquisa abordado. Embora os diversos tipos de prospecção e de ensaios sejam normalmente terceirizados com companhias especializadas, é necessário que o geólogo responsável pela Geologia e Geotecnia de um projeto de barragem conheça as particularidades, vantagens e desvantagens de cada investigação. Esse conhecimento não apenas lhe permite adequar cada método programado à sua situação específica, mas também lhe proporciona meios de promover uma melhor fiscalização dos trabalhos contratados.

6.1 TIPOS DE PROSPECÇÃO

A prospecção para uma obra de barramento é uma forma de pesquisa que visa caracterizar todas as feições naturais do local em que será implantada a obra, não apenas em superfície, mas até a profundidade que poderá interferir ou sofrer interferência dessa obra. Em função do contato com essas feições , principalmente geológicas e geotécnicas, a prospecção pode ser: indireta, semidireta e direta. A prospecção indireta é aquela em que não há qualquer contato entre o investigador e o material investigado, e o conhecimento desse material é obtido por meio da identificação de suas pro-

6 - Investigações para obras de barragens 1

:-riedades físicas. Essa identificação é .ealizada por meio da Geofísica, e as prinapais propriedades físicas investigadas são: velocidade de propagação de ondas sísmica), condutividade elétrica (eleorresistividade), propriedade dielétrica radar), densidade (gravimetria) e suscetiilidade magnética (magnetometria) . No . resente texto, serão abordados apenas os rrês primeiros métodos geofísicos citados, :>ar serem aqueles que encontram maior aplicação nos projetos de barragem. A prospecção semidireta não leva o ::nvestigador até a profundidade em que o material (solo ou rocha) se encontra, ;nas permite o seu contato direto por meio e amostras colhidas pelos diversos tipos e sondagens. A prospecção direta, por -ua vez, permite ao investigador um con~ato direto com o material investigado, ?ºr meio de escavações como poços, trincheiras e túneis . A seguir, serão comentados esses diferentes tipos de prospecção, sempre com a indicação de suas vantagens e desvan~agens, não apenas operacionais, mas também em função da relação custo/ beefício.

129

elétricas, entre as quais podem ser citadas: potencial elétrico, condutividade elétrica (ou o inverso, resistividade elétrica), constante dielétrica e permeabilidade magnética. Dessas propriedades, a condutividade elétrica é a mais importante para a prospecção elétrica; as demais têm uma significância bastante reduzida. O método de eletrorresistividade baseia-se, fundamentalmente, na Lei de Ohm, descoberta experimentalmente pelo alemão Georg Simon Ohm (Feitosa et al., 2008). Essa lei expressa a proporcionalidade entre a intensidade de corrente elétrica que percorre um condutor metálico e a diferença de potencial entre os terminais desse condutor (Fig. 6.1).

Condutor de comprimento t.L, resistência t.R e seção transversal t.A n

m

)l

_é'_

l'> L

M

)

l'>R

l'>i

_____;_

Vm · Vn = -l'>V

i - intensidade da corrente elétrica (amperes) R - resistência do material à passagem da corrente elétrica (ohms) V - potencial nos terminais M e N (volts) L - comprimento do tubo condutor (m) A - seção do tubo condutor (m 2)

6.2 PROSPECÇÃO INDIRETA

6. 2 .1 Eletrorresistividade a) Princípios do método elétrico A prospecção elétrica baseia-se nos efeitos produzidos pela passagem de uma corrente elétrica através de solos e rochas. Os minerais que constituem esses materiais apresentam diversas propriedades

FIG. 6.1 Fundamentos da Lei de Ohm

Pela Lei de Ohm: (6.1)

A resistência elétrica do condutor varia na razão direta do seu comprimento e na razão inversa de sua seção, resultando na seguinte expressão:

130

1

Geologia de Barragens

(6.2)

trica (p) é a que permite maior variação, a saber, desde 10 16 ohm.m (enxofre puro) até 1,6 x 10- 8 ohm.m (prata nativa).

onde p é o fator de proporcionalidade denominado resistividade. Esse fator, ao

Em função desse valor, os materiais admitem a seguinte classificação:

contrário da resistência, é um parâmetro que caracteriza o material, independen-

Condutor: p < 10- 5 ohm.m

temente de suas dimensões. Pode-se deduzir a medida da re-

Semicondutor: 10-5 < p < 10 7 ohm.m Isolante: p > 10 7 ohm.m

sistividade a partir da expressão (6.2) Muitas rochas que são, por natureza, semicondutoras ou até isolantes, podem

como segue: L1R.M L1L

p=---·

ohm.m m

2 =o

h m.m (,..,. ) ~lm

tornar-se condutoras quando se encon-

Pode-se, em alguns casos, utilizar

tram saturadas, quer através de seus poros (rochas sedimentares) ou de suas

também a unidade ohm.cm (1 ohm.m = 100 ohm.cm). A condutividade elétrica (cr) é o in-

fissuras (rochas ígneas e metamórficas). Nesses casos, a condutividade é eletrolítica, por ocorrer através de um eletrólito,

verso da resistividade, ou seja:

que é a água. Essa condutividade poderá,

1

L1L

p

L1R·M

CT= - = -- -

(6.3)

A Tab. 6.1 mostra exemplos de resis tividade para vários tipos de rochas em

Sua unidade será: 2 a= [m / (ohm.m )] = [1 / (ohm.m)] = [(1 / ohm) · (1 / m)]

ainda, ser bastante elevada em função da concentração de sais contidos na água.

= mho/ m

diferentes ambientes e de idades diferentes, segundo Keller (1966), mostrando que a resistividade aumenta com a idade das rochas e diminui com a umidade,

De todas as propriedades físicas dos minerais e rochas, a resistividade elé-

principalmente se em presença de água salinizada.

TAB . 6.1 Resistividades em função da idade das rochas e do ambiente de formação

Idade geológica

Quaternário Terciário Mesozoico Carbonífero Paleozoico Pré-cambriano

Sedimento marinho (arenito, folhelho etc.)

Sedimento terrestre (arenito, argilito etc.)

Rochas vulcânicas (basalto, riolito etc.)

Rochas extrusivas (granito, gabro etc.)

Rochas carbonáticas (calcário, dolomito etc.)

1 - 10

15 - 50

10 - 200

500 - 2.000

50 - 5.000

5 - 20

25 - 100

20 - 500

500 - 2.000

100 - 10.000

10 - 40

50 - 300

50 - 1.000

1.000 - 5.000

200 - 100.000

40 - 200

100 - 500

100 - 2.000

1.000 - 5.000

10.000 - 100.00

100 - 2 .000

300 - 5.000

200 - 5.000

5.000 - 20.000

10.000 - 100.00C

6 - Investigações para obras de barragens 1

A Tab. 6.2 most ra exemplos do aumento da condutividade de algumas rochas em presença da água, segundo Telord, Geldart e Sheriff (1990). Isso explica porque a argila é muito melhor condutor que a areia. Em primeiro lugar, os grãos da argila são infinitamente menores que os da areia, propiciando uma maior superfície específica para adesão da água em suas partículas; em segundo ugar, porque, como os poros da argila são muito reduzidos, propiciam a entrada da água pelo efeito da capilaridade. Assim, pode-se dizer que a condutividade elétrica das rochas depende dos seguintes fatores : • litologia e composição mineralógica; • porosidade total da rocha; • geometria dos poros e extensão de seu preenchimento; • geometria das fraturas e fissuras e respectivos grau s de abertura; • resistividade da água de saturação (parcial ou total). Por outro lado, a laminação de rochas de origem argilosa, como o folhelho e a ardósia, propicia uma elevada anisotropia TAB.

6.2 Variação da resistividade das

rochas na presença da água p (ohm .m) Rocha % H20 Siltito

0,54 0,38

1,5x1O 4 5,6 X 108

Arenito

1,00 0,10

4,2 1,4

X

Calcário

1,30 0,96

6,0 8,0

X

0,31 0,19

4,4 X 103 1,8 X 106 1010

Granito

o Basalto

0,95

o

X

X

103 108 103 104

4,0 X 104 1,3x1O8

131

na condutividade elétrica, uma vez que a maior retenção da água ocorre nesses planos de estratificação, conferindo maior condutividade ao longo desses planos do que no sentido perpendicular a eles. O mesmo não ocorre com o arenito, cujas propriedades elétricas se aproximam mais de um meio isotrópico.

b) Medição da resistividade A medição da resistividade p do subsolo é feita com a utilização de um sistema quadripolo (Fig. 6.2). Por meio desse quadripolo, o circuito elétrico é fechado através de dois eletrodos (A e B) cravados no solo, permitindo a medição da corrente I no amperímetro. A diferença de potencial (tN ) resultante dessa corrente é medida entre dois outros eletrodos (M e N) cravados no solo, no domínio de influência da corrent e I, por meio de um potenciômetro. Caso a separação dos eletrodos A e B seja pequena e suficiente para determinar com segurança a resistividade de uma única camada (AB 1 na Fig. 6.3), cujas características se aproximem da homogeneidade e isotropia, pode-se considerar como real a resistividade obtida, embora, na prática, essa possibilidade seja remota. O que geralmente ocorre é que a separação entre os eletrodos "capta" a resistividade de duas camadas (AB 2 na Fig. 6.3), ou heterogeneidades e/ou anisotropias dentro de uma mesma camada. Nesse caso, considera-se como resistividade aparente aquela obtida na investigação. Dependendo da separação entre A e B na Fig. 6.3, poderão predominar na re-

1 32

1 Geologia de Barragens Amperímetro

Fonte

•

r·•--····.. ··········••U• " '·····-··-········ .. ········+ 11·•······••U••·······?_circuito AB............. •

,•• •• •n•• ••• .. •••• ................. ... • .. ••• .. ••• • .. • • •• •••\,

l

!

i

A

i Circuito MN

i

;M

i

(tN)

r........ p

..i

••• •

N ; Potenciômetro

8

Linhas de corre nte Equipo~

FIG. 6 .2 Medição da resistividade do subsolo Fonte: modi fi cado de Feitosa et ai. (2008).

A

B,

B,

I

1

dl

I

1 \

p,

I

/

'"

/

p,

---------

Resistividades captadas em mais de uma camada Fonte: modificado de Fernandes (1 984). FIG. 6.3

sistividade aparente final os efeitos da resistividade p1 ou p2 . A resistividade aparente (pa) pode ser medida com o auxílio do quadripolo indicado na Fig. 6.2, por meio da seguinte equação: Pa =K · !'N I

(6 .4)

onde K é a constante geométrica do quadripolo e corresponde à expressão: K= rc- AM· AN MN

A disposição do quadripolo encontra uma grande variedade na literatura especializada, porém os tipos mais utilizados são aqueles dispostos linearmente e que guardam uma simetria entre os quatro eletrodos e um ponto central a eles. São, portanto, denominados quadripolos lineares simétricos. Os dois mais comuns são o Schlumberger e o Wenner, esquematizados na Fig. 6.4. No quadripolo Wenner, as distâncias AM, MN e NB são iguais, enquanto no Schlumberger a distância MN deve ser menor que AB/ 5. O quadripolo Wenner apresenta as vantagens de manter sempre elevada a diferença de potencial fN e de ser de fácil mensuração. Como desvantagens, podem ser citadas duas principais: torna as operações de campo mais lentas e não permite distinguir entre efeitos profundos e os eventualmente decorrentes de heterogeneidades superficiais. O

6 - Investigações para obras de barragens 1 133

i

o

N

B

l l

l

M

f

Schlumberger (MN < AB/5)

M

l

i

o

1

N

B

l

l

Wenner (AM = MN = NB)

FIG. 6.4

Quadripolos lineares simétricos

quadripolo Schlumberger tem como van~ gens principais agilizar as operações e campo e possibilitar distinguir entre efeitos profundos e superficiais. Sua principal desvantagem é tornar mais difíceis e menos precisas suas medições, princi? almente em presença de horizontes mais resistivos, como as areias secas.

c) Técnicas de medição Entre as variadas técnicas adotadas para medição das resistividades aparentes, serão analisadas as duas mais empregadas na geologia de barragens: sondagem elétrica vertical (SEV) e perfil ,;e eletrorresistividade.

- ndagem elétrica vertical - SEV Como seu próprio nome indica, essa e uma técnica de exploração vertical, em • e é mantido fixo o centro do quadripolo, realizando-se uma série de medições de resistividade aparente por meio do aumento ::a distância AB a cada nova medição. Com aumento de AB, a corrente elétrica, em -ese, circulará a profundidade maior que :ia medição anterior. Os valores de resis:ividade aparente obtidos por tal técnica são plotados graficamente em papel bilo5arítmico, contra os respectivos valores

de AB/ 2, propiciando a representação gráfica da função Pa (AB/ 2). A curva resultante dessa plotagem é denominada curva de resistividade aparente, diagrama elétrico ou, simplesmente, sondagem elétrica vertical (SEV). A Fig. 6.5 mostra dois exemplos de SEVs, em que foram investigadas três camadas de diferentes resistividades.

Perfil de resistividade A técnica de perfr_l de resistividade, também denominada de caminhamento elétrico, explora a continuidade horizontal e vertical da resistividade aparente no subsolo. Por meio dessa técnica, todo o quadripolo é deslocado a cada nova medição. Como o comprimento da linha AB permanece constante, é possível investigar o subsolo lateralmente a uma profundidade constante. Se a superfície do terreno for horizontalizada, os levantamentos serão à cota constante. Ao longo de um perfil de resistividade é possível identificar descontinuidades verticais, como falhas em rochas sedimentares e fraturas em rochas cristalinas. A profundidade de investigação corresponde aproximadamente a 20% do comprimento da linha AB. As Figs. 6.6 e 6.7 mostram as diferenças entre a SEV e a perfilagem. Uma vez que a profundidade é constante nessa técnica de prospecção, é possível, com os dados obtidos em cada ponto, construir um mapa de isorresistividade da área investigada em profundidade, como mostra o exemplo da Fig. 6.8. Com base nesse mapa, podem-se fazer as seguintes ilações geológicas: • A área é dominada por solo ou rocha sedimentar.

134

1 Geologia de Barragens

SEV Tipo Resistivo-Condutivo-Resistivo Horizon te Re sistivo

SEV Tipo Condutivo-Resistivo-Condutivo

~

E

E

E

.L

.L

º

º


e!

2

2

e

e

~ o..

g_

"' "' e

"'

"' ·u

Horizonte Cóndutivo

e ~

1.---'

·u

Horizonte Cóndutivo

~

=

~

"

e,::

AB/2 (m )

AB /2 (m )

FIG. 6.5 Exemplos de sondagens elétricas verticais (SEV) Fonte: modificado de Feitosa et ai. (2008).

I

-,

P,

__./

--------,_'. \\

/ AB/ 2

FIG. 6.6 SEV

~..

.-1<----'

~f7,-, ...... ...Bi A M N i _

,

P,

....

---"' [!,.

,. \

,- -· ...... __,,,,, -~ \ 1

I

' _ ,.

t--------------------- x FIG. 6.7

Perfilagem elétrica

• Na área indicada por R, é provável a ocorrência de rocha ígnea. • A água salina do mar invade a área sedimentar com concentração decrescente no sentido de sua interiorização.

• É provável a presença de material mais permeável (talvez um paleovale) no entorno da seta maior, por onde a água salina penetrou com maior facilidade.

6 - Investigações para obras de barragens 1 135

Evidentemente, para cada profundidade investigada pode-se construir um mapa idêntico ao da Fig. 6.8, o que permite correlações geológicas a diferentes profundidades e a construção de perfis como o mostrado na Fig. 6.10.

d) Aplicações do método elétrico para barragem Em princípio, qualquer método de pros?ecção indireta tem suas limitações, dada a variabilidade de resultados passíveis de obter em consequência de condicionan-es como: variação da propriedade física intrínseca da rocha e dos seus minerais;

heterogeneidades, descontinuidades e anisotropias dos meios (solo e rocha), principalmente em decorrência dos efeitos diferenciais da intemperização; e presença de agentes externos, como a água. Nesse sentido, a prospecção elétrica é das mais inseguras, principalmente em função de dois fatores: a condutividade elétrica dos minerais e rochas é apropriedade física mais variável desses materiais; a água propicia a condutividade eletrolítica que pode afetar significantemente a resistividade aparente desses materiais. Assim, uma determinada resistividade aparente pode ser resultante de espessu-

200 100

50 30

25

20

+ - -(E

= 200) O f - - --

(300)

(400)

100 m ---<

6.8 Mapa de isorresistividade em profundidade te: modificado de Fernandes (1984).

: G.

~

- - - - + - - - - - - - t - - --

- + - - - - - - + (500) (500)

(Resistividades em f.lm)

(600)

136

1

Geologia de Barragens

ras muito diferentes de solos ou rochas sedimentares, em função da constituição litológica e do tipo de água presente nesses materiais, como mostra a Fig. 6.9. Assim, recomenda-se sempre fazer uma SEV próxima a uma sondagem mecânica para aferir os resultados dessa sondagem elétrica. Após tal aferição, é possível estender a prospecção para uma área maior. Na verdade, a melhor utilidade da prospecção elétrica é permitir a interpolação ou a extrapolação de resultados obtidos com sondagens mecânicas muito espaçadas , dada a diferença de custo entre esses dois métodos investigativos. Os efeitos da anisotropia elétrica podem ainda ser detectados com a realização de uma SEV perpendicular à realizada na investigação. No estudo de uma barragem, pode-se utilizar a prospecção elétrica nas seguintes situações: • caracterizar as fundações da barragem; • detectar a presença de diques , fraturas e falhas;

• detectar a presença do nível freático; • caracterizar o recobrimento de túneis e canais (adução, desvio ou vertedouro); • caracterizar jazidas de materiais terrosos. Para as fundações, esse método só é recomendável no caso de serem constituídas por espessa camada de solo (aluvionar ou eluvionar) ou por rocha sedimentar. Ainda assim, não se recomenda esse método para as ombreiras, principalmente no sopé de seus flancos, onde a eventual ocorrência de blocos e matacões presentes em tálus pode mascarar completamente os seus resultados. Na parte mais horizontalizada do fundo do vale, uma sondagem SEV deve ser feita próximo a uma sondagem mecânica para melhor caracterizar as litologias e suas espessuras. A partir dessas informações, pode-se escolher o comprimento AB compatível com a profundidade de investigação escolhida a partir da SEV e desenvolver uma per-

Areia argilosa saturada Areia argilosa seca

e

Areia saturada

Argila saturada

Argila saturada com água salgada

Argila seca Areia seca

FIG. 6.9

aparente

Espessuras (e) variadas de diferentes situações geológicas acusando uma mesma resistividade

6 - Investigações para obras de barragens 1 137

agem elétrica ao longo de toda a área ?revista como base da barragem. Como resultado dessa investigação, podem-se obter perfis elétricos transversais ou longitudinais ao eixo barrável ou um mapa de isorresistividade das fundações. A Fig. 6.10 mostra um exemplo em que a interpretação da eletrorresistividade nas fu ndações de uma barragem poderia conduzir a um grande erro. Observa-se claramente que os horizontes condutores entre as distâncias 120 e 160 pés e entre 210 e 240 pés são matacões dentro de um solo residual, e o mesmo pode ocorrer com o maior horizonte condutor entre as distâncias 40 e 80 pés. Assim, o tracejado branco indicando o topo rochoso é totalmente falso, exigindo sondagens mecânicas para aferir esses resultados. A interpretação para fratura provavelmente está correta. Ao longo dos traçados previstos para canais ou túneis, pode-se adotar o mesmo

procedimento recomendado para as fundações, porém com a execução de apenas um perfil ao longo do traçado previsto. Devem-se adotar os mesmos cuidados para evitar interpretações falsas apoiadas unicamente na prospecção geofísica. Finalmente, para jazida de materiais terrosos, pode-se adotar a mesma metodologia indicada para as fundações, inclusive com a aferição mecânica dos resultados obtidos pela Geofísica. 6.2.2 Sísmica

a) Princípios do método sísmico O método sísmico utiliza a propagação de ondas elásticas e acústicas através dos solos e rochas que integram a crosta terrestre. Essa propagação depende fundamentalmente das propriedades elásticas/acústicas dos minerais e rochas, mas sua velocidade sofre influências de outros fatores, como vazios entre grãos e

Anomalia - Fratura

Well #9 (90 ft. north) rock at 6 ft. below ground surface

•

Topo rochoso (bed rock) Leste O 20

20

40

60

80

100

Distância (pés) 120 140 160

180

1.300 1.200

200

Oeste 280

220

1.100 1.000 900 800 700
600

Eu

500

u

--

"'

LÜ

Escala em pés

O

FIG. 6 . 10 Perfilagem ao longo de um eixo barrável Fonte: AGI (2011).

20

40

60

80

400 300 200 100

138

1 Geologia de Barragens

ao longo de fraturas, e dos materiais que

equações que regem essas proporcionali-

podem preencher total ou parcialmente

dades são:

esses vazios, sejam sólidos ou líquidos. Ao

E(l - u)g

produto da densidade e da velocidade de

VP

]

= [ p(l + u)(l - 2u)

112

(6.5)

propagação de ondas acústicas denomina-se impedância acústica .

(6.6)

Quando um impulso é gerado na superfície do terreno, ou próximo a ela, há

onde:

geração de dois tipos de ondas: de corpo e

VP - velocidade das ondas primárias;

superficiais.

V5

As ondas de corpo propagam-se para

-

velocidade das ondas secundárias;

E - módulo de elasticidade;

o interior do maciço terroso ou rochoso,

G - módulo de rigidez;

como se uma tensão fosse aplicada a essa

u - coeficiente de Poisson;

superfície por esse impulso. Essa tensão,

g - aceleração de gravidade;

independentemente do ângulo que faça

p - densidade.

com a superfície, será decomposta em duas tensões: uma normal à superfície (o)

Considerando

a

relação

entre

os

e outra tangencial ('r). Da mesma forma

módulos de elasticidade e rigidez, pode-

como incidem no momento do impulso,

-se apresentar a equação para as ondas S

essas tensões são introduzidas no interior

como segue:

do corpo impactado, movimentando-se

Eg ]1/2 Vs = [ 2p(l +u)

sempre nas mesmas direções em que in-

(6.7)

cidiram, ou seja, as tensões normais se No caso de um meio com u = 0,25 e

interiorizam por meio de uma propagação

2,6 g/cm 3 , chega-se às seguintes ex-

longitudinal em relação ao seu traçado,

p

enquanto as tensões tangenciais se propa-

pressões:

=

gam no sentido transversal em relação ao seu traçado. As tensões normais, ao serem introduzidas em um maciço terroso ou rochoso, correspondem às ondas primárias (P) ou longitudinais, ou compressivas,

A relação V/V5 será de 1,74, o que rati-

enquanto as tensões tangenciais geram as

fica a maior velocidade da onda P. Por t a:

ondas secundárias (S), também chamadas

motivo, as prospecções sísmicas normal-

de transversais ou cisalhantes. As veloci-

mente utilizam a chegada da onda P em

dades de propagação das ondas P e S são

suas investigações. Uma vez que o módulo

muito diferentes, pois enquanto as ondas

de rigidez é nulo nos fluidos, conclui-se

P se propagam com velocidades proporcio-

que nesse meio não há propagação das ondas S, conforme comprova a Eq. (6 .6).

nais ao módulo de elasticidade do meio, as ondas S se propagam com velocidades

As ondas superficiais são geradas

proporcionais ao módulo de rigidez. As

pelo fato de o subsolo ser um meio he-

6 - Investigações para obras de barragens 1 139

·erogêneo, descontínuo, anisotrópico e :inito. Essas ondas são propagadas sobre a superfície que sofre o impulso ou imeiiatamente abaixo dela, em todas as ·versas direções contidas nesse plano, embora com velocidades que variam em fu nção das heterogeneidades peculiares a essa superfície nas diferentes direções. As duas principais ondas superficiais são: :layleigh e Love. As ondas Rayleigh envolvem uma combinação de movimentos longitudinais e transversais, segundo uma trajetória elíptica; as ondas Love apresentam movimento ortogonal ao sentido de propagação. Ambas as ondas superficiais apresentam velocidade inferior às ondas S, motivo pelo qual não são consideradas nas prospecções sísmicas. As ondas Rayleigh são importantes nos estudos sismológicos. Nas prospecções sísmicas, denomina-se interface a superfície que delimita dois meios com diferentes velocidades de propagação ondular (geralmente a onda P). Essa interface pode ser representada por um plano de acamadamento, um contato entre rochas ou até mesmo pela separação de um meio seco para o mesmo meio saturado. Pode, ainda, ser um plano horizontal ou inclinado, ou ser representada por uma superfície plana ou curva. Em termos físicos, essa interface constitui um plano de descontinuidade entre meios com velocidades diferentes de propagação das ondas. A prospecção sísmica baseia-se no fato de que um impulso gerado num ponto próximo à superfície gerará ondas que, ao encontrar uma interface, terão parte da energia original retornada à superfície, enquanto outra parte atravessará

essa interface, penetrando em outro meio, com uma abrupta variação na direção de sua propagação. A energia que volta à superfície corresponde à refl.exão da onda incidente, e a parte da energia que penetrará na interface corresponderá à refração da onda incidente (Fig. 6.11). Constata-se, assim, que a interface representa um contraste de impedância acústica de dois meios.

V, Descontinuidade elástica ou interface

V,

FIG . 6.11

Ref/.exão e refração sísmicas

b) Mecanismo da reflexão Na Fig. 6 .12, o ponto "O" é a fonte de emissão de impacto, e ao longo da reta Ox pode ser instalado um número qualquer de geofones. X

f

~===---=G=-------x

V, V, x/2

FIG. 6.12 Ondas ref/.etidas e refratadas

Nessa figura, a linha I representa uma interface entre dois meios geológicos de velocidades V1 e V 2 , situada na pro-

140 1 Geologia de Barragens

fundidade H da linha Ox. No geofone G, situado na distância "x" de "O", chegarão duas ondas: uma direta, propagada na superfície segundo o percurso OG; e uma refletida na interface, fazendo um ângulo de incidência "a" nessa interface, cujo percurso seráOA +AG. Como o tempo necessário à chegada de uma onda é diretamente proporcional à extensão do seu percurso e inversamente proporcional à velocidade com que essa onda se desloca no meio, tem-se: Tempo de chegada da onda direta: Tn = OG = ~ V1 V1

do sinal refletido. Uma das vantagens desse método é o fato de que parte da energia emitida sempre retornará ao sensor ao encontrar contrastes de impedância acústica, e outra é a possibilidade de se observar muito mais detalhes de subsuperfície que não são atingidos pelo método de refração. e) Mecanismo da refração Ao se analisar o caso mais comum, em que V1 < V 2 , pode-se observar na Fig. 6.13 que há muitas alternativas para as ondas refletidas e refratadas.

Tempo de chegada da onda refletida:

Como mostra essa figura, o ângulo p agora é maior que o ângulo a e aumenta proporcionalmente com esse ângulo de acordo com a Lei de Snell, ou seja:

2

sena.= senp

TRL

= OA + AG = (x V1

2 1/2 +4H ) V1

(6.8)

(6 _9 )

Como a velocidade V1 é a mesma para as duas ondas, deduz-se que a onda direta chegará primeiro que a refletida. Todavia, essa chegada é desprezada por ser facilmente reconhecida a influência que tais ondas sofrem das ondas Rayleigh e Love. Constata-se ainda, na Fig. 6.12, que, sendo V1 > V 2 , o ângulo de refração p é menor que o ângulo de incidência a e, nesse caso, o raio refratado não volta à superfície para ser detectado por geofone. Tem-se, assim, a utilização do método de sísmica de reflexão. No caso V1 < V2 , que é o mais comum de ocorrer, há possibilidades de ser medidas a reflexão e a refração da onda. A utilização desse método depende de muitos fatores geológicos, principalmente com relação à capacidade dos solos e rochas transmitirem altas frequências

V1

V2

Quando o ângulo Pchega a 90°, o que corresponde a um ângulo de incidência ac> a onda se propaga paralelamente à superfície de separação dos dois meios e se refrata para o meio superior com ângulo igual à ac O geofone G1 captará a onda refletida para ac> sendo a distância OG 1 denominada distância limite para que se produza a volta da onda refratada em V2 . A partir do geofone G3 , a onda refratada chega primeiro Assim, a distância OG 3 é denominada distância crítica e o ângulo ac, de ângulo crítico É importante ressaltar que, para qualqueângulo a superior a ac, como o ângulo y na Fig. 6.13, somente haverá reflexão da onda incidente, captada no geofone G2 , embora ocorram outros fenômenos, como a onda gevanescente, que não é importante para a reflexão ou para a refração. As ondas refie-

6 - Investigações para obras de barragens 1 141 O G, G G G ...---or--------------------------...--------,,.--2

4

3

X

H

FIG. 6.13 Ondas ref/.etida s e refratadas Fonte: modi(lcado de Fernandes (1984).

·das mais detalhadas para investigação do horizonte V1 são aquelas que chegam aos geofones situados entre O e G1 . Num gráfico tempo-T x distância-X, cada horizonte com velocidade diferente será representado por uma série de pontos que definirão linhas compatíveis com a velocidade do meio atravessado por refração. A linha que une todos esses pontos é chamada de dromocrônica (drama = lugar para se correr + crana = tempo). É, pois, um gráfico que mostra o registro dos tempos tomados pelas ondas refratadas para percorrerem várias distâncias. A Fig. 6.14 mostra uma dromocrônica para três horizontes, com V1 < V 2 < V3 · Na Fig. 6 .14, xc corresponde à distância crítica para a refração que ocorre entre as camadas de velocidades V1 e V 2 , e x'c corresponde à distância crítica para a refração que ocorre entre as camadas de velocidades V 2 e V3 . Observa-se nessa figura que os geofones que melhor captarão as ondas refletidas no horizonte V1 são aqueles de números 1 a 3 . Os geofones 4 a 10 captarão as ondas refratadas no horizonte V 2 e a partir do geofone 11 são

V,

E

o Q_

E ~

V,

x'c

XC

Ponto de tiro

2345 6 789 1

1

Distância (x)

º11 12131415 •

Geofones

V,

V, V,

FIG. 6.14 Dromocrônica de três horizontes Fonte: modi{lcado de Feitosa et ai. (2008).

captadas as refrações no h orizonte V 3 . A Fig. 6.15 mostra um tipo de geofone, que se acha conectado a uma haste para sua fixação no solo.

d) Metodologia sísmica

da

prospecção

A prospecção sísmica pode envolver pequenas ou grandes profundidades de

142

1

Geologia de Barragens

investigação. Para pequenas profundidades, pode-se realizá-la com dois métodos distintos: martelo ou explosivos. O uso do martelo tem sua capacidade restringida pela intensidade do impacto produzido. Por meio desse método, faz-se percutir um martelo grande - na verdade, uma marreta, como visto na Fig. 6.16 - sobre uma placa de aço fixada na superfície do terreno. As ondas produzidas sofrerão reflexão em uma interface não muito profunda, sendo captadas por

FIG. 6.15 Geofone

FIG. 6.16 Martelo usado na sísmica de re f'l.exão

um geofone. Pela fraca intensidade do impacto produzido, esse método restringe-se a investigar interfaces com profundidades não superiores a 20 m. Outra restrição é a presença de solos granulares secos, como a areia, que produzem uma grande dispersão das ondas nesse meio, fazendo com que elas penetrem pouco na subsuperfície. O uso de explosivos nas investigações de pequena profundidade é feito por meio do disparo de uma carga explosiva a poucos centímetros da superfície, permitindo que as ondas geradas por tal impacto sejam refletidas e refratadas nas interfaces encontradas, o que será captado por uma série de geofones instalados na superfície, como mostrado no esquema da Fig. 6.14. Para profundidades de investigação em torno de 50 m , são geralmente utilizados 12 geofones. Para grandes profundidades , aprofunda-se mais a carga explosiva, aumenta-se sua capacidade e o número de geofones, que geralmente é igual ou superior a 24. O registro básico utilizado na interpretação dos dados da refração sísmica chama-se sismograma. A Fig. 6.17 mostra um modelo completo de uma prospecção sísmica, com o perfil ge ológico, a dromocrônica e o sismograma correspondente à chegada das ondas. O sentido de propagação das ondas merece uma especial atenção na programação de uma prospecção sísmica de refração, porque nem sempre uma interface se apresenta horizontalizada, como se pode ver nas Figs . 6.12 a 6.14. Muitas vezes esse plano encontra-se inclinado e, supondo-se conhecer o sentido do mergulho para programar a prospecção nesse mesmo sentido, podem-se encontrar duas situa-

6 - Investigações para obras de barragens 1 143

,::,

':' 300 l=--\~==.--,-,--..;.,..-.1L.,--,;L--11-,-,-,--!'-,-,--+-.,.....,..L..-,-.....,J:,----.-,,C...,-,--t,'-,-_J_,,_,......L_,-;.:~:.;,:;;~ ~-,l

::'

~ 6 00

::'

.

5

õ 9 00

t ::t::_=:r_==_~~~:;:::::t:::::::;::=~:r:_ =~ :;:_ :::::::_e~= _'.;=~= -:r~=-=r~~==i~-::.~r:=-=-T -: :=__=1: - =_ -~-::.;::_=~:5:_::T:'.'v:~~;;i-;;~:::j :

::1G. 6.17 Modelo de prospecção sísmica .:'an te: Dobrin (1981), modificado pelo Prof Paulo Aranha (UFMG).

cães distintas: a prospecção avança a favor :io mergulho dessa interface, ou contra esse :::iergulho. Na Fig. 6.18, observa-se urna rospecção a favor do mergulho, enquanto a Fig. 6.19, a prospecção é feita no sen"do contrário ao mergulho da interface. Corno muitas vezes se desconhece o entido para o qual mergulha a interface, as apenas a sua direção, constitui rotina a prospecção sísmica obter informações os dois sentidos perpendiculares a essa .iireção. A Fig. 6.20 mostra um exemplo ::rn que esse procedimento é adotado. Por meio dessa metodologia, obtém-se urna velocidade aparente (Vap) para o orizonte que gerou as ondas refratadas. ::ssa velocidade aparenta um valor que _ de ser superior ou inferior à velocidade ~eal de V2 . Na Fig. 6.20, tem-se:

V1

sen(ac + 0)

_

'i'.T

_j

l'.x l'.x

V,

1'.T ª sen (ac + 0)

v,

FIG. 6.18 Propagação a favor do mergulho da interface Fonte: modificado de Fernandes (1984) .

2H ocosac

v,

l'.x l'.T

V, sen (a,, + 0)

Contra o mergulho:

A favor do mergulho: ·r · ap(F) -

-

V

ap

V1 - sen(ac + 0)

(C) - - ~ ~ -

FIG. 6.19 Propagação contra o mergulho da interface Fonte: modificado de Fernandes (1984).

144

1

Geologia de Barragens

Como: V2 = ____1_ , tem-se que: senac

e) Aplicações da prospecção sísmica em barragens No projeto de uma barragem, a prospecção sísmica com o uso do martelo só é recomendada para a prospecção de jazidas de materiais terrosos em áreas com espessa camada de solo maduro, a fim de evitar as imprecisões decorrentes da presença de matacões. Ainda assim, deve haver uma aferição de seus resultados por meio de prospecções diretas, além de o método ser utilizado apenas na etapa de viabilidade. O método sísmico com a utilização de explosivos pode ser empregado na caracterização das seguintes feições relacionadas com o projeto de uma barragem:

• • • •

fundações; canais; túneis e obras subterrâneas; pedreiras e jazidas de materiais terrosos e arenosos; • determinação do assoreamento do reservatório.

A caracterização das fundações inclui as seguintes definições: • tipos de estratos em rochas sedimentares; • espessura do regolito, incluindo alúvios e elúvios; • estruturas como falhas e fraturas (método de reflexão); • propriedades elásticas das rochas. A exemplo da recomendação feita para o método elétrico, não se recomenda esse método para as ombreiras, em razão das heterogeneidades presentes nos colúvios, principalmente nos sopés de seus flancos, onde é comum a presença de blocos e

Tl - - - - - - - - - - - - - - = : .L__ _ _ _ _ _ _ _ ___,_,T (C)

-- Vap

0

FIG . 6.20

Prospecção sísmica tipo direto e reverso

Fonte: modifzcado de Fernandes (1984).

__

6 - Investigações para obras de barragens

matacões nos tálus, que mascaram totalmente esse tipo de investigação. Também na parte aplainada do vale é comum a presença de grandes matacões resultantes da intemperização diferencial das rochas. Nesses casos, a detecção do contato com a rocha sã pode ser totalmente falsa, pelo que se recomenda sempre aliar a prospecção sísmica a sondagens mecânicas que possam aferir seus resultados. Em se tratando de fundações, deve-se utilizar esse tipo de prospecção na etapa de viabilidade. Para canais projetados, como desvios do rio, adução e aproximações do veredouro, a prospecção sísmica objetiva definir a espessura do recobrimento inconsolidado e inconsistente, a fim de que sejam projetados os taludes de escavação. Os cuidados a tomar nessa prospecção são os mesmos referidos para as fundações , principalmente em função das heterogeneidades propiciadas pela presença de blocos e matacões. Assim, essas investigações devem ser sempre aferidas por sondagens, limitando-se à etapa de viabilidade. Para túneis e obras subterrâneas, a prospecção sísmica poderá prestar as seguintes informações: • espessura e irregularidades do solo de alteração, principalmente em função da intemperização diferencial ao longo de fraturas, como mostrado na Fig. 5.7a; • fraturamento (método de reflexão); • propriedades elásticas do maciço ro choso.

1

145

priedades elásticas, é possível estender essa prospecção até o projeto executivo, quando muitas dessas obras já se encontram parcialmente abertas. Nesses casos, ultimamente tem sido muito empregada a sísmica por meio de furos de sondagens, denominada de método crosshole, cujo esquema de funcionamento pode ser observado na Fig. 6.21. Com esse método, torna-se fácil fazer correlações entre os parâmetros geotécnicos estáticos, obtidos por meio de ensaios convencionais (compressão simples, ensaios triaxiais, módulo de deformabilidade estático etc.), e os módulos dinâmicos, em que não ocorre qualquer perturbação no maciço rochoso. Em pedreiras, a prospecção sísmica pode definir a espessura do material estéril a decapear, condição imprescindível para definir a viabilidade econômica de sua utilização. Para jazidas de materiais terrosos e arenosos, dependendo de sua extensão, essa prospecção poderá reduzir os custos da prospecção direta, definindo a espessura do material a utilizar. Em ambos os tipos de estudo, deve-se utilizar essa forma de prospecção na etapa de viabilidade, devidamente aferida. O assoreamento de reservatório pode ser determinado com o uso do método de perfilagem sísmica contínua . Por meio desse método, desloca-se todo o sistema de emissão e captação do som através de um barco sobre a água do reservatório, conforme mostrado por Souza et al. em ABGE (1988).

6.2.3 Georradar (GPR) Para as duas primeiras aplicações, eve-se empregar a prospecção sísmica a etapa de viabilidade, sempre aferidas ?Or sondagens mecânicas. Para as pro-

a) Princípio do método O método de georradar ou GPR (Ground Penetration Radar) guarda re-

146 1 Geologi a de Barragens

lações com os dois métodos geofísicos anteriores. Com o método elétrico porque se baseia em propriedades elétricas como a condutividade, e com a sísmica porque está relacionada com a reflexão de ondas eletromagnéticas. Campos eletromagnéticos (EM) são ➔

constituídos por campos elétricos (E) e ➔

campos magnéticos (H). Como as variações magnéticas nas rochas são, na sua maioria, muito fracas , podem ser consideradas desprezíveis (Daniels; Gunton; Scott, 1988), daí que as propriedades elétricas constituem os fatores dominantes que controlam a resposta do subsolo ao campo EM. As movimentações de cargas elétricas (correntes elétricas) no subsolo, resultantes da ação de um campo eletromagnético, podem ocorrer de duas formas : corrente por condução e corrente por deslocamento.

.... .. .. . .. ... ..... ... . ... .. .

➔

A corrente por condução (Jc) é definida como: Jc = cr · Ê

➔

onde cr é a condutividade elétrica e E é o campo aplicado no material. Na corrente por deslocamento, a separação de cargas que ocorre em um dipolo no ➔ qual se aplica um campo (E) é dada pela densidade D, assim expressa: D= c·Ê

onde

E

.... . ......

'

Quando a condutividade e a permissividade dielétrica são constantes em um meio, existe uma frequência de transição em que as duas formas de cargas elétricas se equivalem. Acima dessa frequência predomina o deslocamento, quando a energia se propaga como onda sem nenhuma ou com pouca dispersão. Abaixo dessa fre -

Detalhe da tela do sismógrafo mostrando um traço típico de ondas obtidas no ensaio Crosshote:

....... . . .

. . .. .." .. .... . . ..... ... ., ...... .. ... . ..... . . .. ... .... . . .... ..... . . ' .... .... .. ...,. .. ..... ...... .......

li:

....

11

..

.

•

•

•

..

.

..

.

..

::::::::::- L. ~~~~~~ :~~ ~:;~~ f :::~~~~~~~~:j

FIG . 6.21 Arranjo de campo de sismograma obt ido Fonte: Dourado (1984).

(6.11)

é a permissividade dielétrica.

. . ... ........... ... ... 1

(6.10)

. . ..... . .. ... ,. . . .

P = chegada das ondas primárias (longitudinais) S = chegada das ondas secundárias (transversais)

6 - Investigações para obras de barragens 1 147

.uência, predomina a condução, em que a aiergia se difunde no material. Segundo Annan (1992), a velocidade (V) e a atenuação (a) da onda no eslocamento são relacionadas com a ? ermissividade dielétrica e com a condu·vidade elétrica, como segue: (6 .12)

1,64 • cr

a=---

-JK

(6.13)

onde K é a constante dielétrica do material, definida como: (6.14)

onde: Eo - permissividade dielétrica no vácuo; E - permissividade dielétrica do material. Quando uma onda eletromagnética é gerada na superfície do terreno, irá se propagar em subsuperfície num meio que em constante dielétrica K1 . Ao encontrar uma interface que separa esse meio de um outro com constante dielétrica K2 , essa onda se reflete e volta à superfície. O coefi➔ ➔ ciente de Reflexão R, para os campos E e H gerados nesses meios, é definido, para incidência normal à interface, como segue: R=

cp:; -)K;)i (j.f; +)K;) (6.15)

Segundo Ulriksen (1982), a velocidade e a atenuação das ondas EM são os fatores que descrevem a propagação de ondas de alta frequência no subsolo, os quais são dependentes das variações dielétricas e condutivas dos materiais aí existentes.

Conforme Davis e Annan (1989), para condutividades menores que 100 mS/ m, a velocidade permanece constante entre as frequências de 10 e 1.000 MHz .

b) Metodologia do georradar A prospecção por georradar ou GPR é feita por meio de um sistema que envolve quatro elementos principais: unidade de transmissão, unidade de recepção, unidade de visualização e unidade de gravação. O esquema da Fig. 6.22 mostra a relação entre esses elementos. O transmissor produz um pulso elétrico de alta voltagem e com mínima duração, que é aplicado na antena transmissora responsável pelo seu envio ao subsolo. Esse sinal propaga-se no interior do solo e, ao encontrar interfaces, é refletido para a superfície, sendo detectado pela antena receptora, que o repassa ao sistema de recepção. O receptor amplifica o sinal, acondicionando-o para ser visualizado na tela, ao mesmo tempo que o imprime no sistema de gravação. A Fig. 6.23 mostra o caminhamente do pulso elétrico através do subsolo, sua reflexão em diferentes interfaces e sua reflexão até o retorno à superfície, ao longo de um caminhamente de GPR em uma linha. O deslocamento das antenas em superfície é feito como mostrado na Fig. 6.24, usualmente com distância constante, ou seja, é mantida fi xa a distância entre as antenas. Esse método é chamado de common offset. Os perfis de georradar podem ser feitos de modo contínuo ou descontínuo, dependendo da morfologia do terreno. No modo contínuo, o conjunto de ante-

148

1

Geologia de Barragens

nas é movido seguidamente ao longo da linha de deslocamento, utilizando como referência para a emissão de ondas um mecanismo de tempo ou de trecho percorrido. Essa metodologia (Fig. 6.24) é aplicável em terrenos aplainados e com poucos obstáculos, quando então se torna extremamente rápida e de fácil execução. Visor Gravação

Transmissor

Antena

Receptor

Antena

Solo

Rocha

FIG. 6.22 Esquema dos elementos que compõem um sistema GPR Fonte: modif,.cado de Annan (1992).

No modo descontínuo, os dados são obtidos em posições individuais, ficando as antenas estacionadas momentaneamente em cada ponto de medição durante a emissão de ondas . Esse método é indicado para terrenos acidentados ou com muitos obstáculos. A penetração do sinal de radar está condicionada inicialmente pelas propriedades elétricas do material atravessado (condutividade e constante dielétrica). Assim, esse sinal pode atingir profundidades superiores a 20 m em solos ou rochas de baixa condutividade (resistividade < 50 ohm.m), mas poderá penetrar menos de 1 m em argilas altamente condutivas. A frequência do sinal emitido também contribui diretamente para uma maior penetração e resolução do método. Frequências maiores (200 a 2.500 MHz) possibilitam maior resolução, porém menor penetração. Ao contrário, frequências menores (10 a 200 MHz) propiciam maior penetração, porém com menor resolução vertical. Deslocamento ~

Zona Anômala

Solo

Rocha

FIG. 6.23 M odelo geológico simplif,.cado com posicionamento do GPR ao longo de um a linha Fonte: m odif,. cado de Davis e A nnan (1989).

6 - Investigações para obras de barragens

149

Como os diferentes tipos e tamanhos as antenas permitem variar a frequência .:o sinal emitido, é necessário, em cada rogramação, conhecer a priori o tipo de itologia esperado, a fim de que se possa _rogramar as antenas que propiciarão ..una maior profundidade de investigação -em comprometer a resolução dos dados obtidos.

e) Aplicações do georradar em barragens Apesar das limitações impostas por esse método de prospecção, principal;riente relacionadas com a profundidade :nvestigada, o georradar tem sido muito tilizado no Brasil, mormente na detecão da conformação das estruturas das rochas cristalinas, em projetos de implanuição de dutos subterrâneos, na detecção do nível freático, em processos cársticos, na determinação de aluviões submersas, na identificação de pipping em solos etc. Em barragens, pode-se aplicar esse m étodo nas seguintes situações: • fundações da barragem e das obras associadas; • jazidas de areia e pedreiras; • assoreamento do reservatório. Nas fundações, o GPR pode ser utilizado com os seguintes objetivos: • definir a espessura de aluviões submersas; • caracterizar os materiais incoerentes que recobrem o embasamento rochoso; • caracterizar o fraturamento do maciço rochoso. Como, em geral, as jazidas de areia são -ubmersas, o GPR pode funcionar bem

FIG. 6 .24 Desloca mento das antenas no método GPR Fonte: cortesia do Prof Paulo Aranha (UFMG).

para definir a espessura dos depósitos , permitindo sua cubagem. As pedreiras, por sua vez, geralmente possuem recobrimento de estéril pouco espesso, daí poderem ter essa espessura investigada pelo georradar. O assoreamento do reservatório de barragens de pequena altura, ou até mesmo nas partes terminais das obras de grande porte, pode ser definido pela utilização do georradar (Fig. 6 .25).

6.3 PROSPECÇÃO SEMIDIRETA Na prospecção semidireta, o pesquisador pode conhecer materiais geológicos situados a diferentes profundidades de investigação, sem que tenha acesso ao local investigado. Para tanto, ele se vale da obtenção de amostras desses materiais por meio dos diferentes tipos de sondagens. Embora a amostragem de solos e rochas seja um dos objetivos dessa prospecção,

150

1

Geologia de Barragens

nem sempre esse objetivo é plenamente alcançado. Dependendo das condições do material e do método de prospecção adotado, ocorre uma das seguintes situações: • amostragem deformada; • amostragem indeformada; • amostragem parcial; • amostragem integral; • nenhuma amostragem.

as características dos materiais inconsolidados amostrados. A amostragem parcial está relacionada com as rochas , quando as condições de intemperização e de fraturamento desses materiais não permitem que se obtenha uma recuperação total dos testemunhos de sondagem. Na amostragem integral, todo o material sondado é recuperado, enquanto que, em alguns métodos de prospecção, nenhuma amostragem pode ser obtida. Os principais métodos de investigação mecânica que integram a prospecção semidireta são: • Sondagem a varejão - SV • Sondagem a trado - ST • Sondagem a percussão - SP

A amostragem deformada é aquela que ocorre em materiais inconsolidados, em que o método de prospecção altera a textura original desses materiais, destruindo suas estruturas reliquiares e mas carando inúmeras de suas propriedades físicas. Na amostragem indeformada, preservam-se a

b

Distâncias - m

0,00 0,00

25,00

50,00

75,00

100,00

__. . ..

__ _

FIG. 6.25 Pesquisa de assoreamento em um reservatório de barragem: (a) imagem do procedimento geofísico sobre um barco; (b) radargrama que mostra, na parte superior mais clara, o contorno do material arenoso responsável pelo assoreamento Fonte: co rtesia do Prof Paulo Aranha (UFMG).

6 - Investigações para obras de barragens

• Sondagem rot ativa - SR • Sondagem mista - SM • Sondagem rot opercussiva - SRP

6 .3 .1 Sondagem a varejão (SV) Esse tipo de prospecção não permite qualquer amostragem e presta-se apenas para detectar a espessura e o tipo de maerial granular submerso. Por isso, é mais utilizado na pesquisa de materiais arenosos nos leitos dos rios, como forma de obter esse tipo de material para suas diversas aplicações. A sondagem é feita por meio da cravação de uma haste metálica lisa, operada geralmente através de um barco. Essa cravação pode ser manual ou por golpes de marreta, e a percepção do tipo de material atravessado pode ser feita pela reação sonora e vibratória do processo. Nas areias, a penetração é áspera, ao passo que nas argilas é macia. Em superfície rochosa, o impacto é duro e resvala. Uma das limitações desse método é a reduzida profundidade de inestigação, que nunca ultrapassa os 3 m, além da impossibilidade de coletar amostra do material sondado. Em projetos de barragem, utiliza-se essa prospecção para o levantamento de azidas de areias submersas e na avaliação o assoreamento nas partes terminais do reservatório. Em razão das limitações re:eridas, esse tipo de prospecção é muitas ..ezes utilizado em complemento às pros:>ecções geofísicas, principalmente no ::nétodo GPR.

6 .3.2 Son dagem a trado (ST) A sondagem a trado é uma das pros- ecções semidiretas mais rudimentares,

1 151

embora utilizada desde os primórdios da investigação do subsolo. Trata-se de uma sondagem manual ou mecanizada, que utiliza o trado como instrumento para perfurar e amostrar o solo de baixa a média resistência.

a) Perfuração com trado O trado responsável pela escavação é constituído por três partes: cruzeta, haste e trado. O trado propriamente dito pode ser do tipo concha ou helicoidal (Fig. 6. 26). A cruzeta e as hastes são geralmente de ferro galvanizado, com diâmetro mínimo de 1" (2,5 cm). A cruzeta é conectada à haste através de um T e as hastes, com tamanhos de 1, 2 e 3 m, são interconectadas com luvas do mesmo material. O trado tipo concha é utilizado com os seguintes diâmetros: 3" (7,5 cm), 4" (10 cm), 6" (15 cm) e 8" (20 cm). O trado helicoidal apresenta o diâmetro mínimo de 2 ½" (6,3 cm), mas pode alcançar diâmetro superior a 10" (25 cm) quando acionado mecanicamente. O trado concha também pode ser acionado mecanicamente com a utilização de um pequeno motor responsável pela sua rotação, conforme mostrado na Fig. 6.27, em pesquisa realizada pelo autor em sua tese de doutorado. A sondagem deverá iniciar-se com o trado concha, que, dependendo do tipo de material a escavar, poderá ultrapassar facilmente os 15 m de profundidade (acima do nível freático) . Sempre que forem encontradas concreções de seixos ou de laterita, deve-se substituir a concha por uma ponteira constituída por uma peça de aço terminada em bisel, que poderá desagregar ou reduzir as concreções, de sorte

152

j Geologia de Barragens

a propiciar a continuidade da escavação com o trado concha. Ao atingir horizontes de argila mais rija, ou argila abaixo do nível freático, a concha deve ser substituída pelo trado helicoidal. A sondagem a trado será encerrada nos seguintes casos: • quando atingir a profundidade que interessa ao projeto; • quando ocorrer desmoronamentos sucessivos das paredes do furo; • quando o avanço da escavação for inferior a 5 cm em 10 minutos de operação contínua; • quando se atingir o impenetrável à perfuração, pela ocorrência de cascalho, matacão ou rocha (nesse caso, o furo poderá ser deslocado num raio de 3 m e tentada nova perfuração). Caso seja encontrado o nível freático , a sua profundidade deverá ser anotada,

o que também deve ser feito se houver artesianismo não surgente. Os resultados da perfuração devem ser apresentados em perfis apropriados, onde constarão, no mínimo: • nome da obra e do cliente; • identificação e localização do furo; • diâmetro da sondagem; • data de execução; • cota, quando possível; • descrição dos materiais atravessados; • profundidade das amostras coletadas; • medidas de nível de água, quando possível. O Boletim nº 3 da ABGE (1999) apresenta um modelo para o perfil desse tipo de sondagem. Em barragens, pode-se utilizar a sondagem a trado na pesquisa de materiais terrosos (ver Cap. 9) e na caracterização das fundações da barragem. Para as fun-

Haste

-

Trado

Concha

FIG. 6.26 Tipos de trado Fonte: modi ficado de ABGE (1980).

Helicoidal

FIG. 6 .27 Trado mecanizado Fonte: pesquisa do autor.

6 - Investigações para obras de barragens 1 153

- ções, esse tipo de sondagem é muito - pregado em complementação aos tros tipos de investigação mecânica para aferição da geofísica. Apresenta - mo vantagens a rapidez da prospecção :: o seu baixo custo, e como desvantagens, - deformação da amostra, a dificuldade :.e atravessar materiais granulares gros- iros e saturados e a impossibilidade de rapassar blocos e matacões .

b) Amostragem com trado As amostras devem ser coletadas a :ada metro perfurado e dispostas em :!ilhas sobre uma lona, para impedir seu -ontato com o solo de superfície. As pilhas rão separadas a cada mudança de mateial (Fig. 6.28). O acondicionamento da amostra varia :om o objetivo da sua coleta. Quando se :.estina a ensaios geotécnicos, devem ser -oletadas duas amostras: uma com 100 g :: acondicionada em um frasco, parafi:nzado ou selado com fita colante, para -=eterminação da umidade natural; outra : m cerca de 14 kg, em saco de lona ou -.: ástico transparente, para determina:ão dos demais ensaios geotécnicos. Toda ~ostra coletada deverá receber duas :: ·quetas: uma interna, devidamente ?TOtegida, e outra externa. Em ambas as ·quetas devem constar: nome da obra e -o cliente; nome do local; número do furo; .:ata de coleta; intervalo de profundidade :.a amostra; e nome do coletor. .:1

6.3.3 Sondagem a percussão (SP) A sondagem a percussão é um método "'Vestigatório de materiais inconsolida:.os e incoerentes em que a perfuração

__,;--=:::_~.::..: _______._.-. ~~

-

- __ ·-:'

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---=t,._i,,,_ . -

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--=='

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~ ~ rnostra. 1

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:

• •

·.

\

Separação das pilhas por \ diferença de material /

A

rnostra. 2

,,..

t

:

FIG. 6.28 Amostragem de uma t radagem Fonte: modifi.cado de USB R (1973).

pode ser obtida por meio do golpeamento de peças cortantes ou por lavagem combinada com a percussão. Os dois principais objetivos dessa sondagem são caracterizar o material perfurado e definir a resistência à penetração desses materiais. Subsidiariamente, esse tipo de sondagem presta-se à realização de inúmeros ensaios in situ. Para conhecimento do material perfurado, pode-se empregar o método de lavagem, e para definir a resistência à penetração com as diferentes interpretações de seus resultados, emprega-se o método de percussão, também chamado SPT (Standard Penetration Test). A Fig. 6.29 mostra o esquema de montagem dos equipamentos necessários a esse tipo de sondagem.

a) Perfuração por lavagem

Execução da sondagem A sondagem por lavagem é sempre

154

1

Geologia de Barragens

combinada com a sondagem a trado, uma vez que esta permite uma melhor amostragem. Assim, a perfuração é geralmente iniciada por um trado concha até atingir o impenetrável a esse tipo de perfuração, quando então troca-se o trado concha pelo helicoidal, prosseguindo até o impenetrável definido no item 6 .4.2a. A partir desse ponto, inicia-se a sondagem por lavagem, que consiste em penetrar por percussão o trépano mostrado na Fig. 6.30. Essa peça de aço possui dois furos por onde sai a água introduzida sob pressão nas hastes que conduzem o trépano. Para facilitar a trituração do

Tripé ~

material escavado, faz-se subir manualmente a composição haste + trépano por uma altura de 30 cm, soltando-a em queda livre com um movimento manual de rotação imprimido às hastes. A sondagem por lavagem será dada por concluída nos seguintes casos: • quando atinge a profundidade especificada na programação dos serviços; • quando o avanço for inferior a 5 cm durante 30 min.

Amostragem A amostra na sondagem por lavagem é obtida de três formas: • amostra retirada dos trados; • amostra obtida pela circulação da água; • amostra colhida por uma bomba balde.

b) Perfuração a percussão com SPT

ovimentação Haste _,,,,-Parede do furo

Barrilete

FIG. 6.29 Esquema de montagem da sondagem

SPT Fonte: modificado de ABGE (1998). Orifício de saída da água

FIG. 6.30 Trépano

Fonte: modificado de ABGE (1980).

Execução da sondagem Nesse tipo de sondagem, utiliza-se o tripé mostrado na Fig. 6.29, onde uma manivela permite acionar um cabo que sustenta um peso de 65 kg. No interior do furo encontra-se uma haste em cuj o topo há uma cabeça de cravação (ressalto na Fig. 6.29) e na base, um barrilete que funciona como escavador e amostrador. O barrilete (Fig. 6.31) é um tubo oco com dimensões internacionalmente padronizadas para permitir o correlacionamento dos seus resultados com outras experiências brasileiras e internacionais. Inicia-se a perfuração com um tubo # concha até a profundidade de 55 cm. Daí em diante, alternam-se trechos de

6 - Investigações para obras de barragens 1 155

Seção A-A

736,60 mm

-G.

-

6.31 Ba rrilete padrão para SPT e: modificado de ABGE (1980).

~- T com 45 cm de extensão com trechos -: 55 cm escavados a trado ou por lava-

Fig. 6.32 mostra um exemplo de apresen-

;em. Para execução do SPT, são feitas três

tação de uma sondagem SPT, em que se pode visualizar a diferença entre as duas

~arcas na haste (geralmente com giz),

medições anteriormente referidas .

.:.:stanciadas 15 cm entre si. Colocado _ barrilete no fundo do furo, apoia-se

A sondagem deverá ser dada por concluída quando a penetração referente a dez golpes consecutivos for inferior a 5 cm, não se computando os cinco primeiros golpes do

-~avemente o peso de cravação sobre o ~ssalto das hastes e anota-se a eventual _enetração observada, que corresponderá a zero

golpes.

teste, ou quando o número de golpes ultrapassar 50 num ensaio em 30 cm. Nesses casos,

considera-se o material impe-

Em seguida, suspende-se o peso de eraação até uma altura de 75 cm em relação a cabeça de cravação da haste, fazendo-o

netrável à percussão. Na Fig. 6.32, o

cair em queda livre sobre esse ressalto, com a consequente cravação de parte do

cessários 18 golpes para penetrar apenas 5 cm.

arrilete. Continua-se com essa operação, anotando-se quantos golpes foram neces-

A aplicação da sondagem a percussão em projetos de barragem praticamente se

sários para a cravação dos 30 cm iniciais e dos 30 cm finais . Embora os 30 cm iniciais

resume à medição da resistência do solo

impenetrável ocorreu quando foram ne -

nos 55 cm superiores ao trecho perfurado

como suporte para cargas que lhe serão aplicadas. Assim, o seu emprego tem significativa importância para definir as características das fundações da barra-

com SPT, uma influência da conturbação provocada no trecho escavado a trado ou

gem, quando se trata de solo espesso ou de sedimento pouco consolidado. Nesses

por lavagem, motivo pelo qual os 30 cm iniciais geralmente apresentam resistência inferior à dos 30 cm finais. Assim,

casos, a barragem mais indicada é a de terra, e o SPT esclarecerá dois pontos fundamentais : a) a que profundidade se encontra o impenetrável à percussão;

possam dar alguma referência sobre a resistência do solo penetrado, sempre há,

para efeito da aplicação desse método ao projeto geotécnico, empregam-se apenas

b) qual a profundidade em que o SPT é

os 30 cm finais, que corresponderiam

compatível com a carga máxima imposta

ao valor da resistência à penetração. A

pela obra a projetar.

156

Geologia de Barragens

1

Percussão -- - 30 cm iniciais - 30 cm finais Golpes/30 cm 10 20 30

Infiltração

_._;

!Golpes 30 cm Iniciais Finais 3

1

Descrição do material

TestE Absorção nº k=cm/Seg

4

1

!

1

',

'\

'r\ 't

Areia fina siltosa fofa, cinza escura (aluvião)

:....:. ·-·- .

4

5

0 87

5

5

2,00- 1,90

3

5

9

11

16

17

19

22

6,00 5,98

17

19

22

25

6,87 ... . . . . - Areia fina e média compacta, ·· cinza clara (aluvião) 8,00 8,00 i:,..:..·~- .:.... · + - ----------1

20

23

' t _:/.Areia fina silto-argilosa pouco

V ::-;

compacta.cinza (aluvião)

Areia fina e média siltosa, com lente argilosas pouco a median. compacta, cinza escu ra (aluvião)

NA " 3,65 ·,-:---=-:-:- ··-

- .-.

1

1

)> I 1

I

\

'[\ \

1

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Argila arenosa dura, cinza escura (aluvião)

✓-·.

~

I

1

Areia fina e média argilosa, compacta cinza clara (aluvião)

0,00 10831<-y"-· .-'-_.L.• - -- - -- - - - - - 1 ' · o: - o· Areia grossa com pedreg. c . j...

11,62

~-o.º·

ª;:;~;~?aá~íl/fi~~\~º)

12,00 \ _ Final da perfuração

Observações: - Impenetrável a percussão (alter. de rocha) Localização: N=

Estaca 16 + 0,00 - montante 20 m

Coordejnadas E=

!Cota: !Operador: 604,794 1 Assis

FIG. 6.32 Perfil de uma sondagem a percussão com SPT

> V cr::

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1<.:.-...:....L _ :..i. _ _ _...:___ __ _ _ _--J ' - -

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4,00

V,

V

Sondagem nº SP.07 Data JVisto: 1 = 30/12/92 TT = 04/12/92

1

6 - Investigações para obras de barragens

A quantidade de sondagens SPT para uma fundação de barragem varia em :unção das seguintes condicionantes: atureza do solo, altura da barragem, extensão do eixo e área da base da barragem. Em função dessas condicionantes, o espaçamento entre furos pode variar de 10 m a 50 m. O ideal é combinar o uso de algumas dessas sondagens com a sondaoem rotativa, produzindo uma sondagem mista (ver item 6.4.5). Além dos objetivos anteriormente referidos para esse tipo de sondagem, podem ainda ser feitas inúmeras correlações entre a resistência à penetração e diversos mdices dos solos. Para os solos arenosos, por exemplo, é possível estimar o módulo de deformabilidade, o ângulo de atrito e a compacidade da areia, e para os solos argilosos, estimar o módulo de deformabilidade, a coesão e a consistência da argila.

Amostragem na sondagem a percussão A sondagem a percussão com SPT utiliza o amostrador padronizado tipo Raymond (Fig. 6.31). Como se pode observar no corte A-A dessa figura, o corpo principal, com extensão de 55,88 cm, é bipartido, formando, quando desmontado, duas calhas em que se pode analisar e coletar a amostra de solo que aí fica retida. A espessura desse barrilete é de 0,795 cm, o que equivale a uma int rodução no solo pesquisado de 1,59 cm de espessura total da ferramenta de escavação que penetra sob impacto de batidas . Obviamente que essa penetração dinâmica causa forte compressão da amostra produzida, deformando sua est rutura original, motivo pelo qual não se

1 157

deve utilizar essa amostra como amostra indeformada para efeito de testes laboratoriais. Para os demais usos, a amostra coletada no barrilete de percussão pode ser acondicionada segundo as recomendações feitas em 6.4.2b. Para os solos argilosos ou siltosos de baixa consistência, é possível coletar amostras praticamente indeformadas com o uso do amostrador de solo de cravação com paredes finas, também denominado de Shelby, por ter sido a marca registrada com essa utilidade. Como se pode ver na Fig. 6.33, esse amostrador é composto por um tubo metálico de paredes finas, em geral com 50 cm de comprimento e diâmetro de 2 ½" ou 4", ligado a uma cabeça provida de uma válvula de alívio. O amostrador é introduzido no solo por meio de cravação contínua e constante, e a válvula permite o escape do ar e da água à medida que o solo penetra nele. Concluída a coleta, o tubo é desconectado da cabeça, sendo raspados levemente cerca de 2 cm do solo em cada extremidade, quantidade substituída por parafina a fim de conservar a umidade natural da amostra. Em laboratório, a amostra é retirada através de um extrator e submetida a todos os testes aplicados a amostras indeformadas.

6.3.4 Sondagens rotativas (SR) Esse é um tipo de sondagem largamente utilizado em obras de engenharia que envolvem o conhecimento das rochas sondadas, uma vez que permite a perfuração e a extração de qualquer tipo de rocha. Por meio desse método prospectivo, o material rochoso é perfurado pela ação conjugada de rotação e força de penetra-

158

1 Geologia de Barragens

ção, que cortam a rocha de forma cilíndrica e contínua ao longo de todo o furo. A amostra de rocha perfurada é denominada test emunho.A Fig. 6.34apresenta um esquema desse tipo de sondagem, em que a engrenagem mecânica acionada por um motor é responsável pela rotação dos equipamentos de corte e amostragem, denominados, respectivamente, coroa e barrilete. A Fig. 6.35 mostra uma foto de uma sonda rotativa em operação. A água bomb eada sob pressão objetiva evitar o superaquecimento da coroa durante o corte da rocha. A quant idade de testemunhos retida no barrilete, dada em percentagem entre a extensão da amostra e o comprimento perfurado, é denominada recuperação. Considera-se como extensão da amostra o somatório de todos os trechos em que

,, · / ,,,..,...,.,../

se compartimentou o testemunho durante uma manobra, independentemente do comprimento de cada um desses trechos. Denomina-se manobra na sondagem rotativa cada ciclo de corte e retirada dotestemunho do interior do barrilete. Algumas classificações de maciços rochosos usam a recuperação modificada, também denominada RQD (Rock Quality Designation). Por meio dessa metodologia, somam-se em uma manobra todos os trechos de t estemunho que tenham individualmente comprimento igual ou maior que 10 cm, excluindo aqueles que foram partidos para acomodação do t estemunho na caixa. O RQD representa a relação entre a soma desses pedaços e a ext ensão da manobra. A perfuração pode ser feita em diversos diâmetros padronizados pela DCDMA (Diamond Core Drill Manufactures Asso-

~ Furo de sondagem .✓

_ . alargado e limpo

/

,?· · '/

Orifício para alívio de pressão (válvula esferoidal interna) ,·

Cabeçote com rosca para ' conector (niple adaptador) /

/

.

/

. ·· . .,....,...-Tubo amostrador _,;(cam isa fina de latão)

/

/ /

/

Antes da cravação

/

/ /

/

,•

/

.

/

Após

/

á cravação

6 - Investigações para obras de barragens 1 159

Mangueira para sucção de uma fonte de água

Revestimento

®

®

®~

y

V

V

V

y

\I

Barrilete

FIG. 6.34 Esquema de uma sonda rotativa :onte: modificado de ABGE (1998).

d ation), conforme indicado na Tab. 6.3, na qual a primeira letra refere-se ao diâmetro do furo e a segunda (X ou W), ao ipo de acoplamento dos tubos de revestimento.

a) Perfuração a rotação Deve-se utilizar a sondagem rotativa naqueles materiais que demonstraram impenetrabilidade a outros métodos mais simples de perfuração, como trado e son-

dagem a percussão. Assim, admite-se que tais métodos já foram utilizados nos materiais inconsistentes que recobrem os maciços rochosos, incluindo o solo e o saprólito. Em alguns casos, o saprólito apresenta elevada resistência àqueles processos mais simples, principalmente em decorrência das heterogeneidades consequentes da intemperização diferencial, o que exige sua perfuração pelo método rotativo.

160

1

Geologia de Barragens

de vídia embutidas no corpo metálico da coroa, projetando-se apenas o necessário para uma eficaz ação de corte. As pastilhas são formadas por uma liga de aço com carboreto de tungstênio, que lhe confere alta resistência para o corte. Para rochas duras, é necessário utilizar coroa diamantada, que pode ser de dois tipos: com os diamantes cravados em torno da face da coroa e incrustados até certa profundidade na matriz (Fig. 6.36b) ou com os diamantes impregnados dentro da matriz FIG. 6.35 Sonda rotativa em operação Fonte: projeto do autor.

TAB. 6.3 Diâmetros de perfuração Denominação

Diâmetro Diâmetro do do furo (mm) testemunho (mm)

EW-EX

37,71

AW-AX

48,00

30,10

BW-BX

59,94

42 ,04

NW-NX

75,69

54,73

HW-HX

99,23

76,20

21,46

O avanço da sondagem rotativa pode ser manual ou hidráulico. O avanço manual sob o controle de um sondador experiente é recomendado em maciços rochosos muito alterados ou extremamente fraturados , a fim de se obter uma melhor recuperação. Outras práticas para melhorar essa recuperação serão discutidas no próximo item, referente à amostragem.

da coroa. Escolhidos os tipos de avanço e de coroa, inicia-se a perfuração em rocha por meio de manobras compatíveis com o estado de alteração e de fraturamento da rocha. Quando a rocha possui boa qualidade nesses aspectos, a manobra pode ser quase igual ao comprimento total do barrilete (3 a 5 m). Quando as más características do maciço rochoso dificultam a amostragem, deve-se diminuir o comprimento da manobra. Ao se atingir o nível freático, deve-se anotar sua profundidade e medi: esse nível todas as manhãs, antes ce reiniciar as operações. Concluída a so~dagem, deve-se esvaziar o furo e, no seguinte, medir o nível corresponde --= à estabilização do freático. Essa pro dência visa evitar o mascaramento des nível pela introdução da água para s

Definido o tipo de avanço da sonda-

dagem, principalmente quando o solo

gem rotativa, é necessário escolher o

intemperização é argiloso, podendo le

tipo de coroa que cortará a rocha. Se o

muito tempo para que essa água se infil e seja equilibrada a configuração hidrogológica local. Situação como essa provoco uma falsa interpretação da profundida " do freático em um projeto de estabilizaç"

maciço rochoso for brando, como algurochas sedimentares, ou saprólito de as. emprega-se a coroa de -da de pastilhas

6 - Investigações para obras de barragens

1 161

b Batente Face Seção calibradora externa

Saída d'água a

Corpo Corpo

. 6.3 6 Coroas de sondagem rotativa do tipo vídia (a) e diamante (b) .;:e: modifzcado de ABGE (1980).

encosta no Rio de Janeiro, resultando projeto de contenção oneroso e des_,,,cessário. A apresentação dos resultados da per-

-:.!ração rotativa deve constar em um -:-erfil apropriado (ver Fig. 4.4), no qual - n stem as seguintes informações: • nome da obra e do cliente; • identificação e localização do furo; • inclinação e rumo do furo; • diâmetro da sondagem e tipos de barrilete e de coroas utilizados; • cotas e coordenadas; • data de execução; • nomes do sondador, da firma executora e do geólogo responsável; • posição do revestimento; • escala de profundidade; • recuperação dos testemunhos em percentagem por manobra; • número de peças de testemunhos por metro; • RQD; • graus de consistência, decomposição e fraturamento; • simbologia para as principais descontinuidades;

• simbologia para o perfil geológico; • descrição litológica; • nível d 'água e suas variações, com respectivas datas; • ensaio de perda d' água, indicando: vazão específica, pressão efetiva e gráfico pressão x vazão; • valor da permeabilidade por trecho ensaiado; • assinaturas do responsável pela sondagem e do geólogo fiscal.

b) Amostragem na sondagem rotativa A amostra de rocha obtida na sondagem rotativa, ou testemunho, fica armazenada no barrilete indicado na Fig. 6.34. Os barriletes mais conhecidos são: simples, duplo-rígido e duplo -giratório (Fig. 6.37). O barrilete simples consta de um único tubo, onde a passagem da água de circulação ocorre entre sua parede interna e o testemunho, que fica sujeito à ação abrasiva dessa água impregnada de detritos, além do atrito com a parede do barrilete. Assim, deve -se utilizar esse barrilete somente em rochas de excelente qualidade.

162

1

Geologia de Barragens

O barrilete duplo-rígido é constituído

Existe ainda um barrilete utilizado para amostragem de materiais inconsolidados, porém impenetráveis à

por dois tubos concêntricos, ambos com o mesmo movimento rotatório. A passagem da água ocorre entre os dois tubos , o que evita seu efeito erosivo sobre o testemu-

percussão e à lavagem, como algumas argilas duras e folhelhos alterados. Trata-

nho. Esse barrilete deve ser utilizado em

-se do amostrador Denison (Fig. 6.38), que possibilita a coleta de amostras

rochas de boa qualidade. O barrilete duplo-giratório, além de possuir dois tubos concêntricos, apresenta um sistema de rolamentos que

indeformadas desses tipos de materiais, semelhantemente ao Shelby, embora este seja operado por pressão para solos moles e o Denison, por rotação para solos duros . Observa-se, assim, que a escolha do

impede que o tubo interno, que armazena o testemunho, acompanhe a rotação do tubo externo. Assim, além de o testemu-

barrilete é fundamental para a obtenção

nho ficar liv re do contato com a água de

de uma boa recuperação, além do t ipo de

circulação, que pas sa entre os dois tubos ,

avanço e do comprimento da manobra. A experiência do sondador complementa os

ele sofre o menor impacto possível. Deve-se utilizar esse barrilete para amostrar rochas brandas, alteradas e fraturadas .

cuidados para uma boa recuperação, pois, na ausência do geólogo, o sondador deve

Rolamento Cabeçote

Pino de guia

Adaptador Tubo externo

Tubo interno

Tubo do barrilete

Tubo externo

1

r 1 Calibrador Calibrador Mola Mola

Barrilete simples

Barrilete duplo-rígido

FIG . 6.37 Tipos de barrilete para sondagem rotativa Fonte: modificado de ABGE (1980).

Barrilete duplo-giratório

6 - Investigações para obras de barragens 1 163

tar apto a fazer as escolhas indicadas teriormente, bem como minimizar os pactos e abalos provocados pela im- rícia no fornecimento de cabo, que -ontribuem para reduzir a recuperação. _ara que o maciço rochoso seja bem repre5entado, recomenda-se que a recuperação :ião seja inferior a 90%. Esgotados todos os recursos aqui expli'tados, caso a recuperação ainda seja muito aixa (menor que 80%) e o conhecimento o trecho não recuperado seja de significativa importância para o projeto, pode-se realizar a amostragem integral, recurso esenvolvido pelo Laboratório Nacional de :3ngenharia Civil (LNEC) de Portugal e já aplicado no Brasil desde a década de 1970. A Fig. 6.39 mostra o esquema de aplicação dessa metodologia, modificada a partir de um fôlder da Sondotécnica/ LNEC, e a Fig. 6.40 mostra fotos de testemunhos de sondagens obtidos por tal método. Conforme mostra a Fig. 6. 3 9, em 1 a sondagem é executada no diâmetro normal D, preferencialmente NX; em 2 inicia-se o procedimento para a amostragem integral do trecho abaixo do executado em 1, por meio de uma perfuração em um diâmetro menor (d), que poderia ser EX; em 3 são inroduzidas hastes referenciadas ao norte magnético, sendo o trecho introduzido no diâmetro d provido de orifícios; em 4 é feita a solidarização das hastes na base do furo com diâmetro maior e introduzida sob pressão uma calda com produto químico cimentante, que penetrará através dos furos nos vazios da rocha perfurada pelo diâmetro menor; em 5 a haste é desconectada no trecho de maior diâmetro e é realizada uma sobreperfuração do trecho

Rolamento

Haste

Cabeçote interno

Tubo interno

Camisa de latão

Retentor da amostra Projeção do tubo interno Sapata do tubo interno

FIG. 6.38 Barrilete amostrador tipo Denison Fonte: modificado de ABGE (1980).

injetado, no mesmo diâmetro D da perfuração inicial. O testemunho assim obtido terá uma recuperação integral, uma vez que as partes fraturadas e/ou alteradas foram consolidadas pela injeção de produto colante. Além dessa vantagem, o testemunho acha-se referenciado, o que permitirá que sejam definidas as atitudes de todas as suas descontinuidades. Os testemunhos de sondagem devem ser acondicionados cuidadosamente em caixas de madeira ou de plástico, a fim de evitar quebras, e mantendo as posições relativas dos testemunhos obtidos. Cada manobra deve ser separada da anterior e

164

1

Geologia de Barragens

da seguinte por tacos de madeira em que serão anotados com tinta indelével a profundidade do início e do final da manobra. Na tampa e num dos lados menores da caixa, deverão ser anotados com tinta indelével os seguintes dados: nome da obra e do cliente; número do furo; e localização do furo. A Fig. 6.41 mostra um exemplo de caixa com testemunhos em uma obra supervisionada pelo autor.

e) Aplicações da sondagem rotativa em projetos de barragens A sondagem rotativa constitui ferramenta indispensável para qualquer obra 2

de barramento, aplicável não apenas para o conhecimento das rochas das fundações, mas de todas as obras relacionadas com o barramento. Assim, podem-se distinguir as aplicações da sondagem rotativa nas seguintes obras e feições de um projeto de barragem: fundações, vertedouros, canais, túneis, usinas hidrelétricas e pedreiras.

Sondagens rotativas para as fundações da barragem As sondagens ao longo das fundações da barragem objetivam fornecer as seguintes informações: • caracterização litológica;

3

4

5

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cr

= _". 39

Esquema da execução de uma amostragem integral

6 - Investigações para obras de barragens 1 165

FIG. 6.40 Detalhe da amostragem integral e um testemunho com 2,20 m dessa amostragem :::ante: cortesia da Sondotécnica.

• estado de alteração das rochas;

Todas

essas

informações

são

• tipo, posicionamento e abertura das fraturas;

imprescindíveis para uma perfeita caracterização geomecânica e hidrogeotécnica

• grau de consistência das rochas;

do eixo barrável, conforme analisado no item 4 .2. Para obter o máximo aproveitamento dessas informações, é necessário

• condutividade hidráulica do maciço rochoso; • coleta de amostras para ensaios laboratoriais; • ensaios in situ; • definição do fluxo das águas subterrâneas .

elaborar um programa de sondagens adequado às reais necessidades do projeto, considerando sempre que, em projeto de barragem, cada caso é um caso. Assim, não é possível estabelecer um programa

H/\ll 11 /\ GEM S. /\ ~ T O'\: I O )) E L I i\l / SO~D/\GEi\l SIC 02

:IG. 6.41 Caixa de testemunhos

EST. :i+0,00-EIXO

166 1 Geologia de Barragens

de sondagens com se fosse uma receita de bolo. Qualquer planejamento nesse sentido deve-se apoiar nos seguintes conhecimentos prévios: • caracterização geológico-geotécnica superficial, com ênfase para as estruturas geológicas presentes; • caracterização morfológica da área que interessa ao eixo barrável; • premissas técnicas do projeto. Com base nesses conhecimentos, deve-se partir para o planejamento das sondagens, que envolve as seguintes definições: número de sondagens; espaçamento entre as sondagens; inclinação dos furos; profundidade; feições geológicas passíveis de detalhamento; aferições de prospecções indiretas; necessidades específicas do projeto; dificuldades operacionais; custo x benefício etc. O número de sondagens varia muito em função da extensão do eixo barrável, do tipo de barragem e das características geológicas a esclarecer. Entretanto, deve-se considerar que, em termos de reconhecimento, por exemplo, para cotejar alternativas diferentes na etapa de viabilidade, é necessário um mínimo de quatro sondagens, duas na parte baixa do vale e uma em cada ombreira. Definido o eixo a estudar, serão acrescentadas mais sondagens não somente ao longo do eixo, mas também a certa distância para montante e para jusante. Essas sondagens rotativas podem ser complementadas por sondagens a percussão, como mostrado na Fig. 6.42, ou por sondagens mistas, como mostrado na Fig. 6.43, ambas as áreas referentes a projetos desenvolvidos pelo autor.

Embora a fase de viabilidade exija o número suficiente de sondagens para esclarecer todos os problemas da fundação, é sempre possível haver a necessidade de realizar mais sondagens na etapa de projeto básico, principalmente se houver alguma mudança no projeto idealizado na etapa de viabilidade. O espaçamento entre sondagens também não pode ser constante, pois varia em função das exigências do projeto e das necessidades em detalhar a geologia em subsuperfície. Em áreas de geologia mais homogênea, como regiões sedimentares, o espaçamento pode ser mais regular, variando entre 50 m e 100 m, como mostrado na Fig. 6.43, onde o espaçamento ao longo do eixo barrável foi constante e igual a 100 m. Em função dos primeiros resultados obtidos, um espaçamento inicialmente previsto poderá ser diminuído ou aumentado. A inclinação dos furos depende da geologia das fundações. Em regiões sedimentares, como na barragem de Contrato (Fig. 6.43), as sondagens podem ser verticais (Fig. 6.44); em áreas cristalinas, porém, onde a maioria das fraturas são verticais, como na barragem de Serrinha (Fig. 6.42), deve-se inclinar o furo de 10 a 30° com a vertical, a fim de interceptar um maior número de fraturas (Fig. 6.45). A profundidade tem relação direta com a altura prevista para a barrage imediatamente sobre o local da sondagem Nesse sentido, há muitas divergências entre os autores, que chegam a estabelec profundidades que variam desde 0,5 H a e 1,0 H (H = altura da barragem). O mais recomendável seria adotar como parâme

6 - Investigações para obras de barragens

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Qal FIG. 6.42 Sondagens rotativas e a percussão na barragem de Serrinha (PE)

FIG. 6.43 Sondagens rotativas e mistas na barragem de Contrato (PI)

médio 0,75 H, partindo do princípio de não encerrar a sondagem sem que sejam

obtidos em duas manobras sucessivas, de 3 m cada, todos os valores ideais para

168

1 Geologia de Barragens

o projeto (recuperação, consistência, alteração, fraturamento e condutividade hidráulica). A caracterização das feições geológicas passíveis de detalhamento pode ocorrer na fase final de uma campanha de sondagens na etapa de viabilidade ou no projeto básico, sendo uma consequência da interpretação das sondagens anteriores. Nesses casos, a localização da sondagem é definida pelo surgimento da necessidade de detalhar uma feição geológica já identificada, como uma falha, um dique, uma zona alterada, um paleovale etc. A aferição de prospecções indiretas, como a geofísica, pode ocorrer de duas formas: proceder a uma correlação entre as prospecções semidiretas e indiretas, como já comentado nos métodos geofísicos; ou esclarecer feições determinadas pela geofísica, como paleocanais, heterogeneidades, fraturas etc. A Fig. 6.44 m

mostra um paleocanal cuja presença foi prevista pela geofísica e confirmada pela sondagem SM-8. As necessidades específicas do projeto podem exigir a realização de sondagens localizadas ao longo das fundações da barragem, como, por exemplo, na base de futuras tubulações para tomada d' água ou vertedouros tulipas. Também o projeto de barragem em concreto pode exigir sondagens mais adensadas e localizadas sob determinadas estruturas. A barragem de enrocamento com face de concreto exigirá sondagens sob o plinto. As dificuldades operacionais geralmente são ditadas pela morfologia do eixo e pela presença da água no rio. Em vales com declividades muito íngremes, como a barragem de Irapé, em Minas Gerais, torna-se impossível sondar em grande parte de suas ombreiras. Uma solução para tais casos seria a abertura de nichos ou peque-

SR-11

25

30

35

40

45

FIG. 6.44 Seção no eixo da barragem de Contrato (PI), vendo-se o leito do rio entre as sondagens SM-9 e SM-1 Note-se que, além das sondagens mistas (SM-7 a SM-10), localizadas na bacia de inundação, também a sondagem rotativa (SR-11), localizada na ombreira esquerda, foi executada na vertical

6 - Investigações para obras de barragens 1 169

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-IG. 6.45

Seção no eixo da barragem de Serrinha (PE), mostrando todas as sondagens rotativas inclinadas

nos túneis que permitissem a localização de sondas de pequenas dimensões. Também o rio dificulta a realização de sondagens, ?rincipalmente quando a lâmina de água é espessa. Essas situações exigem a implantaão de plataformas fixas ou flutuantes que oneram e retardam muito essas investigações. Quando a largura do rio não é muito !!rande, podem-se realizar sondagens inclinadas a partir de suas margens, pelo menos na fase de viabilidade (Fig. 6.46). Finalmente, deve-se observar na programação de sondagens a relação custo x benefício. Isso não significa que, em uma pesquisa para barragem, se faça economia em detrimento da qualidade. Ocorre que, muitas vezes, uma sondagem a mais não trará informações adicionais que justifiquem a sua execução, como ambém, às vezes, duas sondagens podem ser substituídas por uma sem representar risco de comprometimento da pesquisa. As sim, deve-se avaliar muito bem o benefício advindo de cada sondagem.

Sondagens rotativas para vertedouros Será abordada aqui apenas a situação do vertedouro localizado fora do eixo bar-

rável, pois, do contrário, as sondagens constituiriam uma das particularidades já citadas para as fundações da barragem. Fora do eixo barrável, o vertedouro geralmente tem a forma assumida na Fig. 5.3a, podendo a ogiva situar-se em uma depressão do terreno ou ser implantada em uma área escavada. Em princípio, devem ser investigadas por sondagens rotativas as fundações da ogiva, do canal rápido e da bacia de dissipação. O número de sondagens em cada uma dessas obras dependerá de suas extensões e das características geológicas locais, mas, se a ogiva localizar-se em uma depressão morfológica, devem-se fazer pelo menos três sondagens no sentido transversal ao fluxo vertedor (Fig. 6.47).

Sondagens rotativas para canais Em barragens, os canais podem ter várias finalidades, como desvio do rio, tomada d'água, aproximação do vertedouro etc. As sondagens rotativas nessas obras visam definir os contatos entre solo, saprólito, rocha alterada e rocha sã, a fim de possibilitar a análise de estabilidade necessária ao projeto de taludamento dos

17 0

1 Geologia de Barragens

NA em 20/02/1974

25

20

15

10

5

o ._________________________________________, FIG. 6.46 Seção ao longo do eixo da barragem de Ma tapagipe (PE), em projeto coordenado pelo autor.

Observe-se que as sondagens inclinadas na fase de viabilidade resolveram o problema da lâmina d'água no rio

cortes a proceder no canal, como mostrado na Fig. 5.2 . Caso o canal não seja muito extenso, três sondagens são necessárias: uma no seu trecho inicial, outra nas proximidades da obra a que se destina (ogiva do vertedouro, tomada d 'água etc.) e uma intermediária. Todas as sondagens deverão atingir a cota prevista para o piso do canal. Se o canal for muito extenso, recomenda-se interpolar a prospecção geofísica entre essas três sondagens.

Sondagens rotativas para túneis Entre as finalidades de obras subterrâneas passíveis de ocorrer em um projeto de barragem, enumeradas no item 5.4 .1, apenas a casa de força não pode ser considerada um túnel. Assim, pelo menos sete utilizações de túnel foram ali previstas, o que dá uma ideia da importância da investigação por sondagem para esse tipo de obra.

No item 5.4 ficou clara a distinção no tratamento de duas porções de um túnel: emboques e traçado. Nos emboques, a caracterização das descontinuidades do maciço rochoso e de seu regolito é fundamental para avaliar a melhor solução do projeto, como mostrado na Fig. 5.6. Assim, deverão ser executadas duas a três sondagens no sentido contrário à declividade do terreno sobre os emboques, a fim de caracterizar todas as feições geológicas necessárias ao projeto . Quanto ao traçado, o mapeamento geológico e uma topografia de detalhe deverão indicar os principais pontos a ser investigados por sondagens rotativas . Assim, no túnel mostrado na Fig. 5.7a seriam imprescindíveis as sondagens nos pontos B e C, com profundidades que ultrapassassem a cota prevista para o piso do túnel. Caso essas sondagens revelassem situações desfavoráveis à escavação desse túnel,

6 - Investigações para obras de barragens 1

171

55

50

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25

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..f FIG. 6.47 Sondagens rotativas executadas para a ogiva do vertedouro da barragem de Orobó (PE) ?ante: pesquisa do autor.

sondagens adicionais com espaçamento de 10 m seriam executadas, a fim de definir a extensão do problema. Nos inerflúvios, seriam feitas sondagens com a profundidade suficiente para interceptar o nível freático, podendo ser concluídas após duas manobras de 3 m cada uma, que apresentassem os parâmetros já citados em conformidade com as necessidades do projeto. Para túneis muito extensos, as sondagens rotativas devem ser interpoladas com a prospecção geofísica.

Sondagens rotativas para usinas hidrelétricas (casa de força) As usinas hidrelétricas podem ser instaladas no corpo da barragem, quando

as sondagens estariam incorporadas à programação das fundações, discutidas anteriormente. Desligada do corpo da barragem, a usina pode admitir três situações de localização: abrigada, em poço e subterrânea. Nos casos de abrigada ou em poço, a localização fica muito próxima à superfície, o que facilitaria sua investigação por meio de sondagens rotativas inclinadas, conforme especificado para os emboques dos túneis . No caso de usina subterrânea, a investigação dependerá da sua distância em relação à superfície e da morfologia local. Se essa distância for muito grande e a declividade for muito forte, pode ser mais econômico abrir um túnel que poderá ser utilizado no futuro

172

1

Geologia de Barragens

pelo próprio projeto, como acesso à usina ou para restituição das águas turbinadas, e a partir desse túnel executar sondagens rotativas horizontais que poderão subsidiar a elaboração de alguns testes in situ.

Sondagens rotativas para pedreiras Como será discutido no Cap. 9, um dos objetivos da pesquisa de material pétreo para as obras de engenharia é a definição do expurgo das pedreiras, ou seja, a caracterização de todos os materiais que recobrem a rocha sã, bem como sua espessura. Para tanto, é necessário utilizar a sondagem rotativa. Dependendo da extensão da pedreira, podem-se programar duas a três sondagens localizadas de forma a propiciar uma boa representação de toda a pedreira investigada. Para pedreiras muito extensas, essas sondagens poderão ser interpoladas e extrapoladas com a prospecção geofísica. As sondagens deverão ser concluídas ao se atingir duas manobras de 3 m cada uma, com boa recuperação (acima de 90%).

na vertical, a sua continuidade por meio da sondagem rotativa não pode ter qualquer inclinação com a vertical. Esse tipo de sondagem é largamente utilizado para pesquisar as fundações de uma barragem, como exemplificam as Figs. 6.43 e 6.44.

6.3.6 Sondagem com rotopercussão a) Equipamentos e metodologia A sondagem rotopercussora utiliza

conjuntamente a percussão e a rotação, visando à trituração da rocha. O sistema de perfuração pode ser de três tipos: manual, mantido sobre vagão e jumbo. O tipo manual é também chamado martelete (Figs . 6.48 e 6.49) . Esse equipamento é constituído de três partes: cabeça, haste e broca. Na cabeça (ver Fig. 6.49), são imprimidas as ações de percussão e de rotação. Os impactos produzidos por um pistão originam ondas de choque que se transmitem à broca através da haste. Com o movimento de rotação, faz-se girar a broca para que os impactos se

6.3.5 Sondagens mistas (SM) As sondagens mistas constituem uma associação da sondagem a percussão e da sondagem rotativa. Assim, em uma mesma sondagem são investigados os materiais incoerentes, por meio da percussão, e os materiais rochosos mais resistentes, por meio da sonda rotativa. Não será necessário, portanto, descrever a metodologia de sua execução, uma vez que é a mesma já referida nos dois tipos prospectivos incluídos. Apenas se faz restrição à inclinação do furo, pois, uma vez que a

sondagem a percussão é realizada apenas

FIG. 6.48 Corpo de um martelete Fonte: ITGE (1994).

6 - Investigações para obras de barragens 1 173 Movimento de Percussão Movimento De rotação

Haste

Avanço

Corpo Detritos

/ ' 1

:IG. 6.49 Ação de um martelete .=-onte: modificado de ITGE (1994) .

. reduzam sobre a rocha em distintas posições. As hastes podem ter seção redonda ou hexagonal, com comprimento variável entre 3 m e 6 m e diâmetro entre 1" e 2". • s brocas podem ser de pastilhas ou de :>0tões. Nas brocas de pastilhas, são inseridas na cabeça da broca quatro pastilhas de carboreto de tungstênio, dispostas em cruz ou em X (Fig. 6.50a). Na broca de botões, são inseridos cilindros de carboreto de tungstênio em sua cabeça, de forma a ficarem expostos em forma de botões (Fig. 6.50b). Os detritos resultantes da trituração da rocha por meio desse processo são expelidos do furo pelo efeito do ar ou da água, embora no Brasil se utilize o ar com maior frequência. O equipamento rotopercussor montado sobre vagão pode ser deslocado por

a

rodas ou por esteiras. O deslocamento por esteiras (Fig. 6.51) é mais utilizado em razão da maior facilidade de transitar sobre terrenos irregulares. O sistema jumbo (Fig. 6.52) é semelhante ao anterior, com a diferença de que possui dois ou mais braços para executar vários furos simultaneamente, na horizontal ou na vertical, tanto de cima para baixo como de baixo para cima, no caso de obras subterrâneas.

b) Aplicações da rotopercussão em barragens Esse método de investigação tem muita restrição, pela qualidade da amostragem obtida. Como o material rochoso é totalmente triturado, a identificação litológica somente é possível por meio da identificação mineralógica dos detritos extraídos,

b

FIG. 6.50 Tipos de broca para a sondagem rotopercussora: (a) pastilhas; (b) botões Fonte: modificado de ITGE (1994).

174

1

Geologia de Barragens

• obras subterrâneas: execução de

furos para introdução de explosivos; • pedreiras: execução de furos para

introdução de explosivos.

6.4 PROSPECÇÃO DIRETA Motor

Centralizador da haste ___,.,...,

Martelo de fundo

Tran slação

FIG. 6.51 Esquema de funcionamento de uma rotopercussora sobre vagão deslocado por esteira Fonte: modificado de ITGE (1994).

o que impede qualquer avaliação sobre a textura e estrutura da rocha. Por outro lado, a profundidade máxima de perfuração não excede os 35 m, o que também constitui uma restrição na investigação de uma barragem. Dessa forma, essa metodologia somente é aplicada em obras de barramento nas seguintes situações: • fundações : abertura de drenas; • contenção de encostas: abertura de drenas e para chumbamento de tirantes; X

Como já citado, esse tipo de prospecção leva o investigador até o local pesquisado, independentemente do tipo de material a investigar. Com tal procedimento, é possível definir in loco as seguintes características do subsolo: • perfil do solo, com as características pedológicas de cada variação do material inconsistente e das formas de transição entre horizontes diferentes; • textura e estrutura dos diferentes materiais; • presença de blocos e matacões nos horizontes do solo; • características do saprólito e suas formas de transição para o solo que lhe recobre e para a rocha sotoposta; • características litológicas e seus estados diferenciais de alteração; • atitude real das descontinuidade_ do maciço rochoso, como planos de estratificação, de xistosidade, frat uras, falhas e dobras;

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXX XX XXXXXXXXXXXX XXXX

FIG. 6.52 Rotopercussora no sistemajumbo perfurando em um túnel na horizontal Fonte: modificado de ITGE (1994).

6 - Investigações para obras de barragens

• espaçamento, abertura, rugosidade e preenchimento dos planos de descontinuidade. Além da caracterização in situ dos ma-eriais investigados em subsuperfície, esse tipo de prospecção também permite coletar amostras deformadas ou indeformadas de solos e rochas para a realização de ensaios laboratoriais e a execução dos diferentes tipos de ensaios in situ, em solo ou em rocha. Pode-se fazer a prospecção direta por meio de três métodos: oços, trincheiras e túneis.

6 .4.1 Poços a) Abertura do poço Pode-se abrir o poço em solo ou em rocha. Em solo, utilizam-se ferramentas manuais, como pá, enxada, enxadeco, picareta, barra-mina etc. A seção do poço pode ser quadrada ou circular, e a dimensão varia em função do material a escavar e das necessidades de observação e amostragem, ;:>0rém não deverá ter menos de 2 m de diâmetro ou de lado, dependendo do tipo de seção. A profundidade varia em função do objetivo da investigação, porém dificilmente ultrapassa os 15 m. O avanço da escavação deve ser cuidadoso a fim de evitar riscos à segurança dos operários que realizam a escavação e do técnico que irá analisar e/ ou amostrar o material escavado. Recomendam-se os seguintes procedimentos nessa escavação: i) escavar até a profundidade de 1,5m; ii) analisar detalhadamente as características de cada material

1

175

atravessado, amostrando aqueles que julgar necessários; iii) escorar todas as paredes com tábuas de boa qualidade, contraventando-as com escoras de madeira ou metálicas; iv) prosseguir a escavação adotando a cada 1,5 m os procedim en tos indicados em (ii) e (iii); v) a escavação deverá ser concluída nos seguintes casos: atingir a profundidade que atenda ao objetivo da escavação; atingir o nível freático; atingir a rocha. Para completa segurança da escavação, devem-se tomar os seguintes cuidados: • depositar os materiais escavados a uma distância mínima de 1 m da borda do poço, para não sobrecarregar o topo do talude; • caso não seja necessário deixar o poço aberto para investigações posteriores, deve-se retirar o seu escoramento e preencher o poço com o material que dele foi retirado; • a operação de fechamento do poço deve obedecer às seguintes etapas: (i) retirar o escoramento do trecho mais inferior, mantendo sempre os operários acima desse trecho e sacando as tábuas e escoras por meio de cordas; (ii) retirado o escoramento do trecho mais profundo, deve-se preencher esse trecho com o material depositado nas proximidades do furo, em camadas de 0,30 m de espessura, compactadas por sepos manuais; (iii) preenchido e compactado o trecho mais inferior, procede-se com a

176

1 Geologia de Barragens

mesma metodologia de baixo para cima, até chegar à superfície; • caso o poço necessite permanecer aberto para estudos posteriores, devem-se tomar os seguintes cuidados: cercar com arame farpado uma área num raio de 5 m em torno do poço; construir leiras que desviem o fluxo das águas superficiais, evitando que o escoamento dessas águas penetre no poço; colocar uma placa com as seguintes informações: nome da obra, local de investigação e número do poço. Em rocha, o poço deve ser aberto com a utilização de explosivos, e sua abertura pode ser feita de cima para baixo ou o contrário, no caso de ser feita a partir de uma obra subterrânea. Uma vez que a rocha possui elevada resistência à escavação, as paredes escavadas podem ser mantidas estáveis com cortes verticais, dispensando qualquer tipo de escoramento. No caso de poços iniciados em solo e que adentrem n a rocha, é necessário aumentar bastante suas dimensões em solo e reforçar o escoramento de suas paredes, a fim de permitir a abertura em rocha, quando então as dimensões da abertura poderão ser reduzidas .

b) Amostragem

tar uma mistura de diferentes horizontes do solo (Fig. 6.53). Em ambos os casos, recomenda-se colocar uma lona no fundo do poço e raspar a parede com uma picareta, como indicado nessa figura . Para amostra indeformada, escava-se um nicho na parede do poço, deixando intacto um bloco do horizonte do solo a ser amostrado (Fig. 6.54). A seguir, corta-se o bloco em sua base, na linha de corte indicada nessa figura, com o máximo cuidado para não provocar qualquer dis túrbio da amostra. O bloco retirado é exposto em uma superfície aplainada e recoberto em todas as suas faces com três camadas alternadas de algodão e parafina derretida. Uma vez solidificada a parafina, coloca-se o bloco em uma caixa de madeira, cujos lados e tampas devem ser parafusados para evitar distúrbio na amostra. Para reduzir os impactos do transporte, os espaços entre a caixa e a amostra devem ser preenchidos com serragem úmida.

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A amostragem em um poço deve ser feita ao longo de sua parede lateral, em solo ou em rocha. A amostra em solo pode ser deformada ou indeformada. Na amostragem deformada, pode a amostra ser retirada de um determinado horizonte do solo ou coletada de forma a represen-

FIG . 6.53 Amostragem deformada em mais de whorizonte do solo Fonte: modificado de USDI-BR (1973).

6 - Investigações para obras de barragens

1

177

Parede do poço

FIG. 6.54 Amostragem indeformada de um horizonte do solo

A amostra de rocha poderá ser coletada dos blocos resultantes da dinamitação no ato da escavação.

c) Utilização do poço em barragens O poço é utilizado em projetos de barragem com os seguintes objetivos: • caracterizar e amostrar os materiais incoerentes nas fundações da barragem, nos canais e em emboques de túneis; • aferir a geofísica; • caracterizar e amostrar os solos que serão utilizados nas jazidas de materiais terrosos; • acessar os túneis de investigação nas fundações da barragem.

6.4.2 Trincheira a) Abertura da trincheira A trincheira, por ser uma escavação geralmente muito extensa e estreita, é sempre aberta em solo, e pode ser escavada manualmente ou de forma mecanizada. A

abertura manual utiliza as mesmas ferramentas citadas para a escavação de poços, e os cuidados a tomar nesse processo são os mesmos referidos para os poços. A Fig. 6.55 mostra duas trincheiras abertas em projetos de PCH (pequenas centrais hidrelétricas) desenvolvidos pelo autor. Como cuidados adicionais para esse tipo de escavação, recomendam-se os seguintes: • em trincheiras com profundidade superior a 1,5 m, deverão ser instaladas escadas de acesso espaçadas entre si, no máximo, 15 m; • os trabalhadores dentro da trincheira devem manter entre si uma distância mínima de 3 m; • devem-se manter caminhos de circulação no entorno da trincheira, livres de depósitos de materiais de escavação. Para tanto, recomenda-se fazer essa deposição somente em um dos lados externos da trincheira (Fig. 6.55).

178 1 Geologia de Barragens

FIG. 6.55 Trincheiras abertas manualmente

A abertura mecanizada da trincheira pode ser feita com diversos tipos de escavadeira, sendo mais utilizadas as de caçamba, de arrasto, de mandíbulas e a retroescavaderia. A Fig. 6.56 mostra a escavação de uma trincheira com uma escavadeira de mandíbulas. Observe-se nessa figura o detalhamento do escoramento das paredes da trincheira.

b) Amostragem A amostragem do solo em uma trincheira ocorre da mesma forma especificada para o poço.

e) Utilização de trincheira em barragem A principal utilização da trincheira em projetos de barragem é a caracterização dos materiais incoerentes ao longo das fundações da barragem, pois, como

FIG. 6.56 Escavação de uma trincheira por escavadeira de mandíbulas Fonte: modificado de .

se trata de uma escavação mais longa permite uma melhor visualização desse materiais que o poço, não apenas ao long das ombreiras, mas também na partem · rebaixada do vale. Nas fundações, as trin cheiras são geralmente escavadas ao long

6 - Investi gações para obras de barragens 1 179

::o cut off, ou ao longo da base do plinto,

caso de barragens de enrocamento com :ace de concreto. Outra utilização refere-se às obras em canais e também ao local ?revist o para a ogiva do vertedouro.

6.4.3 Túneis Os túneis aqui analisados são aqueles abertos unicamente com a finalidade de ? esquisar os solos e rochas locais, razão ? ela qual podem ser considerados como obras temporárias. Os túneis escavados em solo ou no saprólito podem utilizar as mesmas ferramentas referidas para poços e trincheiras . Esses túneis geralmente são · mitados a 2 m de altura, com largura máxima de 2 m (Fig. 6.57). Dessa forma, deve-se cuidar apenas da estabilidade de seu teto, o que torna necessário o seu escoramento contínuo. Em barragem, esse tipo de investigação restringe-se a estudos nas ombreiras, em sit uações p ouco comuns representadas por fortes declividades e espesso regolito. Os túneis escavados em rocha visam investigar as fundações da barragem ou

Fig. 6. 57 Pequeno túnel aberto em saprólito na ombreira de uma barragem

caracterizar as condições geomecân icas do maciço rochoso para implantação de obras subterrâneas. Esses túneis são abertos por explosivos e geralmente acessados através de poços abertos também na rocha. Seu principal uso refere-se à realização de ensaios in situ de mecânica das rochas.

7

Ensaios e testes

7.1 ENSAIOS IN SITU

Os ensaios ou testes in situ são aqueles realizados em campo para determinação das propriedades físicas e mecânicas dos materiais que funcionarão como base de obras relacionadas com a barragem, ou que sejam alvo de escavações a céu aberto ou subterrâneas nesse tipo de obra. Pode-se realizá-los em materiais incoerentes, como os diversos tipos de solos; em materiais consolidados, como os diversos tipos de rochas; e nas zonas de transição entre esses materiais, como os saprólitos. Na presente análise, os saprólitos serão incluídos entre os maciços rochosos para a abordagem dos ensaios in situ, pelo fato de serem acessados pelos mesmos métodos utilizados para a rocha. Os ensaios in situ levam uma grande vantagem sobre os de laboratório pelas seguintes razões: • ensaiam materiais indeformados; • na maior parte dos ensaios, a área de atuação é muito grande, o que permite resultados médios compatíveis com as heterogeneidades presentes no material ensaiado; • por alcançar grandes áreas, os ensaios atingem uma grande quantidade de descontinuidades que retratam melhor as condições mecânicas do material ensaiado.

Para ratificar essas diferenças, pode-se citar o caso do material rochoso. Quando se coleta uma amostra desse material para ensaio de laboratório, definem-se as propriedades físicas e mecânicas da rocha ensaiada; porém, se o ensaio for realizado in situ, as propriedades determinadas referem-se ao maciço rochoso, na situação mais condizente com a influência sofrida por esse maciço com a implantação da obra. Além das heterogeneidades e descontinuidades presentes em um maciço rochoso, também a existência de zonas alteradas pode influir muito na caracterização desse maciço, efeito este somente detectado pelo ensaio in situ, uma vez que as amostras levadas para ensaios de laboratório são sempre escolhidas em estado são. A abordagem dos ensaios in situ pode, em princípio, incluir duas linhas, as quais diferem pela metodologia de aplicação: ensaios em materiais inconsolidados e ensaios em materiais consolidados. 7.1.1

Ensaios in situ em materiais inconsolidados

Os principais ensaios in situ realizados em materiais inconsolidados para projetos de barragens são: • Peso específico aparente • Permeabilidade • Resistência à penetração • Resistência ao cisalhamento • Resistência à compressão simples

1 32

1

Geologia de Barragens

a) Peso específico aparente Esse método é aplicável a qualquer tipo de solo, desde que possua sustentação de suas paredes ao ser escavado, razão pela qual não pode ser executado abaixo do nível freático. Também não podem ser muito grandes os vazios do solo, como no cascalho, pois propiciariam a penetração da areia utilizada nesses ensaios. A aparelhagem necessária a esse ensaio consta de: • um frasco de vidro ou plástico translúcido, com cerca de 3.500 cm 3 de capacidade, dotado de um gargalo rosqueado, com funil metálico provido de registro e de rosca para ser atarraxado ao vidro (Fig. 7.1); • bandeja quadrada rígida, metálica, com cerca de 30 cm de lado e bordas de 2,5 cm de altura, com orifício

circular no centro, com mesmo diâmetro do funil metálico, dotada de rebaixo para apoio do funil (Fig. 7.2); • balanças que permitam determinar nominalmente 1,5 kg e 10 kg, com resolução de 0,1 g e 1,0 g, respectivamente; • equipamento para medir a umidade natural em campo, que pode ser uma estufa capaz de manter temperaturas entre 105º C e ll0ºC, ou qualquer outro equipamento; • areia lavada e seca, de massa específica aparente seca determinada em laboratório e constituída de fração com diâmetro dos grãos entre 0,59 mm e 1,2 mm, sendo que a soma das percentagens, em massa, retida na peneira 1,2 mm e passada na peneira de 0,59 mm, deve ser igui: ou menor que 5% . Essas condiçõe5 granulométricas podem ser també definidas em laboratório.

Frasco

Funil

FIG. 7 .1 Frasco para medição in situ do peso específico aparente segundo a norma NBR 7185 da ABNT (medidas em mm)

FIG. 7.2 Placa ou bandeja para suporte do f1'. segundo a norma NBR 7185 da ABNT (medidas emmm)

7 - Ensaios e testes 1 183

O ensaio começa com a limpeza da 5Uperfície do terreno abaixo da qual se eseja medir o peso específico do solo, -ornando-a plana e horizontal, tanto uanto possível. A seguir, coloca-se a iJandeja, certificando-se se há um bom contato entre ela e a superfície do terreno. Escava-se o solo a partir do entorno o orifício central da bandeja até obter-se uma cavidade cilíndrica com cerca de 5 cm de profundidade. Recolhe-se cuidadosamente em um saco plástico todo o solo extraído, determinando-se seu peso específico com resolução de 1,0 g, anoando o valor Ph. Desse material extraído, mede-se a umidade natural h, em campo ou em laboratório. Instala-se sobre o orifíc io o conjunto frasco (cheio de areia) +

onde: Ys - peso específico aparente seco do solo in situ (g/cm 3); Yar - peso específico aparente seco da areia

obtida em laboratório (g/cm 3);

Ph - peso do solo extraído da cavidade (g); h - teor de umidade do solo extraído da cavidade (%).

b) Permeabilidade Embora exista um grande número de ensaios de permeabilidade in situ, como em cava, em trincheira, em anéis cilíndricos etc., aqui serão analisados apenas aqueles realizados ao longo de sondagens a trado ou a percussão, por serem os normalmente utilizados no projeto de barragens . Do ponto de vista hidrogeotécnico, esses ensaios podem ser

fu nil, cujo peso total corresponde a P1 , de forma que o funil fique encaixado no rebaixo da bandeja. Abre-se o registro do frasco, permitindo o escoamento da

classificados em função de dois fatores: modo de realização (a nível constante ou a nível variável) e diferencial de pressão

areia para o interior do furo. Fecha-se o registro, retirando o conjunto frasco (com

aplicada (positivo, ou carga, e negativo, ou descarga). Esses ensaios podem ainda

a areia restante) + funil, e pesa-se nova-

variar em função de sua realização quanto ao nível freático (NA): acima ou abaixo do

mente o conjunto, o que corresponderá a P2. A areia que permaneceu dentro do

NA. O Quadro 7.1 sintetiza a classificação desses ensaios.

fu nil já teve seu peso previamente medido em laboratório, o qual corresponde a P3 . A areia que preencheu a cavidade do terreno

O ensaio a nível constante é realizado por meio da manutenção do nível d'água

tem seu peso P4 correspondente a:

no interior do poço testado durante toda a realização do ensaio. A manutenção desse QUADRO 7 . 1

O peso específico aparente seco do solo in situ pode ser calculado a partir da seguinte expressão: ys

= yar = I\i P4

x

Modo de realização

Nível constante

100

lOO+h

Nível variável

Classificação dos ensaios de permeabilidade in situ Pressão aplicada

Denominação do ensaio

Carga Descarga Carga Descarga

nfiltração Bombeamento Rebaixamento Recuperação 1

184 1 Geologia de Barragens

nível pode ser feita pela adição controlada da água no interior do poço (ensaio de infiltração) ou pela retirada dessa água (ensaio de bombeamento). O ensaio a nível variável é realizado com a alteração do nível natural do poço para um nível denominado inicial, medindo-se o tempo que esse nível leva para voltar à posição natural ou próximo a ela. O estabelecimento do nível inicial pode também ser feito de duas formas: pela adição de água de uma fonte externa ou pela retirada dessa água por bombeamento.

No primeiro caso, será medido o tempo para que o nível acrescido volte ao nível original (ensaio de rebaixamento), e no segundo caso, será medido o tempo para que o nível inicial, rebaixado pelo bombeamento, retorne por ascensão ao nível original (ensaio de recuperação). Na prática, é muito mais comum realizar os ensaios por carga, seja por infiltração ou por rebaixamento, uma vez que os ensaios por descarga implicam operações mais complexas e onerosas, a começar pela abertura do poço, que necessitará de filtros e pré-filtros para evitar o carreamento de finos do solo, os quais poderão danificar a bomba, assorear o poço e reduzir a eficácia do teste. Complementaria essas dificuldades a instalação de bombas e de rede elétrica ou geradores para acioná-las . Uma vez considerados os ensaios por carga como alternativa mais viável para os projetos de barragens, restaria definir qual o método a adotar: infiltração ou rebaixamento. As diretrizes da ABGE a sugerem como opção na escolha os o seguinte critério: "será

feito ensa10 de rebaixamento quando a carga hidráulica no trecho ensaiado for superior a 0,02 MPa (2 m) e, por avaliação visual, o rebaixamento da água no tubo de revestimento for inferior a 10 cm/ min". No trabalho da ABGE (1990b) indicam-se gráficos, tabelas e equações para o cálculo da permeabilidade in situ em todas as alternativas apresentadas no Quadro 7.1. A título de exemplo, a Fig. 7.3 mostra dois ensaios in situ de permeabilidade, executados pelo autor para um projeto de barragem no nordeste brasileiro. Ambos foram realizados pelo método de infiltração, um acima do nível freático (zona vadosa) e outro abaixo (zona saturada). As leituras indicadas nas tabelas da Fig. 7.3 correspondem ao rebaixamento da água no tambor que alimenta o poço para garantir a fixação do nível inicial na boca do revestimento. A diferença entre a primeira e a última leitura representa a altura h correspondente à descida da água no tambor no tempo do teste (30 min). Conhecendo-se o raio do tambor (cilíndrico), pode-se determinar o volume de água adicionada ao poço para garantir a permanência do nível no tempo de teste (V= rc.r 2 .h). Dividindo-se esse valor pelo tempo de ensaio, tem-se a vazão (L/min). A coluna d'água representa a carga (kg/cm 2), e a absorção corresponde à divisão da vazão pela extensão do trecho ensaiado [(L/min)/ m]. A perda d' água específica (PE), que constitui um dos valores hidrogeotécnicos obtidos nesse teste, representa a divisão da absorção pela carga [(L/min)/ m] / (kg/cm 2). Para obter-se a permeabilidade fin al (K) (cm/s), multiplica-se a perda d'água específica por um fator de conversão (Fc)

7 - Ensaios e testes 1 185 1

Boca do revest.

l

t 0,73 m

1 ..

1

?m

Superfície do terreno 1

1

1

Hora

,.,,

Leitura

8:20

8:21

8:23

8:25

8:30

8:35

o

1

3

5

10

15

20

34,6

33,3

30,2

27,5

22,1

19,6

16,4

1

lnfiltr. L

1

! Lençol freático ,

l

1,73 m

1 8:40

1-

8:45 8:50 1 -----1 1---,.,,.H,,,, o-=-ra=-i---- + - - - - - r ; - - - - + -- - - t -1empo acum. 25 30

-

--rl_ _--;

/min\

_rI__

Leitura

15,5 15,2 1 1 lnfiltr. 19,5 1 L Sapata, ( ' --.-Ensaio realizado Tipo de ensaio Condições de medidas 1 0 furo 6 cm 11 1 1,00 m l t--A-:-b-ai-xo--:d-o-N-.A - .--□ -,,r-:-cNc-ív'el-c~on-s.,..t.""(N7.""C),-----+.,,,Ta-m'b-o~r"'(T,.,.)------1 Fundo do furo 1 Acima do N.A. Q Rebaixam. (R8) Proveta (P) Com artesian. · ci 1 ~~~~~~-~R~t Perda d_-agua Carga efet. Coluna d'água Vazão K Absorção Trecho (cm/s) (l/min x min) (kg/cm 1 )) j (1/min) (kg/cm>) rltm ,esrr\'i~c~fi~!trm> Fator F.C. ensaiado (m) !2' mt.tubo6~n,

d

l

!

!

•

@

j

l

1,00-2,00

0,223

1

0,651

0,651

0,223

1

2,917

[o

~fJ;i~ (~)

1,78

0,61

X

10-4

Observações:

Boca do reves t.

l 0,6~ m l 1 ✓i\.Y/.CV--'"""''",-'<.'

1

!

Hora 10:55 1 10:56 10:58 11:00 11 :05 11 :10 11 :15 ti-..---+-----:- ---+-- ---,f-----+--- --.----+------1 Tempo 1 1

-----"Superfície do terreno 7 :

O

Leitura

33,1

lnfiltr. L

1 3,00m 1

j

~~,~-

l Lençol freático J

3,62 m

I

1

1 31,0

3

27,5

!

5

1 25,0

10

20,1

j

15

20

15,6

11,7

!

1

Hora 11 :20 11 :25 1 1 1 1--r,""'em=po;:--l - - -- -+-----,'-----+-----l- - - + - -~~,~-

25

30

Leitura

8,2

4,3

1 _;.-

- --l

2,38 m

12' int. tubo 6 crÍJ

lnfiltr. 28,97 L 1 Ensaio realizado Tipo de ensaio Condições de medidas 0 furo 6 cm ~ 1,00 m r:-A,:-b-,ai-xo::-:; do -::--:-N;-.A-;:-_ - --;:ill :;;::;--t-l<:liv,~1vPle17cvm,~,,..T1' n, - - - h Ta:-::m::i:,b:-::,0 -:-'r("'Ts--J-- - -- l 1,,.;n_... Fundo do furo , .,___ - -~•~Acima do N.A. c:i Rebaixam . (R8) fjijl- Proveta (P) IT7 8ombeam. (88) l!ê!J- Revest. (R) lLJ Com artesian. c::J Recuoer. (RC) ,,____ í! H Trecho (aluna d'água Vazão Absorção Carga efet. Peraa ª.agua 1 K (cm/s) (1/mi n X min) (kg/cm>) /1/m .e~~c~fi~:/rm2\ Fator F.C. ensaiado (m) (kg/cm>) 1 (1/min) Sapata1

l

l

!

!

!

3,00 - 4,00

0,300

1 0,966

0,966

0,300

1

3,219

0,99

3,19

X

10·4

Observações:

FIG. 7.3

Exemplos de ensaios de permeabilidade in situem solos

retirado de ábacos que são apresentados na Fig. 7.4.

Test , realizado a partir da mudança instantânea no nível d' água em um poço,

Outra alternativa para medição da ?ermeabilidade in situ de solos é o Slug

provocado pela rápida introdução ou retirada de um cilindro metálico no m -

186

1 Geologia de Barragens

0 =2

L,----'

~ .......

"/

---~ -------,._...

'li'

-

- - 0 =4 "

~

// /

_Q_ ( 1/ min Lh

2

-----

~

// / /

K = PE · FC (cm/s) PE =

1

L(m)

Para trechos de ensaio situados acima do N.A.

h

K = PE · FC (cm/s)

/

I

PE =

m.kg/cm

3

0 =2 t" 2 0 =4"

_Q_ ( 1/ mi n ) Lh m.kg/c m2

2

1 3

L(m)

Para trechos de ensaio situados abaixo do N .A.

FIG. 7.4 Ábacos para conversão de perda d'água especifica (PE) em permeabilidade (K) Fonte: ABGE (199Gb).

terior desse poço. O ensaio consiste em medir a recuperação do nível a partir de sua mudança instantânea até o nível anterior a essa mudança. A permeabilidade ou condutividade hidráulica nesse ensaio é calculada pela equação: 2 K= r -ln(L / r) 2L•To

onde: r - raio do poço (rn); L - comprimento do trecho ensaiado ou do filtro do poço (rn); T O - tempo de recuperação de 67% no nível d'água (s); K - permeabilidade (crn/s). O valor TO pode ser obtido em um gráfico rnonolog com [(H-h)/ (H-H 0)] x t, onde: H - nível d'água original; H 0 - nível d 'água após a mudança instantânea; H - nível d'água no tempo t; t- tempo.

netration Test), que visa correlacionar a

resistência à penetração com diversos índices físicos dos solos, conforme já descrito em 6.3.3b. Para reduzir o efeito do atrito lateral das paredes do furo ao longo da extensão de 73,66 cm do arnostrador do SPT, foi concebido o penetrôrnetro de cone, onde um cone metálico é fixado a urna haste que é introduzida no furo de duas formas: estática ou dinâmica. Embora reduza o efeito do atrito lateral, esse método não despertou muito interesse por não permitir a obtenção de amostras do solo penetrado, razão pela qual teve seu emprego abandonado nos Estados Unidos desde 1955. Na Bélgica e na Holanda, onde as condições do solo são particularmente favoráveis a esse tipo de investigação, esses ensaios são realizados em conjunto com o SPT. No Brasil também não houve boa aceitação para esse tipo de ensaio.

d) Resistência ao cisalhamento

c) Resistência à penetração O ensaio de resistência à penetração mais conhecido é o SPT (Standard Pe-

Para solos argilosos, há um equipamento que permite definir, com boa aproximação, a resistência ao cisalharnento

7 - Ensaios e testes in situ. Trata-se do Vane Test. Esse teste,

também chamado de "teste de palhetas", foi inicialmente desenvolvido na Suécia, onde são comuns argilas muito moles. As palhetas são constituídas por duas placas metálicas muito finas , soldadas entre si de forma a fazer uma cruz no plano horizontal. Elas são penetradas no solo argiloso devidamente protegidas por um revestimento metálico, que é introduzido até uma profundidade ligeiramente acima da cota em que deverá ser feito o teste (Fig. 7.5). A seguir, a palheta é impulsionada para fora do revestimento e para dentro da massa do solo a ser ensaiado, através de uma fina haste ligada a uma haste de maior diâmetro que chega até a superfície do terreno. Um esforço de torção é aplicado lentamente por meio de uma manivela até produzir uma ruptura cilíndrica na argila. Existem três tamanhos de palheta: 2"x 4", 3"x 6" e 4"x 8" (diâmetro x comprimento). Por sua vez, há três posições do medidor de força no braço de aplicação da torção, que devem ser utilizadas nos seguintes casos: 15,2 cm para argilas moles; 30,5 cm para argilas médias; e 45,6 cm para argilas rijas. Para cada tamanho de palheta existem gráficos que dão a resistência ao cisalhamento para a torção aplicada, que é registrada no dinamômetro.

e) Resistência à compressão simples A resistência à compressão simples in situ pode ser determinada para alguns tipos de solos com o equipamento penetrômetro de bolso (Fig. 7.6). O teste consiste em fazer penetrar no solo coesivo, sob pressão manual, a agulha de

1

187

/ '',,,.'-> ,s

,

--" ,!à{'>J , ,s ,

~;'~jy I

/

_c'?z7

Braço de torção / de três posições __ -Rolamento de esferas

revestimento

-Sapata cortante

({f} :·seçãa A-A

FIG. 7.5 Equipamento do Vane Test Fonte: Tschebotarioff (1978).

FIG. 7.6 Penetrômetro de bolso Fonte: modifzcado de Tschebotarioff (1978).

sua extremidade. Quando a agulha vence a resistência do solo e aí penetra, fica registrada na escala de medição, situada no setor intermediário do equipamento, a resistência à compressão em kgf/cm 2 •

188

1 Geologia de Barragens

Segundo Tschebotarioff (1978), esse teste só apresenta eficácia para argilas com IP igual ou maior que 12. 7.1.2

Ensaios in situ em materiais consolidados

Os ensaios in situ em materiais consolidados - maciços rochosos - realizados em projetos de barragens são: • Permeabilidade • Módulo de deformabilidade • Resistência ao cisalhamento • Tensões virgens

a) Permeabilidade O ensaio de permeabilidade executado em maciços rochosos é denominado ensaio de perda d'água sob pressão, que permite a caracterização hidrogeotécnica de um maciço através da condutividade hidráulica do meio, incluindo os poros, no caso de rochas granulares (arenito, conglomerado etc.) e as fraturas. Nesse ensaio, podem-se definir dois parâmetros hidrogeotécnicos: absorção específica (ou perda d 'água específica) e permeabilidade. Esse ensaio é internacionalmente conhecido como Ensaio Lugeon, por ter sido proposto por Maurice Lugeon (Lugeon, 1933). Por esse critério, a unidade Lugeon corresponde à absorção de 1 litro por minuto por metro de trecho ensaiado, sob 10 quilogramas força por centímetro quadrado, ou seja:

1 Lugeon

Estudos

= 1 L / min.m / 10 kgf / cm 2 posteriores

trecho ensaiado, pode mostrar-se elevada para os trechos mais superiores de investigação, provocando a abertura de fraturas e o falseamento dos resultados obtidos. Num desses estudos, Sabarly (1968) demonstrou que essa pressão aplicada num círculo de raio de 1,0 m, em uma fratura de um maciço rochoso com E = 10 5 kgf/cm 2 e u = 0,5, provocaria um acréscimo de abertura nessa fratura igual a 0,3 mm no centro do círculo e a 0,2 mm nas bordas . Em consequência, se a fratura estivesse quase fechada, incapaz de provocar qualquer percolação d' água, poderia absorver de 50 a 150 L/min num ensaio com pressão de 10 kgf/cm 2 , considerando que a vazão absorvida varia com a quarta potência da abertura da fratura. Para evitar tais problemas, a escola americana implementou um sistema de ensaio com pressões crescentes com a profundidade (1 psi/pé de profundidade), o que corresponderia a 0,23 kgf/cm 2 . No Brasil, o ensaio de perda d'água fo . regulamentado pela Associação Paulista de Geologia Aplicada (APGA) em 1971 e seus critérios foram definitivamente estabelecidos pela ABGE (1975). Por t a.is critérios, o ensaio é realizado em cinc estágios de pressão, com a seguin :: sequência: 1° estágio:

pressão mínima

2° estágio:

pressão intermediária

3° estágio:

pressão máxima

4° estágio:

pressão intermediária

5° estágio:

pressão mínima

demonstraram

que a pressão de 10 kgf/cm 2 , empregada ependentemente da profundidade do

As pressões a serem lidas no manôm tro têm os seguintes valores:

7 - Ensaios e testes 1

ressão :::únima:

0,10 kgf/cm 2

ressão :ntermediária:

metade da pressão máxima

. ressão áxima:

0,25 kgf/cm 2 por metro de profundidade do ensaio

Basicamente, há duas metodologias :>ara a execução desses ensaios: com ob:urador simples e com obturador duplo. . o primeiro caso, a cada 3 m perfurados 2m rocha, coloca-se o obturador acima do echo a ensaiar e executa-se o ensaio com s cinco estágios de pressão. No segundo aso, procede-se à perfuração de uma só -;ez até o final do furo. Concluída a per:uração, iniciam-se os ensaios de perda .: •água, ensaiando trechos de 3 m ou mais, -=e cima para baixo ou ao contrário, utili-

zando sempre dois obturadores para isolar trecho a ensaiar. Esse segundo método e o preferido das empresas de sondagens, ?Ois evita a perda de tempo para substiaúr o equipamento de sondagem pelo de ensaio a cada 3 m de perfuração. Ocorre ue, por melhor que seja a vedação proporcionada pelo obturador, sempre há o risco e ocorrer vazamentos em decorrência da irregularidade das paredes do furo, principalmente pela caída de fragmentos da rocha fraturada. Se o ensaio for realizado com um só obturador, a ocorrência de vazamento é constatada pelo retorno da agua à superfície, e as providências podem ser tomadas com o deslocamento do obturador. Todavia, se o vazamento ocorrer no obturador inferior, a água escoará para o :nterior da sondagem e jamais se perceberá o vazamento, o que resultará em valores

1

de perda d ' água muito superiores àqueles que resultariam da absorção das fraturas no trecho ensaiado. Por esse motivo, recomenda-se sempre o uso de obturador simples, deixando o uso de obturadores duplos apenas para a necessidade de detalhar o exato local de uma perda d' água excessiva constatada em um trecho de 3 m, quando então poderiam ser testados trechos com 1 m ou 2 m de extensão. A realização do ensaio de perda d'água é feita com os equipamentos mostrados na Fig. 7.7 e a finalidade de cada equipamento é descrita em ABGE (1975). Os dados obtidos em um ensaio de perda d ' água sob pressão devem ser anotados num boletim corno o padronizado pela ABGE (1975), apresentado na Fig. 7.8. Antes de iniciar o ensaio de perda d'água, deve-se efetuar um ensaio de perda de carga, conforme explicitado em ABGE (1975). O ensaio propriamente dito é iniciado com a pressão mínima no 1° estágio, sendo a absorção d ' água no trecho ensaiado medida no hidrômetro a cada minuto durante o período de 10 minutos. Concluído esse período, passa-se sucessivamente ao 2°, 3°, 4° e 5° estágios, sempre com períodos de 10 minutos e medições da absorção d' água a cada minuto. O total absorvido em cada estágio é dividido pelo tempo de ensaio, correspondendo à vazão em L/min. A vazão específica (QE) resulta da divisão da vazão pela extensão do trecho ensaiado [(L/rnin)/ rn] . A coluna d'água representando a carga hidráulica (H) varia em função da presença do nível freático (Fig. 7.9). A carga efetiva (Ce) ou pressão efetiva é definida pela equação:

9

19 0

1 Geologia de Barragens

Estabilizadores de ressão Piezômetro

Conjunto motor-bomba

Manômetro

,_....___.____

~

-

Canalização de injeçao

p/ alimentação Canalização de retorno

Alimentação

Obturador

FIG. 7.7 Montagem dos equipamentos para o ensaio de perda d 'água Fonte: ABGE (1975).

Ce

= -H + Pm - Pc (kgf / cm 2 )

10 onde: H - coluna d 'água (m);

Pm - pressão manométrica (kgf/cm 2) ; Pc - perda de carga (kgf/cm 2). A perda d'água específica (PE) é definida por: PE

. 2 = -QE[ (L / mm / m)/ (kgf / cm )] CE

A perda d ' água específica ou absorção específica é também definida pela unidade Hvorslev (Hv), sendo:

1 Hv

= 1 [(L/ min / m)/ (Kgf / cm 2 )] =

1 L / min.m / atm.

Finalmente, o coeficiente de permeabilidade (K), dado em cm/s, pode ser definido multiplicando a absorção específica pelo fator F, que pode ser obtido graficamente da Fig. 7.10.

A Fig. 7.11 mostra um exemplo de um ensaio de perda d'água executado pelo autor em um projeto de barragem no nordeste brasileiro. O gráfico resultante desse ensaio e apresentado nessa figura permite tecer algumas considerações sobre trecho ensaiado. Os casos típicos de comportamen hidrogeotécnico são apresentados Fig. 7.12, retirados do trabalho da ABG::. (1975). Constata-se que o trecho do exe plo citado na Fig. 7.11 corresponde ao ti T2, ou seja, um regime turbulento cofechamento, provavelmente em fu n ª de impurezas contidas na água do ens que colmataram um pouco algumas h-: turas, permitindo uma absorção me nos estágios decrescentes. Nesse tipo comportamento, a ABGE sugere a u zação de dados obtidos no 1° estágio ensaio, que, por sinal, apresentaram lores maiores de absorção específiG. consequentemente, da permeabilidade

llolellrn de cn5alo de perda d'águ.i 5ob pre551lo

folha

Cli ente _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __

Empreiteira _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __

Obra

_._._.,., Local

En saio de vazão da bomba

Manômetro nº

Pressão kgl/cm 2

Capacidade kgl/cm2

Sondagem nº Hidrôm etro nº Divisão de esca la

Data de afe ri ção

Tipo

Data de af eri ção

Vazão L/ min N.A . antes do ensaio _ _ _ m. Altura do manômetro _ _ _ _ m . Altura do funi l _ _ _ _ _ m. 0 da tubulação _ _ _ _ _ _ Inclinação _ _ _ _ _ __

I

1 (acima do N.A .) = prof . do obturador m + Trecho de ensa io.,. 2 m + altura doI Funil ___ m x 0,1 %_ Coluna d'água 2 (abaixo do N .A .) x adotado _ _ _ _ _ _ m + altura doI Funi l _ _ _ _ ,m x 0,1% _ _ _~ g/cm 2 M anôm. _ m x 0,1 %_ (medidas na vertical) M anôm . ___ m x 0,1% _ _ _~ ,g/cm 2 3 Cartesianismo) x altura do manômetro _ _ _ m + altura do nível estático __ m x _ _ _ _ m x 0,1% _ _ _ _ kg /cm 2

kg/cm 2 kg/cm 2

Perda de carga x prof. do obturador ____ m. + Altura do Funil _ _ _ _ _ _ m% _ _ _ _ m M anômetro _ _ _ m% _ _ _ _ m Data ____ / ____ / _ __ Trecho de ____ a ____ m Estágios

Pressões kgf/cm 2

Abso rções em litros a cada minuto

L/ min

L/ min x m

1

.

2 3 4 5 '-1

Estágios

Namômetro ou funil kgf/cm2

Coluna d'água kgf/cm 2

Perd a de ca rga kgf/cm 2

Pressão efetiva kgf/cm2

Abso rção L/min x m

1

2 3 4 5

Boletim para ensaio de perda d'ág ua sob pressão padronizado pelaABGE Fonte: ABGE (1975). FIG. 7.8

Perda d' água específica L/ min x m x (kgf/cm 2)

1

k (cm/s) fator F x 10·4

m

::i

"'!!!. o

"'n, ,+

n,

"'n, "'

,+

...

'°...

192

1

Geologia de Barragen s

N. A . (artesianismo)

----=-,- -=

' '

h

N N.A.

e

e Pob

Pob N

,, li

li

L

li 11

L/2

1;

li

L

1) (1

li

L/2

11

li 11

"11li

li

"

" d

d N.A. Abaixo do N.A. (2) e com art esianismo (3)

Aci ma do N.A. (1) (1) H

= h + Pob + L/2

(2) H = h + N

(3) H

=-N

3

+h

FIG. 7.9 Localização do trecho ensaiado em relação ao nível freá tico Fonte: ABGE (1975).

b) Módulo de deformabilidade Em geral, os ensaios para determinação do módulo de deformabilidade, ou módulo de Young, in situ são onerosos, daí se justificarem apenas quando as condições geológicas, após bem caracterizadas, suscitarem dúvidas quanto ao comportamento geomecânico do maciço rochoso diante das cargas previstas para a obra projetada. No Brasil, esses ensaios têm sido realizados nos projetos de barragens im- ----das sobre basaltos, pois as br~chas ~erderrames geralmente pos-

suem baixo módulo de deformabilidade, o que implica riscos para obras de carga concentrada, como aquelas de concreto associadas a maciços terrosos ou de enrocamento. Os ensaios de deformabilidade in sitt. mais empregados são: macacos gigantes macacos planos e dilatometria.

Macacos gigantes Nesse tipo de ensaio é aberto um nich em uma das paredes de uma galeria de pesquisa e instalados dois macacos gigan-

7 - Ensaios e testes 1 193 Fator " F'' (x10·4) 1,5 1.4 1,3 1,2 1,1 1,0 0 ,9 1.......---

0,8

...---::: :::::-:: . ./'.

0,7

~

0,5

~~

:

F-1 ,66 x 10• c 21t f

~

0 ,2

n

Q PE - L x Ce

1//

0,3

-

---

K = PE x F

/

,1v

0,4

ºo

e--

--

~ 1/

0 ,6

0,1

v

e::::=

--:::::: --

e-::::: ~ --:::::

~ -

~ ~e---

c f = ln 0,66 x L r

ff/

K cm/ s Q I/ min Ce kg/ cm 2 L m r m -

I 2 Comprimento do trecho (L)

4m

3

FIG. 7.10 Gráfico para determinação do Fator F para cálculo da permeabilidade no ensaio de perda d'água

b pressão =onte: ABGE (1975).

Pab (m) de 1,30 a 8,36

~ .., X

=Pressão - -

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Trecho I Diâm d Cana~zação -c d1am 3/ · 3,08 m 0 ,06 m _-~ comR .. ,~Ôm Absorção a cada minuto - 1

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-

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-

0,8 (Q e) vazão - I/ min, m

FI G. 7.11 Resultado de um ensaio de perda d'água

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10

2,20

0,01

0,714

2.40

7,5

10

0,75

0,00

1,31

0,244

1,0

10

0,10

0,00

0,31

0,032

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0,325 0,298

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Observações:

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6,5

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Alt. h I N.A. N Acima 1 manam . 1,30 Ens. Abaixo 2 1) _4 m __ad_otado _ _ _ _Ar~-~- - ~ Pc Ce T Q tempo vazão perda-de carga decorr. I/ min carga efetiva mirr-- - - - kg/cmL -kg/cm>-

0 ,186 0,104

0,35 0,32 f -

0,20

0,11

194

1 Geologia de Barragens

tes, que podem ser colocados na vertical,

paredes rochosas no sentido da aplica-

na horizontal ou inclinados (Fig. 7.13). A instalação de extensômetros junto aos

ção da carga. Para a realização do ensaio, aplicam-se cargas crescentes, medindo,

macacos permite medir a deformação das

para cada acréscimo de carga, a deforma-

/] /13/ l

Sem alte ração .,__
e:

E
Com fechamento

.

5

15 ~o e: ..2'

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Com abertu ra

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5

35

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o e)
E

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~ ] 24

um processo decrescente de aplicação da carga até atingir o estágio inicial do ensaio, quando então fica concluído o 1° ciclo de Repete-se o mesmo processo por mais

#] V]

dois ciclos completos, o que permite a

2]

1

5

2

(1)

o

tão logo essa carga seja atingida, inicia-se

~ ] 4

~

~ 2 4]

:::,

LU

pouco superior àquela prevista para a obra,

carga e descarga do maciço rochoso.

~

~

ção correspondente. Definida previamente a carga máxima a aplicar, geralmente um

4

5

15

1

5

construção de um gráfico como o most rado na Fig. 7.14. Uma vez que o 1° ciclo provoca maiores deformações residuais por corresponder ao fechamento de descontinuidades abertas , utilizam-se apenas

- aq !?

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Vd2

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os dois últimos ciclos para determinar o

1 c..om tPch;, mento

t;

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3

1

e om ahert11r"

V//2 1

módulo E (também chamado de módulc de elasticidade), por meio da relação: ª P

3

E =-= tga

Os gráficos foram elaborados tomando pressões nas ordenadas e vazões nas abcissas.

E

onde: E - m ódulo de deformabilidade (kgf/cm-

FIG . 7.12 Tipos de comportamento do t recho ensaiado Fonte: A BGE (1975) .

ou MPa);

u

/

ttt

.------- - - , - , . - - ------,

a

)"/ '

a

Ensaio vertical

Ensaio horizontal

Ensaio inclinado

FIG. 7 .13 Posicionamento dos macacos gigantes para ensaios de módulo de deformabilidade in s itu (a= tensão aplicada)

7 - Ensaios e testes o

1

195

instrumento, também denominado "almofada de pressão", é constituído por duas chapas metálicas soldadas nas bordas, formando uma grande almofada metálica (Fig. 7.15). No seu interior são dispostos quatro defórmetros, que são ligados por fios a uma caixa de leitura. A metodologia de ensaio consiste nos

•

------,

e,

E

-IG. 7.14 Gráfico Ten são x Deformação

tensão correspondente à carga proje~da (kgf/cm 2 ou MPa); ,_ - deformação do maciço rochoso para a -P-

-ensão crp; - ângulo entre a tangente à curva de de' ormação no ponto crp e a horizontal; Er - deformação residual. Esse tipo de ensaio tem a vantagem de atingir uma grande área de investigação, detectando a influência de descontinuidades geológicas que não estejam muito próximas à área de ensaio. Como desvantagens, citam-se duas: apenas pode ser executado em uma galeria ou túnel e apresenta um elevado custo de instalação e operacionalização.

seguintes passos: • Abre-se um rasgo na rocha por meio de um disco diamantado com 1 m de diâmetro e 8 mm de espessura, até uma profundidade de 1,5 m (Figs. 7.16 e 7.17). • Introduz-se o macaco plano no rasgo. • Aplica-se uma pressão interna no macaco por meio da injeção de óleo sob pressão controlada. • Na caixa de medição, que fica localizada externamente ao rasgo, são medidas as deformações sofridas pelo maciço rochoso nos quato defórmetros .

Macacos planos de grande área O macaco plano de grande área (LFJ Large Flat Jacks) foi desenvolvido pelo Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC) de Lisboa e é utilizado no Brasil pela empresa de consultoria Sondotécnica Engenharia de Solos S.A., em cooperação técnica com o LNEC, desde 1972. Esse

FIG. 7.15 Macaco plano de grande área Fonte: cortesia da Sondotécnica.

196

1 Geologia de Barragens

• Com os dados de carga aplicada e as deformações medidas, constroem-se curvas tensão x deformação para cada defórmetro, na mesma sistemática citada para os macacos gigantes .

Serra circular dia mantada disk saw

Rocha ~7"<'"""-H;:;:=;~~~~rock mass

O trecho do macaco plano com cinco orifícios visto na Fig. 7.15 constitui apenas um suporte que permite a introdução do macaco plano (trecho não vazado) a uma profundidade maior, livrando-se, consequentemente, da zona superficial mais perturbada. O rasgo feito no maciço rochoso para instalação do macaco plano pode ser feito na vertical ou em qualquer direção, o que permite definir o módulo de deformabilidade na condição mais conveniente, em função das descontinuidades geológicas. Além dessa vantagem, esse método apresenta um custo inferior ao do macaco gigante e pode ser executado em qualquer posição do terreno. Em relação ao macaco gigante, apresenta a desvantagem de investigar uma área de entorno menor, em função da aplicação da carga, embora esta possa ultrapassar 100 kgf/cm 2 .

FIG. 7.16 Esquema do equipamento para serrar o

rasgo em que será introduzido o macaco plano Fonte: cortesia da Sondotécnica.

FIG. 7.17 Operação de serragem em uma parede

vertical de um t únel para aplicação do macaco plano Fonte: cortesia da So ndotécnica.

Dilatômetro O Dilatômetro (BHD - Borehole Dilatometer) é também um equipamento desenvolvido pelo LNEC e aplicado nc Brasil em cooperação técnica com a Sondotécnica. Conforme mostrado na Fig. 7.18, esse aparelho é constituído por um cilindro com 87 cm de extensão e 7,4 cm de diâmetro externo. O cilindro do dilatômetro é todo de aço, revestido por uma camisa de borracha muito resistente, na qual encontram-se quatro pares de transdutores disposto_ radialmente e afastados angularmenu: de 45°. A mangueira é inflada por meio da injeção de água sob pressão controlada E desinflada por meio da abertura de U lllê válvula de descarga em sua extremidad

7 - Ensaios e testes

Tubo de ar comprimido dir compressed pipe ,~bo elétrico I /efetric cable

Transdutores liner differential transformers

Admissão d'água water inlet Apalpador ,-- contact head

Cilindro de aço steef cylinder Tubo de ar comprimido

air com ressed pipe

Camisa de , borracha

'\

1

197

, Valvula de descarga re/ief valve

rubber jacket

Mangue,ira d'água _ _ _ _ ~terp1pe . 32 32~ 32 Hast~ de posicionamento 545 ~ pos1t1onmg _________ _ _ _ __ _ _ __ 869

FIG, 7.18 Detalhes dos principais componentes do dilatômetro :ante: cortesia da Sondotécnica.

acionada por ar comprimido. A Fig. 7.19 mostra os círculos na camisa de borracha, representados pelos t ransdutores. As deormações da rocha pela inflação causada pela água sob pressão são transmitidas a partir dos transdutores, através de fios, até uma caixa de leitura (Fig. 7.20). O dilatômetro deve ser introduzido em furo de sondagem de diâmetro NX

(76 mm), executado com o máximo cuidado para evitar o estreitamento do furo por desgaste da coroa, ou o seu desvio. O furo deve exceder, no mínimo, 2 m em relação ao trecho definido para ensaio. Finalizado o furo, introduz-se o dilatômetro cuidadosamente até o ponto em que se deseja ensaiar e, então, aplica-se água sob pressão, ajustando o zero para

Dilatômetro pronto para ser inserido em um furo vertical ::ante: cortesia da Sondotécnica.

À esquerda, aparelho para leitura das deformações e à direita, bomba d' água para introdução da pressão Fonte: cortesia da Sondotécnica. FIG.

FIG. 7.19

7 .20

198

1 Geologia de Barragens

uma pressão inicial pequena, suficiente para uma perfeita adesão entre a camisa de borracha e as paredes do furo . Carrega-se hidraulicamente, por incrementas de pressão controlados, medindo, para cada incremento, as deformações acusadas nos quatro diferentes transdutores, até atingir a pressão máxima preestabelecida. Em seguida, procede-se à descarga por decréscimos gradativos de pressão, por meio da descarga de fundo acionada pelo ar comprimido, medindo, para cada decréscimo de pressão, as consequentes deformações nos quatro transdutores. Realizada a descarga total, está encerrado o 1° ciclo de medições. Fecha-se a válvula de descarga e repete-se duas vezes todo o procedimento para configurar o 2° e o 3° ciclos de ensaio. Com os dados de pressão e as respectivas deformações, constrói-se o gráfico a x s para cada transdutor, com base no qual se pode calcular o módulo E para cada direção com espaço angular de 45°, a exemplo do que foi descrito para os

macacos gigantes, resultando em quatro conjuntos de curvas (Fig. 7.21). Pode-se realizar o ensaio dilatométrico em qualquer direção e em furos de sondagens executados a partir da superfície do terreno, ou no interior de poços, galerias ou túneis, podendo atingir mais de 100 m de profundidade, e utilizar pressões superiores a 150 kgf/cm 2 . Esse ensaio funciona também abaixo do nível freático, em qualquer condição de saturação. Em funç ão dessas características, o ensaio dilatométrico apresenta muitas vantagens sobre os demais, principalmente em relação ao custo e à operacionalidade. A única desvantagem refere-se à extensão da área ensaiada, pelo fato de a área de aplicação da carga ser reduzida; todavia, essa desvantagem pode ser facilmente contornada pela facilidade de deslocamento do dilatômetro dentro do furo , o que possibilita estender a área de aplicação da carga ao longo de todo o furo. Em alguns projetos de barragem realizados no Brasil, o dilatômetro fo ;

p (kgt/cm2) 1 60

3

2

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Ciclo Carga Descarga cycle up dow n 1 2 - - -0-- - 3

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I

1 1

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160 O

160 O

FIG . 7.21 Curvas a x E obtidas em um ensaio di/atométrico Fonte: cortesia da Sondotécnica.

160 O

240 õ (µ)

7 - Ensaios e testes

_ · izado com o macaco plano de grande ~ea, e então comparados os seus result a:. s (Fig. 7.22). Os ensaios exemplificados -essa figura foram realizados em um esmo local (barragem de São Simão, em .:;oiás), tendo a comparação desses ensaios .:onstit uído o objetivo principal da disser:ação de mestrado do autor.

c) Resistência ao cisalhamento

1

199

do piso é isolado por meio do corte da rocha com serra diamantada (Fig. 7.23), formando um bloco com seção de 1,0 x 1,0 m e altura de 0,4 m (Fig. 7.24). Cortado o bloco, constrói-se sobre ele, no topo e nos lados, uma carapaça de concreto para garantir que as cargas aplicadas serão distribuídas de forma igual por toda a superfície aplicada. Instalam-se então os macacos na vertical, para imprimir a

O ensaio de resistência ao cisalhamento .::.e maciços rochosos realizado in situ é desenvolvido pelo método de cisalhamento di reto, em que é aplicada sobre um bloco rochoso de 1,0 x 1,0 x 0,4 m de dimensões, ma tensão normal e uma tensão tangenà al, esta última responsável pelo corte segundo uma dada superfície plana. Pelas dimensões do ensaio, que envolve pesada mstrumentação, ele também tem sido desenvolvido no Brasil por meio da cooperação técnica LNEC/ Sondotécnica. Realiza-se o ensaio de resistência ao cisalhamento em galeria, onde um trecho

tensão normal ao plano de ruptura e ligeiramente inclinado em um dos lados, a fim de imprimir a tensão tangencial a 30° da superfície de ruptura (Fig. 7.25). Obtida a ruptura, consegue-se um par de valores T

x

0

para o gráfico de ruptura.

Repete-se o ensaio com mais dois blocos esculpidos na mesma feição geológica, obtendo-se para duas outras tensões normais, duas tensões tangenciais responsáveis pelas rupturas . Constrói-se, assim, uma envoltória de ruptura para o maciço rochoso, como indicado na Fig. 7.26.

FIG. 7.22 Ensaio dilatométrico realizado logo

abaixo do rasgo de um ensaio de macaco plano Fonte: cortesia da Sondotécnica.

FIG . 7.23 Serra circular diamantada para corte da rocha Fonte: cortesia da Sondotécnica.

200

1 Geologia de Barragens

Como se pode observar da sistemática desse ensaio, trata-se de um ensaio muito oneroso e de longa duração, em função das etapas operacionais envolvidas. Assim, embora forneça bons resultados,

pela extensão da área de ruptura, tem sido pouco aplicado em projetos de barragens no Brasil.

d) Tensões virgens A determinação das tensões virgens, ou seja, do estado de tensões iniciais de um maciço rochoso em que será edificada uma obra, é extremamente importante para projetos que envolvem obras subterrâneas (túneis, usinas subterrâneas etc.), bem como para fundações de barragens em vales estreitos ou em encostas abruptas. O LNEC desenvolveu dois métodos que são realizados no Brasil em cooperação técnica com a Sondotécnica: cilindro sensível e macaco plano de pequena área.

Cilindro sensível FIG. 7.24 Bloco rochoso cortado in situ para ensaio de cisalhamento direto Fonte: cortesia da Sondotécnica.

O cilindro sensível (STT - Stress Ten sor Tube) é um cilindro que contém em seu interior vários defórmetros dispostos em posições variadas e que são capazes de , (kgfcm2)

Gráfico, x a

60

graph Ruptura

-(rupture)

45

30

• Deslizamento

• (slip)

15

• Pontos obtidos no ensaio (ruptura franca,

(obtained points in the test) • Pontos corrigidos (ruptura franca)

(corrected points)

o~-------- -,s - - 30 45 a (kg/crTl" FIG. 7.25 Montagem dos equipamentos para o ensaio de cisalhamento direto in situ no maciço

rochoso ·e- cortesia da Sondotécnica .

FIG. 7.2 6 Envoltória de ruptura em um gráfzco T x CT no ensaio de corte in situ no maciço rochoso

Fonte: cortesia da Sondotécnica.

7 - Ensaios e testes

edir deformações causadas por alívio ~e tensões. Seu emprego envolve as seguin:es atividades, visualizadas na Fig. 7.27: • Perfurar o maciço rochoso no diâmetro 140 mm até as proximidades do trecho a ensaiar, ou seja, na profundidade D. • Perfurar, a partir de D, mais 90 cm, com 37 mm de diâmetro, conservando coaxialidade perfeita com o diâmetro maior (de 140 mm). • Penetrar o cilindro sensível no trecho aberto com 37 mm (Fig. 7.28), solidarizando as paredes externas do cilindro com as paredes da escavação por meio de uma cola aglutinante. • Fazer as leituras iniciais dos defórmetros numa caixa de leitura externa. • Reperfurar o trecho de 90 cm com o diâmetro de 140 mm, procedendo à leitura sistemática dos defórmetros

à medida que avança a perfuração, em consequência da liberação de tensões do maciço rochoso. • Medir as leituras finais . • Calcular o estado de tensões em função das deformações medidas.

Esse método foi utilizado em várias barragens brasileiras.

Macaco plano de pequena área O macaco plano de pequena área (SFJ Small Flat Fack) foi também desenvolvido pelo LNEC, a exemplo do LFJ. A diferença está na extensão longitudinal da placa metálica, que no SFJ corresponde à metade daquela existente no LFJ, o mesmo acontecendo em relação ao suporte de aproximação visto na Fig. 7.15. O ensaio de tensões virgens por meio desse método só permite definir uma direção de tensão por ensaio e envolve as seguintes operações:

Amostra

0 = 53 mm

1

Para unidade de leitura - for reding unit

o

<11

-e l1l -e 'õ

§

-s

e 2c.. l::l

D

:1..:_:__ 0 =47 mm

D+ 0,9 D++--

----

1 201

\

Deformetro

FIG. 7.27 Sequência de operações para o ensaio com o cilindro sensível Fonte: cortesia da Sondotécnica.

recovered rock core

202

1

Geologia de Barragens

• Define-se a direção em que será feito o rasgo para introdução do macaco plano, que deverá ser perpendicular à direção na qual se pretende medir as tensões virgens. • Chumbam-se dois pinos na rocha, no trecho correspondente à metade do futuro rasgo, em direções opostas em relação ao rasgo, medindo-se com instrumento de precisão a distância entre os dois pinos. • Procede-se à abertura do rasgo com a serra diamantada vista na Fig. 7.16. • Concluído o rasgo, mede-se a distância entre os dois pinos, que deverá ser menor que a leitura feita antes do rasgo, em consequência da deformação do maciço rochoso causada pelo alívio de tensões na ruptura. • Introduz-se o macaco plano de pequena área e procede-se à injeção de óleo sob pressão, de forma lenta

e cont ínua, medindo-se a dist ân cia entre os dois pinos a cada incremento de pressão. • Quando a leitura entre os pinos corresponder à leitura inicial ant es do rasgo, finaliza-se o ensaio. • A pressão injetada para que a leit ura entre os pinos seja igual à leitura inicial corresponderá à tensão de alívio que deformou o maciço em função do corte realizado. Para determin ar a tensão virgem em outra direção, repete-se toda a sequência de atividades para um novo rasgo, localizado perpendicularmente à nova direção em que se pretende calcular a tensão virgem. A exemplo do cilindro sensível, esse método também já foi utilizado em algumas barragens brasileiras.

7. 2 ENSAIOS DE LABORATÓRIO

Os ensaios ou testes realizados em laboratório apresentam, em alguns casos, as desvantagens citadas em 7.1, com relação à dificuldade de caracterizar as heterogeneidades e descontinuidades do material ensaiado, porém encontram muitas aplicações em setores em que não é possíve.. realizar o ensaio in situ. Da mesma forma que os ensaios realizados em campo, os ensaios laboratoriais podem ser aplicados em materiais inconsolidados ou consolidados.

7.2.1

FIG. 7.28 Introdução do cilindro sensível no

interior do furo Fonte: cortesia da Sondotécnica.

Ensaios de laboratório em materiais inconsolidados

Os principais ensaios laboratoriais realizados em materiais inconsolidados em um projeto de barragem são:

7 - Ensaios e testes

• • • • • • • • • •

Granulometria Peso específico Umidade natural Limites de consistência Teor de matéria orgânica Permeabilidade Compactação Adensamento Cisalhamento direto Triaxial

a) Ensaio de granulometria A caracterização da granulometria de um solo é efetuada pela análise granulométrica, que determina a faixa de tamanhos das particulas presentes nesse solo, expressa como uma percentagem do peso total seco. De acordo com a norma NBR 7181 da ABNT, a distribuição do tamanho das partículas do solo é obtida por meio de dois métodos: peneiramento e sedimentação.

:.nsaio de peneiramento Esse ensaio é realizado para determinar a distribuição das partículas do solo que possuem diâmetro maior que 0,075 mm. Para tanto, uma amostra de solo deve ser agitada em um conjunto de peneiras com aberturas progressivamente menores (de cima para baixo), ficando uma cuba situada abaixo da peneira mais inferior para coletar a fração de solo que passa nessa última peneira. Antes de ser peneirado, o solo deve ser secado em estufa e posteriormente destorroado. Após o onjunto de peneiras ser agitado por um "ispositivo mecânico, pesam-se as amos:ras retidas em cada peneira. As peneiras possuem um diâmetro de _0, 3 cm (8") e suas aberturas são indicadas

1 203

na Tab. 7.1. Normalmente são utilizadas apenas sete dessas peneiras (3/4", 3/ 8", nº 4, nº 16, nº 40, nº 100 e nº 200). Com base nos percentuais retidos em cada peneira, constrói-se uma curva granulométrica como mostrado na Fig. 7.29. O trecho da curva correspondente à fração fina (diâmetro das partículas inferior a 0,075 mm), que passa na peneira 200, é determinado por meio do ensaio de sedimentação. TAB. 7.1

Tamanhos das principais peneiras

Pene ira

Abertura (mm)

Peneira

Abertura (mm)

1 ½"

38

nº 16

1,2

1"

25

nº 30

0,6

3/4 "

19

nº 40

0,42

3/8"

9,5

nº 50

0,30

Nº 4

4,8

nº 100

0,15

N°10

2,0

nº 200

0,075

Ensaio de sedimentação Esse ensaio tem como base o princípio da velocidade de sedimentação dos grãos do solo em água. Essa velocidade é diretamente proporcional à massa específica da água e das partículas do solo e ao diâmetro dessas partículas, e inversamente proporcional à viscosidade do líquido. No laboratório, realiza-se o ensaio em um cilindro de sedimentação, utilizando 50 g da amostra do solo seca em estufa. Um densímetro imerso na água contendo o solo em suspensão possibilita medir, a cada tempo t , o peso específico na vizinhança do seu bulbo a uma determinada profundidade (L). O diâmetro das partículas (D) no entorno do bulbo será:

D(mm)

=

K

L(cm) t(min)

204

1

Geologia de Barragens

. on d e K = -ºri - e, por sua vez, 17 e, a v1s-

~ Gs - l

cosidade da água e Gs, o peso específico dos grãos. As partículas com diâmetro maior que D estarão sedimentadas e as inferiores continuarão em suspensão. Determina-se, assim, a quantidade de cada granulometria para cada tempo analisado, permitindo definir, em relação à quantidade da amostra ensaiada, os percentuais de cada tamanho de partícula, o que ensejará a continuação da curva granulométrica vista na Fig. 7.29, para frações abaixo de 0,075 mm. A curva granulométrica assim obtida permite a definição de quatro características do solo: classificação do solo; diâmetro efetivo; coeficiente de uniformidade; e coeficiente de curvatura.

A classificação do solo pode ser feita de várias maneiras, porém são mais conhecidas as constantes da Tab. 7.2, em função do tamanho dos grãos. No Brasil, a classificação mais utilizada para barragem é a do sues, cuja metodologia pode ser vista em Das (2007), eraig (2007), Pinto (2000), Vargas (1977) e diversos outros compêndios de mecânica dos solos. Na curva da Fig. 7.29 a última escala para os limites de classificação granulométrica corresponde a sistema do sues. O Diâmetro efetivo (D10) é o diâmetro, na curva granulométrica do tamanh das partículas, correspondente a 10% q = passa, ou 10% mais finos , conforme vis na Fig. 7.29. O diâmetro efetivo dos sol granulares é uma boa referência para estimar a condutividade hidráulica, co se verá em 7.2.lf.

Sedi mentação Pol.

______ _

mm.

Peneiramento

p nº200 nº50 nº30 nº10 3/8 1 _ ____ _ _ _ _ __!_'__=~nõ.'. º""16,.....,_,_=-----;;.;;,---=='---;3.;;;/4---'---;1,71/2>IT'-,_0 10;;-;;o___!!__,~nº°'"40n'-'-'"'---;;;;n 0074 015 03004206 12 20 1925 38

1oof - - - - - - - - -- -----~{.!::!...~~~~=""---4'"-----'""'----"'-:::;;:;~-'r'-':"'4. ergo

: 10

30 ···· ···················-·--·····-·-····················, · · ···

20 1O ····-··-······--··-··········-······-· ••••••••••• , 5 2 ,i. 5 4 3 D,Ji Comp Comp Com p

Arg ila

Silte

Argila

3 4:

6

s 1: .

.b·.ºs .i9

3

Grossa

+ Silte

FIG. 7.29 Curva granulométrica de um solo

3

2

Pedregul ho Pedregulho

Silte Arg ila

:s 7 9

2 ' 4 5'/{10

Grossa

Pedregul ho

7 - Ensaios e testes 1

:AB. 7.2

205

Classificação do solo pelo tamanho dos grãos Tamanho dos grãos (mm)

itério

-ssociação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) : stema Unificado de Classificação dos Solos (SUCS) . assachusetts lnstitute of Tecnhology (MIT) -merican Association System Highway and -,ansportation Officials (AASHTO) .S. Department of Agriculture (USDA)

O Coeficiente de Uniformidade (Cu) é

.::.efinido como: Cu

= D50 D10

nde D60 corresponde ao diâmetro das artículas 60% mais finas do solo. O Coeficiente de Curvatura (Cc) é de::ni.do como:

onde D30 corresponde ao diâmetro 30% :nais fino das partículas do solo.

b) Peso específico Em laboratório são determinados dois pesos específicos dos solos: peso especír co natural e peso específico dos sólidos. Para a determinação do peso específico natural (yn), o solo é moldado em um cilindro metálico de dimensões padronizadas pela ABNT, o que permite calcular o seu volume. O peso do solo é obtido pela diferença entre o peso total (sólido + molde) e o peso do molde vazio. Dividindo-se o peso do solo pelo volume conhecido, tem-se o peso específico natural, o qual não varia muito entre os diferentes tipos de

Pedregulho

Areia

Silte

Argila

> 4,75

0,05 - 4 ,75

0,005 - 0,05

< 0,005

4,75 - 76,2

0,075 4.75

> 2,0

0,06 - 2,0

0,002 - 0,06

< 0,002

2,0 - 76,2

0,075 - 2,0

0,002 0,075

< 0,002

> 2,0

0,05 - 2,0

0,002 - 0,05

< 0 ,002

< 0,075

solos, oscilando geralmente entre 19 e 20 kN/ m 3 , ou 1,9 a 2,0 t / m 3 . Para determinar o peso específico dos sólidos (y5), coloca-se um peso seco conhecido do solo em um picnômetro, completa-se com água e determina-se o peso total. Esse peso total, subtraído do peso do picnômetro com água (medido antes do ensai ) e do peso do solo conhecido, corresponde ao peso do volume de água deslocado pelo solo no picnômetro. Desse peso calcula-se o volume da água deslocada, que corresponderá, também, ao volume do solo. Dividindo-se o peso inicial do solo pelo seu volume assim determinado, tem-se o peso específico do sólido, ou dos grãos. Esse peso não varia muito de 27 kN/ m 3 , ou 2,7 t/ m 3 . Para os grãos de quartzo (areia), é de 26,5 kN/ m 3 , ou 2,65 t / m 3 .

e) Umidade natural A umidade natural do solo (h ou w) expressa a relação entre o peso da água e o peso dos sólidos . O solo amostrado em campo deve ser parafinizado para evitar a modificação de sua umidade no trajeto até o laboratório. Para a determinação da umidade natural, pesa-se o solo no seu estado natural, seco em estufa a 105°C, até constância do peso, e depois pesa-se

206

1

Geologia de Barragens

novamente. Subtraindo-se o peso inicial do peso final, tem-se o peso da água contida no solo. Dividindo esse peso pelo peso final, que corresponde ao peso do solo seco, e multiplicando o resultado por 100, obtém-se o teor de umidade em percentagem. Os teores de umidade dependem do tipo de solo, mas geralmente se situam entre 10% e 40%; podem, porém, ultrapassar os 100% em solos turfosos.

d) Limites de consistência Os solos de granulação fina contendo minerais de argila podem ser moldados na presença de alguma umidade sem chegar a esfarelar, graças à natureza coesiva causada pela água adsorvida que circunda as partículas argilosas. A consistência desses solos com teor de umidade variável foi desenvolvida pelo cientista sueco Atteberg no início do século XX. Segundo esse cientista, o comportamento desses solos com a variação do teor de umidade admite quatro estados básicos a partir da menor umidade, a saber: sólido, semissólido, plástico e líquido. O teor de umidade, em percentagem, para o qual ocorre a transição de um determinado estado para o imediatamente seguinte é denominado limite. Assim, o teor de umidade entre o estado sólido e o semissólido é denominado limite de contração; entre o estado semissólido e o plástico, limite de plasticidade; e entre o estado plástico e o líquido, limite de liquidez. A Fig. 7.30 mostra a evolução do comportamento dos solos finos argilosos com o aumento da umidade. Esses limites são conhecidos como Limites de Atteberg. Utiliza-se ainda,

Sólido

Semissól ido

Plástico

Líquido Aumento - - ~ do teor de umidade Lim it e de Limite de Limite de cont ração - LC plasticidade - LP liquid ez - LL

- - - - + - - - t - - -1

FIG. 7.30 Evolução do co mportamento do solo com

o au mento do teor de umidade

na mecânica dos solos, o Índice de Plasticidade (IP), definido como: IP = LL - LP

Limite de liquidez (LL) Esse limite é determinado em laboratório com base na norma NBR 6459 da ABNT, segundo a qual o ensaio é realizado em um equipamento denominado Casagrande, que consiste em uma concha de latão e uma base de borracha rígida, sendo a concha golpeada sobre a base por um excêntrico operado por uma manivela. Para realizar o ensaio, coloca-se uma pasta resultante do solo umedecido o bastante que admita ser cortado sem provocar desabamento da parede do corte Em seguida, provoca-se um sulco na parte central com uma ferramenta padrão, deixando o solo no interior da concha como visto em seção na Fig. 7.31a. Com o uso da manivela, a concha é levantada até uma altura de 1,0 cm, caindo em seguida sobre a base. O limite de liquidez é definido pelo teor de umidade necessário para fecha! com 25 golpes uma distância de 1,27 cr:: ao longo da parte inferior do sulco, d= forma a ser vista em seção na Fig. 7.31b.

Limite de plasticidade (LP) Esse limite é determinado com basna norma NBR 7180 da ABNT. O ensa: é muito primitivo, baseando-se na rol gem manual sobre uma placa de vidrdespolido, de uma massa de solo umed

7 - Ensaios e testes

ciclo com uma determinada umidade, até =armar filamentos . O LP é definido como o teor de umidade no qual o filamento de solo se fragmenta quando rolado na espessura de 3,2 mm.

1

207

V. ·---·- - - - - - -----·- - - - -·- ---- -·-·-·o

o

V>

o

"D (IJ

E ::,

o> v,_ ,______....,

Limite de contração

Limite de plasticidade

Limite de H, liquidez

Teor de umidade (%)

FIG. 7.32 Modelo para explicar o limite de co ntração: Vi - volume inicial; Vr - volume final; h; umidade inicial Fonte: modificado de Das (2007).

FIG. 7.31 Seção vertical da concha no ensaio de

Casagrande: (a) após o corte; (b) final do ensaio

:..imite de contração (LC) Esse limite é determinado com base na norma NBR 7183 da ABNT. Baseia-se no ato de que o solo se contrai à medida que perde a umidade, atingindo um estágio de equilíbrio no qual maior perda de umidade não importará em maior perda de volume, como se vê no gráfico da Fig. 7.32. O ensaio é realizado em laboratório com uma cápsula de porcelana revestida ?Or vaselina, na qual se coloca o solo umedecido com determinada umidade. Seca-se em estufa, reveste-se o solo em parafina e mede-se seu novo volume por imersão em agua. O ensaio é repetido com teores variá"eis de umidade, e o LC corresponderá ao -eor de umidade a partir do qual a amostra não perde mais volume. Com base nos resultados dos ensaios de LL e LP, Casagrande propôs um gráco de plasticidade, conforme mostrado a Fig. 7.33. Nesse gráfico, a linha A é

definida empiricamente pela equação IP= 0,73 (LL-20). Essa linha separa as argilas inorgânicas (situadas acima dela) dos siltes inorgânicos (situados abaixo). As informações obtidas nesse gráfico são de grande importância e compõem a base para a classificação unificada dos solos (SUCS), cujos símbolos aparecem no gráfico da referida figura. A plasticidade dos solos finos pode ainda ser avaliada em laboratório por meio dos testes de rigidez, de dilatância e de resistência a seco.

Teste de rigidez No laboratório, esse teste é muito parecido com o realizado para o limite de plasticidade. Uma parte do solo é rolada sobre uma superfície lisa ou na palma da mão até formar um cilindro, que é amassado e novamente moldado na forma cilíndrica. Essa operação é repetida até que, em razão do secamento da amostra, os cilindros se partam em fragmentos com diâmetro de 3 mm. Nessa condição,

208

1

Geo logia de Barragens

as argilas inorgânicas de alto LL são razoavelmente rígidas e duras; as argilas de baixo LL são macias e se esfarelam facilmente; os siltes inorgânicos produzem um cilindro fraco que pode se romper e esfarelar imediatamente.

do solo com aproximadamente 6 mm de espessura. A resistência do solo seco é avaliada por meio da rupt ura e do esfarelamento do solo p ela pressão dos dedos. Quanto maior o LL de argilas inorgânicas, maior a resistência à ruptura; os siltes inorgânicos de baixo LL possuem pouca ou nenhuma resistência a seco, esfarelando-se com a leve pressão dos dedos.

Teste de dilatância Uma pequena porção do solo contendo água suficiente para torná-lo macio, mas não pegajoso, é colocada na palma da mão aberta na horizontal. Bate-se então uma mão sobre a outra muitas vezes. A dilatância é determinada pelo surgimento de um filme lustroso de água na superfície do solo. Depois de ser espremida e pressionada com os dedos, quando a pasta endurece, a superfície torna-se fosca se o solo possui partículas de silte e areia fina,

e) Teor de matéria orgânica A matéria orgânica afeta sobretudo os agregados miúdos (areia) no seu emprego no concreto. A determinação do teor de matéria orgânica é feita segundo a norma NBR NM 49 da ABNT. Faz-se a comparação da cor de uma solução aquosa de hidróxido de sódio, à qual o material foi submetido, com a cor de uma solução padrão de dicromat o de potássio.

o que não ocorre se o solo for constituído predominantemente por argila plástica.

f) Permeabilidade

Teste de resistência a seco

Pode-se realizar de duas formas o ensaio de permeabilidade de um solo em laboratório: a carga constante e a carga variável.

Deixa-se secar completamente, seja de forma natural ou em um forno , uma porção 60

V

~

w 50

-o
CH


a..

~

V

/

/

\

~ 30 (IJ

CL

-~

-o .E 20

/

10 1

ML

o

10

/

V

20

/

/

MH OH

/ ML OL

30

40 50 60 Lim it e de liqu idez

70

80

FIG . 7.33 Gráf,.co de plasticidade com indicação dos símbolos da c/assif,.cação SUCS

90

100

7 - Ensaios e testes

1 209

3nsaio com carga constante Nesse tipo de ensaio, a água que atravessa o corpo de prova do solo é ajustada de forma que a diferença de carga entre a entrada e a saída permaneça constante durante todo o ensaio. Com vazão constante, mede-se em urna proveta o volume de água durante um determinado tempo (Fig. 7.34). A permeabilidade será dada por: K

Água

= VL

Aht onde: K - permeabilidade em cm/s; V - volume de água coletada em cm 3 ; L - comprimento do corpo de prova; A - seção do corpo de prova; h - diferença de carga hidráulica; - tempo de medição.

FIG. 7.34 Permeâmet ro de carga constante Fonte: modifzca do de Das (2007).

J_ dh

T Piezô metro

:.nsaio com carga variável Nesse ensaio, a água de um piezômetro ui através de uma amostra de solo. No instante t = O, o nível de água no piezômetro é h1 e no instante t = t2 , esse nível será h2 (Fig. 7.35). A permeabilidade será dada por: K

=

Corpo de prova

t

aL h 2,303-logrn - 1 At h2

onde: : - permeabilidade (cm/s); a - seção do piezômetro (cm 2) ; - comprimento do corpo de prova (cm); • - seção do corpo de prova (cm 2); - - tempo final (t2); 1 - nível inicial (cm); ::i 2 - nível no tempo t 2. A permeabilidade pode ainda ser 2stimada a partir do conhecimento do diâ-

FIG. 7.35 Permeâmet ro de carga variável Fonte: modifz cado de Das (2007).

metro efeti vo do solo (D10), de acordo com a equação (Mello; Teixeira, 1967): k =a. D1 o

onde: k - coeficiente de permeabilidade (cm/ s); a - coeficiente que varia com a compa-

cidade (50 < a < 150); D10 - diâmetro efetivo do solo (cm).

210

1 Geologia de Barragens

g) Compactação A compactação de um solo corresponde à sua densificação por meio da remoção do ar pela aplicação de uma energia mecânica. Ela tem por finalidade aumentar o peso específico seco do solo e, consequentemente, a sua resistência às cargas aplicadas. A água adicionada ao solo durante o processo de compactação objetiva amolecer as suas partículas para facilitar o deslizamento entre elas, resultando em uma formação compacta de alta densidade. Ocorre que o aumento do teor de umidade somente influi enquanto a água preenche os vazios sem ocupar o espaço das partículas do solo. Assim, esse incremento da umidade atinge o máximo de influência no aumento do peso específico quando todos os vazios estiverem saturados. A partir desse ponto, o aumento da umidade provocará uma diminuição do peso específico, pois a água tomará o espaço dos grãos. O ponto em que o teor de umidade possibilita atingir o mais elevado peso específico do solo é denominado umidade ótima (H0 J. Os ensaios de compactação visam determinar em laboratório a umidade ótima e a correspondente densidade máxima do solo, e podem ser feitos de duas maneiras: Proctor normal e Proctor modificado.

em um molde metálico cilíndrico com 11,64 cm de altura e 10,16 cm de diâmetro interno, o que propiciará a compactação de um volume de 944 cm 3 de solo. O solo é colocado nesse molde em três camadas, cada uma compactada por um soquete de 2,5 kg caindo de uma altura de 30,48 cm. Cada camada recebe 25 golpes desse soquete espalhados ao longo de toda a área do molde. O solo a ser compactado terá seu teor de umidade determinado no -laboratório antes de iniciar o ensaio. O peso específico natural de compactação (y) pode ser calculado pela equação: p y= -

v

onde: y - peso específico natural de compactação (g/cm 3); P - peso do solo compactado no molde (g); V - volume do solo contido no molde (944 cm 3). Conhecido o teor de umidade, pode-se calcular o peso específico seco do solo por meio da equação: Yd

=

y H 1+ 100

onde: Yd - peso específico seco do solo (g/cm 3); y - peso específico natural do solo (g/cm 3); H - teor de umidade do solo (%).

Ensaio de Proctor normal Esse ensaio é normatizado pela NBR 7182 da ABNT e consiste na compactação do solo com o mínimo de cinco teores de umidade diferentes, a fim de construir o gráfico de compactação. Para cada teor de umidade, o solo é bem misturado com a respectiva quantidade de água e colocado

Obtido o peso específico seco em cinco ou mais medições, constrói-se a curva de compactação do solo ensaiado em um gráfico Yd x H (Fig. 7.36). Nessa curva, o ponto de inflexão corresponde ao peso específico seco máximo, também chamado de densidade máxima (YmáJ e a umidade

7 - Ensaios e testes

mesmo molde do Proctor normal, porém o solo é compactado em cinco camadas por um soquete de 4,54 kg caindo de uma altura de 45,7 cm. O número de golpes é o mesmo do Proctor normal (25). Como esse ensaio aumenta o esforço de compactação, resulta no aumento do peso específico seco máximo do solo e na redução da umidade ótima de compactação. A construção da curva de compactação é feita da mesma maneira que no Proctor normal.

Ho, Teor de Umidade - %

FIG. 7.36 Curva de compactação

h) Adensamento

correspondente a essa densidade definirá a umidade ótima (H 0 J de compactação.

=.nsaio de Proctor modificado O ensaio de Proctor modificado surgiu para atender à utilização de rolos compactadores muito pesados, visando a uma maior aproximação entre as condições de laboratório e as condições de campo. _ esse ensaio, que também consta da norma NBR 7182 da ABNT, utiliza-se o

Relógio compacado,

O ensaio de adensamento em laboratório visa definir as características de compressibilidade dos solos argilosos. Nele, o corpo de prova, que mede 6,4 cm de diâmetro e 2,5 cm de espessura, é colocado dentro de um anel metálico denominado edômetro, com pedras porosas na base e no topo. Uma carga é aplicada na parte superior sobre a pedra porosa (Fig. 7.37) e a deformação sofrida pelo solo é registrada por um extensômetro.

=º

Ca,ga aphcado,a• - -- - - - -

Água

7.37 Esquema do edômetro ::ante: modificado de Das (2007).

::IG.

1 211

212

1

Geologia de Barragens

Cada carga é aplicada por 24 horas e após esse período é geralmente dobrada. A deformação sofrida pelo corpo de prova adensado, para uma determinada carga aplicada, inclui três estágios (Fig. 7.38), a saber:

- Estágio I:

compressão inicial, predomi-

nantemente por pré-carregamento; - Estágio II: adensamento primário resultante da transferência gradual da poropressão excessiva para a tensão efetiva em função da expulsão da água dos poros; - Estágio III: compressão secundária ocorrida após a dissipação do excesso de poropressão, consequente do reajuste plástico da estrutura do solo.

o e0 , pois somente o Hv varia durante o ensaio. Assim, !le = er - e0 . Com os valores de !le para cada carga aplicada, pode-se construir o gráfico ex cr' (Fig. 7.39), que permite calcular a pressão de pré-adensamento (crc'), como indicado nessa figura.

Estágio 1

o

'"'<>"'

Estágio li

§ .!:? Q)

o

1 Estágio Ili

Tempo (escala logarítimica)

Como o corpo de prova tem sua altura inicial (H) reduzida em cada incremento de carga, é possível determinar para cada carga aplicada a redução do índice de vazios (e), pois:

onde: e0 - índice de vazios inicial; Vv - volume de vazios; V5 - volume de sólidos; A - área do corpo de prova; Hv - altura de vazios no início da carga aplicada; H 5 - altura de sólidos no início da carga aplicada. O ercorrespondente ao índice de vazios no final da aplicação da carga é m enor que

FIG. 7.38 Gráfico Tempo x Deformação no ensaio

de adensamento Fon te: modificado de Das (2007).

ô

·;;; ~ Q)

-o QI

u

'õ ..f

a

-f=--=-,- a

19 ' ,

a '-.--... d

1 1 1 1

1 1 1

1 1 1 1

h

1 cr',

Pressão - cr' (esc. log .)

FIG. 7.39 Gráfico ex cr' Fonte: modificado de Das (2007).

- - b

7 - Ensaios e testes 1

i) Cisalhamento direto O ensaio de cisalhamento direto objetiva determinar em laboratório a resistência à ruptura por cisalhamento dos solos. Trata-se do ensaio mais antigo e mais simples com tal objetivo, o qual baseia-se no critério de Coulomb, em que uma reta relaciona as tensões normais e tangenciais aplicadas ao material ensaiado. Apesar de simples, exige cuidados, desde a representatividade da amostra de solo retirada até as condições de manipulação da amostra até a realização do ensaio, principalmente no caso de amostras indeformadas. No laboratório, o corpo de prova é confinado em um caixa metálica de seção transversal quadrada ou circular, que se acha partida horizontalmente a meia altura. Na base e no topo do corpo de prova serão colocadas placas porosas, a fim de facilitar a drenagem da água eventualmente contida no solo. É então aplicada uma força normal (N ) ao corpo de prova e, em seguida, uma força tangencial (T) é aplicada gradualmente no plano horizontal (Fig. 7.40). Defletômetro vertical

Se a metade inferior da caixa estiver fixada, haverá um deslocamento progressivo da metade superior, por meio de sucessivos Af (Fig. 7.40), detectados por meio do defletômetro horizontal instalado na parede lateral da caixa de ensaio (metade superior). Também ocorrerão pequenas modificações na espessura do corpo de prova, assinalada por ~h nessa figura, e que são detectadas pelo defletômetro vertical instalado no topo da caixa de ensaio. Considerando h 0 a espessura inicial do corpo de prova, a deformação angular (y) pode ser definida por Af/ h 0 e a deformação volumétrica (ev), por ~h/ h 0 . A tensão normal (cr) será definida pela divisão da força normal (N ) pela área de aplicação dessa carga, da mesma forma que a tensão cisalhante (r) é definida pela divisão da força tangencial (T) pela área de sua aplicação no corpo de prova. A tensão -r pode ser representada em função do deslocamento no sentido do cisalhamento, como mostrado na Fig. 7.41, em que é identificada a tensão

'trnáx

correspondente à ruptura e a

N

Defletômetro horizontal

Placas porosas -Dreno

FIG. 7.40 Esquema do ensaio de cisalhamento direto

=-ante: modifzcado de Craig (2007).

213

214

1

Geologia de Barragens

tensão residual (tres) mantida pelo corpo de prova após atingir a ruptura. Nessa mesma figura, observa-se o deslocamento vert ical registrado pelo extensôrnetro vertical, denotando se houve diminui-

'·

ção ou aumento de volume durante o

1t res 1 1 1

cisalharnento. Ao se realizar ensaios com diversas tensões normais, obtém-se a Envoltória de Cisalharnento, ou Reta de Coulomb, no gráfico 't x cr (Fig. 7.42). Nessa figura, podem-se obter os parâmetros de resistência ao cisalharnento (c e ~) e, consequentemente,

definir a

E (mm)

Ê

E

.e
E(mm)

equação

dessa resistência corno segue: r = e + cr . tgcp

Embora esse ensaio apresente corno vantagem a simplicidade de operação e a

FIG. 7.41 Deslocamentos horizontal e vertical no

ensaio de cisalhamento direto Fonte: modifzcado de Pinto (2000).

facilidade de preparo do corpo de prova, principalmente no caso de areias, oferece várias desvantagens, e a principal é a impossibilidade de medir a poropressão. Assim, as tensões medidas são sempre as totais, embora seja igual à tensão efetiva se a poropressão for nula, como mostrado na envoltória B da Fig. 7.42, onde cp = cp' por se tratar de uma areia sem coesão.

e

j) Ensaio triaxial o

O ensaio de compressão triaxial é o método mais confiável para a determinação dos parâmetros de resistência dos solos, pois permite medir a influência da poropressão ou pressão neutra (µ) na ruptura por cisalharnento. Esse ensaio baseia-se no pressuposto de que a ruptura por cisalharnento ocorre pela diferença de tensões compressivas entre duas posições ortogonais, conforme discutido no Cap. 4. Assim, um corpo de prova do solo recebe

FIG. 7.42 Gráfzco, x cr no ensaio de cisalhamento direto: A - solo coesivo; B - solo não

coesivo (areia)

urna tensão hidrostática, ou pressão confinante (crJ, que corresponde, num sistema triaxial, às tensões cr2 = cr3, e uma pressão axial correspondente nesse estado à tensão cr1. A intensidade da diferença cr1 - cr3, denominada tensão desviadora, é que determinará a ruptura desejada.

7 - Ensaios e testes

Em laboratório, o corpo de prova de :arma cilíndrica nas dimensões de 76 mm :.e comprimento por 36 mm de diâme:ro é envolvido por uma fina membrana ~e borracha e colocado dentro de uma ::âmara cilíndrica (Fig. 7.43). A câmara é cheia de água ou glicerina, à qual se aplica ;.una pressão CJc, que se distribui homoeneamente sobre todo o corpo de prova, mclusive na vertical, pois este ficará su·eito a um estado hidrostático de tensões. - seguir, aplica-se uma tensão axial (cr1) através de uma haste de carregamento ·ertical, e a carga é registrada em um anel dinamométrico, enquanto as deformações verticais que precedem a ruptura são medidas por um extensômetro ligado à haste. Para cada pressão confinante (cr3), haverá uma tensão axial (cri) que pro•ocará a ruptura. A diferença cr1 - cr3 definirá um estado de tensões de ruptura representado por um semicírculo no

gráfico de Mohr. A tangente aos diversos círculos permitirá definir os parâmetros e e ~. conforme indicado na Fig. 7.44. Esse ensaio pode ser realizado de três diferentes maneiras: ensaio adensado drenado; ensaio adensado não drenado; e ensaio não adensado e não drenado.

Ensaio adensado e drenado (CD ou S) A sigla CD vem de consolidated-

-drained e S vem de slow, por ser também esse ensaio denominado lento, uma vez que pode levar mais de 20 dias para serrealizado, no caso de solos argilosos. Nesse ensaio, aplica-se a pressão confinante e aguarda-se o adensamento do solo, o que ocorrerá com a expulsão da água e a consequente dissipação da poropressão. A seguir, a pressão axial é aplicada lentamente para que a água sob a nova pressão possa sair, mantendo sempre nula a pressão neutra. Dessa forma, as ten-

Membrana

Drenagem ou mediçaoda~ pressao neutra

Entrada de água > l=::::::::::;::::::=•- e medição da ~ ~ ~~ - - - - - ~ - - ~ pressão confinante Pedra porosa

FIG. 7.43 Esquema do ensaio triaxial Fonte: modificado de Pinto (2000).

1 215

216

1

Geologia de Barragens

ensaio, o corpo de prova é submetido à pressão confinante e, a seguir, ao confinamento axial, sem que se permita qualquer drenagem. Pelo fato de o tempo de drenagem não ser necessário em qualquer carregamento, esse é o tipo de ensaio mais rápido. Em consequência, é possível medir apenas as tensões totais, ou seja: 1

FIG. 7.44 Gráfico , x

sões aplicadas corresponderão às tensões efetivas e no gráfico de Mohr serão determinados e' e ~•, possibilitando definir a equação de cisalhamento como no ensaio de cisalhamento direto, ou seja: , =e'+ cr'tgcp'

Ensaio adensado e não drenado (CU) A sigla

=e +

cr . t gcp

a no ensaio triaxial

CU

vem

de

consolidated-

-undrained. Embora não seja o tipo de

ensaio mais rápido, ele o é em relação ao CD. Nesse ensaio, aplica-se a pressão confinante até dissipar a pressão neutra correspondente. Mantendo-se a pressão confinante, carrega-se axialmente o corpo de prova sem permitir a dissipação da pressão neutra gerada por esse carregamento. Dessa forma, é possível medir a poropressão, o que permite definir a resistência ao cisalhamento em termos de tensões totais e de tensões efetivas, ou seja:

, =

e + cr. tgcp (t ensões totais)

, =

e' + cr ' . tgcp'(t ensões efetivas)

Ensaio não adensado e não drenado (UU ou Q) A sigla UU vem de unconsolidated-undrained e Q, de quick (rápido). Nesse

O importante para o projeto de uma barragem é definir, para cada caso, o tipo de ensaio triaxial a realizar. O_ parâmetros de resistência determinados pelo ensaio CD são úteis para a determinação da estabilidade de longo prazo tanto em solos compactados nos aterr _ como em solos in situ nos cortes reali~dos em canais e ombreiras. Por sua vez, _ parâmetros de resistência determinad _ nos ensaios CU podem ser utilizados par:estudar a estabilidade do talude das ba. ragens de terra, sobretudo o de montan-=nos casos em que o solo é totalme -. adensado de início e submetido a um e.a: regamento rápido. Esse fato geralme-· ocorre após um rápido esvaziamento reservatório nesse tipo de barragem. ? fim, o ensaio UU é útil para deter:rru:os parâmetros de resistência do mate argiloso contido nas fundações da ba: gem (terra ou enrocamento), uma vez _ a carga imposta pela obra pode ser cada rapidamente sem dar tempo para ocorra a drenagem desse material arg:

7.2.2 Ensaios de laboratório materiais consolidado Em laboratório, podem-se realizsaios em materiais consolidados (r

7 - Ensaios e testes

?<Jr meio de uma amostra íntegra, gealmente de forma geométrica, ou com

:ragmentos dessa rocha. Os principais en-aios são: • • • • • • • • • • • • • •

Peso específico Porosidade e permeabilidade Compressão uniaxial Esmagamento Resistência ao cisalhamento não confinado Resistência ao cisalhamento triaxial Resistência à tração Resistência à flexão Constantes elásticas Resistência ao desgaste Resistência ao intemperismo Reatividade química potencial Adesividade Outros ensaios

a) Peso específico O peso específico aparente das rochas é determinado em laboratório por meio de um corpo de prova cilíndrico, que pode resultar da sondagem rotativa de campo, quando são selecionados na caixa de testemunhos os trechos de rocha a ensaiar, ou obtidos através de pequenas sondas de laboratório, que podem confeccionar testemunhos a partir de blocos rochosos coletados em bom estado de sanidade. O testemunho selecionado deve ter suas extremidades cortadas por serra diamantada, a fim de conferir ao corpo de prova uma perfeita forma geométrica e, assim, facilitar a determinação de seu volume. Outra forma de facilitar essa determinação é cortar o corpo de prova em forma prismática por meio de serra diamantada. Definido o volume do corpo de prova, ele

1 217

então é pesado, e o peso específico aparente (y) é resultante da divisão do peso da amostra pelo seu volume. Como na maioria das rochas o volume de vazios é desprezível (com exceção das lavas vulcânicas e de algumas rochas sedimentares), o peso específico aparente, ou natural, é praticamente igual ao peso específico do sólido. O peso específico aparente das rochas varia de 2,0 g/cm 3 (rochas sedimentares como arenitos e folhelhos) a 3,0 g/cm 3 (rochas ígneas básicas).

b) Porosidade e permeabilidade A porosidade retrata a relação entre o volume de vazios e o volume total de um corpo rochoso. Nas rochas, a porosidade pode ser granular ou intersticial. A porosidade granular decorre dos vazios existentes entre as partículas sólidas em uma rocha sedimentar e a intersticial, dos vazios existentes entre os minerais que compõem uma rocha ígnea ou metamórfica. Considerando que o peso específico da água é 1 g/cm 3 , o ensaio para porosidade consiste em pesar um corpo de prova rochoso primeiramente em seu estado saturado e depois seco. A diferença entre o peso saturado e o seco corresponde ao peso da água contida nos vazios e, consequentemente, ao volume dos vazios. Dividindo esse volume pelo volume total de corpo de prova, tem-se o valor da porosidade, em percentagem. Para rochas sedimentares, a porosidade granular pode variar entre 5% e 30%, porém nas rochas ígneas e metamórficas, a porosidade intersticial fica geralmente entre 0,1% e 1,0%. A permeabilidade retrata a facilidade de escoamento da água ou outro fluido

218

1

Geologia de Barrage ns

através dos vazios da rocha. Deduz-se

onde:

logo que essa permeabilidade é maior nas rochas sedimentares, nas quais atinge até 10- 3 cm/s. Nas rochas ígneas

Se - resistência à compressão (kgf/cm 2 ou MPa);

e metamórficas, a permeabilidade varia entre 10- 5 e 10- 7 cm/s. A metodologia do ensaio é a mesma citada para os solos no item 7.2.lf.

e) Compressão uniaxial A compressão uniaxial visa definir a resistência à compressão da rocha e pode ser realizada de duas formas: compressão simples e compressão pontual.

Se - resistência à compressão para L = D o (kgf/cm 2 ou MPa). Em nenhum caso L/D deverá sair da seguinte relação: 2 > L/D > 1/ 3. A resistência à compressão em rochas ígneas e metamórficas varia entre 100 e 300 MPa e em rochas sedimentares, entre 30 e 200 MPa. Outra influência nessa resistência é a relação entre a direção da carga aplicada e as descontinuidades geomecânicas da rocha (xistosidade, estratificação

Compressão simples

etc.). A maior resistência à compressão ocorre quando a carga é aplicada perpendicularmente a essas descontinuidades e

Nesse ensaio, o corpo de prova cilíndrico é submetido a uma pressão uniaxial aplicada no seu topo (Fig. 7.45)

o inverso ocorre quando aplicada paralela-

até provocar a ruptura por esmagamento, resultante da ocorrência de ruptura por

mente. Assim, o ensaio deve reproduzir em laboratório a maior semelhança possível

tração e por cisalhamento.

com a situação em que a rocha será solicitada nas fundações de uma barragem ou

A resistência à compressão é dada por:

= Fc e A

S

onde: Se - resistência à compressão (kgf/cm 2 ouMPa);

como suporte de estruturas concentradas, como na casa de força, embora, na maior parte dos casos, o maciço rochoso esteja confinado, o que torna pouco representa-

Fc - força compressiva (kgf ou KN) ; A- área do corpo de prova (cm 2).

As dimensões do corpo de prova influem nessa resistência. Assim, a resist ência Se é válida para um corpo de prova com L (comprimento) = D (diâmetro).

Corpo de prova -

--t,-""-='!:'T+.1',

Placas metálicas

Para outra relação L/D, é válida a seguinte equação: Se =

Sco

D O, 778 + 0,22 L

FIG. 7.45 Esquema do ensaio de compressão uniaxial

7 - Ensaios e testes

1 219

F

o o resultado do ensaio de compressão

-Diaxial em laboratório.

: mpressão pontual Na compressão pontual, um corpo ?Uchoso cilíndrico, em que L > 1,SD, é ~olocado em uma prensa e pressionado - ·ametralmente por meio de duas peças ele aço pontiagudas (Fig. 7.46). A carga que provocará a ruptura de:inirá o Índice de Carga Pontual (Is), dado ?Or:

FIG. 7.46 Esquema do ensaio de compressão

F

Is=-

pontual

D2

onde: Is - índice de carga pontual (kgf/cm 2 ou MPa); ? - força pontual aplicada (kgf/cm 2 ou MPa); D - diâmetro do corpo de prova (cm). A resistência à compressão pontual será dada pela expressão: Se= (14 + 0,175D) Is

d) Esmagamento O ensaio de esmagamento corresponde a uma compressão exercida sobre fragmentos rochosos , o que permite definir a resistência da rocha carregada de forma fragmentada. Nesse ensaio, são compactados fragmentos de rocha de uma dada granulometria em um cilindro de aço rígido, que é submetido à compressão por meio de um êmbulo até alcançar uma determinada carga, a uma velocidade pré-fixada. Concluído o ensaio, determina-se a massa M 2 dos fragmentos que passam

em uma malha pré-especificada. O resul-

tado dessa resistência é dado em função do percentual de material desagregado, em função da massa original dos fragmentos (M 1) , conforme a expressão:

Esse percentual deve situar-se entre 15% e 30% para a maior parte das rochas de maior resistência.

e) Resistência ao cisalhamento não confinado Existem vários métodos para a medição da resistência ao cisalhamento não confinado de rochas em laboratório, porém o mais empregado é o que utiliza um corpo de prova prismático tabular, preso em duas extremidades e carregado em sua porção média conforme indicado na Fig. 7.47. A resistência ao cisalhamento (Ss) será dada por: Fc Ss

2A

220

1 Geologia de Barragens

onde: Ss - resistência ao cisalhamento (kgf/cm 2 ou MPa); Fc - força compressiva (kgf ou KN); A - área do corpo de prova no sentido da ruptura (cm 2). Esse ensaio tem pouca aplicação para projetos de barragem, pois o maciço rochoso encontra-se geralmente confinado nas fundações desse tipo de obra.

Resistência ao confinado (triaxial)

f)

cisalhamento

O ensaio triaxial para determina-

ção dos parâmetros de resistência ao cisalhamento das rochas (c e
cr1. Como na maioria das rochas ensaia-

das (ígneas e metamórficas) a porosidade intersticial é desprezível, não é necessário drenar o corpo de prova nesse ensaio, e muito menos adensá-lo, pois esse tipo de rocha já é completamente densa. Assim, esse ensaio corresponde ao ensaio UU dos solos, com a diferença de que as pressões totais correspondem às pressões efetivas, o mesmo acontecendo com os parâmetros de resistência (c' e ~'). A única diferença entre esses ensaios e o realizado em solos é a configuração do gráfico-r x cr. Nos solos, a tangente aos semicírculos de tensões é representada por uma reta, ao passo que nas rochas essa tangente é ligeiramente encurvada e denominada envoltória de ruptura, como se observa nc gráfico da Fig. 7.48, no qual pode ser determinada uma coesão e um ângulo de atrit para cada par de tensões cr1, cr3.

g) Resistência à tração A resistência à tração das rochas poà ser medida em laboratório de duas formas tração direta e tração indireta.

Tração direta

Corpo de prova

2 2 FIG. 7.47

confznado

Esquema do ensaio de cisalhamento não

Nesse tipo de ensaio, o corpo rocho_ de forma cilíndrica com L = 10 cm e D en ~ 4 cm e 5 cm é fixado com cimento epóX! · dois cabeçotes que são tracionados coa força FT, como visto esquematicame -na Fig. 7.49. A resistência à tração (ST dada por: ST = Fr A onde: ST- resistência à tração (kgf/cm 2 ou MPFT - força traciona! (kgf ou KN); A - área do corpo de prova (cm 2).

7 - Ensaios e testes t

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cr,

cr

FIG. 7.48 Gráfico, x cr para rochas

-:ração indireta Esse ensaio foi concebido pelo brasileiro :..oba Carneiro, razão pela qual é conhecido mternacionalmente pelo nome de Ensaio 3rasileiro. Nele, o corpo de prova cilíndrico é comprimido axialmente ao longo o comprimento do corpo (Fig. 7.50). Essa ;:ompressão gera tensões de tração CTT per?€ndiculares ao plano vertical comprimido ABCD na figura), o que vai produzir a rupctUa por tração ao longo desse plano. A resistência à tração (ST) será dada r:

6Fc ST = - rc·D·L

n de: - - resistência à tração (kgf/cm 2 ou MPa); =e - força de compressão aplicada; . . ., - diâmetro do corpo de prova (cm); _ - comprimento do CP (cm). A resistência à tração das rochas m eas e metamórficas varia entre 100

e 300 kgf/cm 2 , ou 10 a 30 MPa, e para as rochas sedimentares, entre 20 e 200 kgf/cm 2 , ou 2 a 20 MPa. As relações entre as diversas resistências à ruptura são, aproximadamente: Se = K.ST (K varia entre 4 e 10);

S5 = 2 ST; ss= ½ s e h) Resistência à flexão A resistência flexural da rocha é medida em laboratório utilizando corpos de prova cilíndricos ou prismáticos. Em qualquer caso, o corpo de prova é colocado sobre uma base contendo dois suportes distanciados de L. A seguir é aplicada uma força de compressão (Fc) sobre uma placa contendo um suporte central, colocada sobre o corpo de prova de maneira a ficar o suporte da placa situado no centro do corpo de prova (Fig. 7.51).

222

1

Geologia de Barragens F,

f 0

Corpo de prova

FI G. 7. 5 1 Esquema do ensaio f/.exural Fonte: modificado de Obert e Duva l (1967).

Se o corpo de prova for cilíndrico, a resistência à flexão é definida por: B·F ·L

Sp =--c-3_ rc.D

F, FIG. 7.49 Esquema do ensaio de tração direta Fonte: modificado de Obert e Duval (1967).

onde: Sp - resistência flexural (kgf/cm 2 ou MPa Fe - força compressiva aplicada até a ruptura (kgf/cm 2 ou MPa); L - distância entre os suportes da base (cm D - diâmetro do corpo de prova (cm). Se o corpo de prova for prismático co espessura a e largura b, a resistência flexural será dada por: Sp =

3-F · L e 2 2-b ·a

A resistência flexural é importanpara definir a estabilidade do teto de e_ cavações em túneis e para a instalaç de usinas subterrâneas em projetos barragens. FIG. 7.5 0 Esquema do ensaio de tração indireta Fonce: modificado de Obert e Duval (1967).

7 - Ensaios e testes 1

i) Con stantes elásticas Das cinco constantes elásticas - módulo de deformabilidade, coeficiente de Poisson, módulo de rigidez, módulo de compressibidade volumétrica e constante de Lame -, apenas as duas primeiras são determinadas em laboratório, já que as demais são calcudas a partir dos resultados obtidos. º

_ Iódulo de deformabilidade (E) O módulo de deformabilidade pode er determinado em laboratório de duas :ormas: estático e dinâmico. O primeiro envolve a aplicação de pressões com anota::ão das respectivas deformações (módulo e deformação estático - Eest), e o segundo seia-se na velocidade de propagação de ndas, conforme detalhado no item 6.2.2a módulo de deformabilidade dinâmico :::d.in). No laboratório, o ensaio mais comum _ o que determina Eest· Esse ensaio é - ecutado com a mesma aparelhagem des:rita para o ensaio de compressão simples, : m a diferença de que as cargas não são crementadas até a ruptura do corpo de _ ova, mas apenas a pressões que superem · m certa folga a carga prevista para ser ,_ ·cada na obra sobre a rocha ensaiada. :nedida que a carga axial é aplicada, ex- ômetros colocados no corpo de prova sentido da aplicação da carga e per-· dicularmente a essa aplicação medem eformação nesses dois sentidos, en...anto o corpo de prova é carregado. O gráfico CJ x E resultante dos incremende carga (Fig. 7.52) mostra que pelo nos três tipos de módulo E podem ser =
223

curva (Et); e módulo E secante (E J . Os valores desses módulos são: Ei = tg a1; Et = tg a 2; E5 = tg a 3 . De acordo com o módulo Ei, as rochas são classificadas em: quase elásticas, semielásticas e inelásticas. As quase elásticas são as rochas ígneas de textura fina , que apresentam um Ei entre 60 e 110 GPa; as semielásticas são as ígneas de textura grossa e as metamórficas mais resistentes, com Ei entre 50 e 70 GPa; e as inelásticas são as metamórficas menos resistentes e as sedimentares, com Ei menor que 50 GPa. Qualquer que seja o módulo Eest escolhido, deve-se observar que este não deve ser calculado sobre a curva do 1° ciclo de carga e descarga feito no laboratório. Da mesma forma como indicado para os ensaios in situ, o módulo E, indepen dentemente do tipo escolhido, será medido no 2° e 3° ciclos, adotando-se a média dessas duas medições como o módulo E definitivo. a

; I

I

I

I

FIG. 7.52 Grá fz co a x E no ensaio para o módulo E

224

1 Geologia de Barragens

Coeficiente de Poisson (u) O Coeficiente de Poisson é obtido com as medições de deformações t z (mesmo sentido da aplicação da carga O"z) e Ex ou Ey (sentidos perpendiculares a crz). Esse coeficiente é determinado por:

Para a maior parte das rochas , u não varia muito de 0,25, aproximadamente.

j) Resistência ao desgaste O teste que determina a resistência ao desgaste , ou à abrasão das rochas que serão utilizadas em uma barragem, seja no concreto ou como enrocamento, é de terminado pelo "Ensaio Los Angeles", padronizado pela norma NBR NM 51 da ABNT. Esse ensaio consiste em fazer rolar no interior de um tambor giratório certa quantidade de fragmentos de rocha, com granulometria e massa específica predefinidas . Os fragmentos são rolados juntamente com esferas metálicas, gerando atrito entre eles, as paredes do tambor e as esferas m et álicas, além do impacto sofrido por esses fragmentos entre si e pela queda das esferas de aço. Após um número de rotações estabelecido por essa norma, medem-se os fragmentos que permaneceram com a mesma granulometria (M 2). Sendo M 1 a massa inicial, a abrasão Los Angeles (ALA) corresponderá ao percentual entre a massa perdida (M 1 - M 2) e a massa inicial, ou seja:

Quanto maior o valor da ALA, mais desgastável será a rocha. As rochas ígneas e os calcários apresentam abrasão variável entre 15% e 40%, e o basalto é a rocha que apresenta menor valor.

k) Resistência ao intemperismo Os ensaios de resistência ao intemperismo consistem em promover, natural ou artificialmente, a alteração química de uma rocha, por meio de processos acelerados no laboratório, ou quase naturais em campo, quando as condições são próximas da realidade. Esses ensaios visam avaliar a alterabilidade das rochas que ficarão expostas às intempéries em uma obra. como é o caso de enrocamentos e rip-rap de barragens .

Ensaios acelerados (em laboratório) Para realizar um ensaio acelerado no laboratório, submete-se uma amostra de 5 kg da rocha britada aos seguintes procedimentos: i) seleciona-se uma determina& faixa granulométrica; ii) pesa-se a amostra selecionada; iii) submete-se a amostra a um ensai Los Angeles; iv) pesa-se a fração resistente mantid2. na faixa granulométrica selecionada; v) expõem-se os fragmentos resistentes a um processo de alteraçàc acelerada; vi) submetem-se os fragmentos pa!" cialmente alterados a um ensa. Los Angeles; vii) pesa-se a fração mantida na fa . granulométrica selecionada.

7 - Ensaios e testes 1

om esse processo, podem-se definir parâmetros em um mesmo ensaio, er: • perda de massa por desgaste físico; • perda de massa por desgaste químico (intemperismo simulado). Os processos de aceleração da alteração - -eridos no item (v) podem ser de várias - =airezas, procurando sempre adequar as _dições de laboratório ao tipo de rocha

~ ada e às condições esperadas para a _-emperização natural. Os principais mé- os empregados para essa aceleração são: • imersão em água e secagem em estufa a ll0 º C, por meio de ciclos de 24/ 24 horas (recomenda-se um mínimo de 30 ciclos); • lixiviação contínua em extratores Soxhlet, onde as amostras são submetidas à percolação de uma água acidificada por gás carbônico (pH = 4,0) a uma temperatura de 60-70°C, em um número mínimo de 30 ciclos; • imersão em solução de sulfato de sódio ou de magnésio durante 24 horas e aquecimento em estufa a llOºC (número mínimo de 10 ciclos); • imersão em etileno-glicol durante 15 dias, com acompanhamento do efeito desse ensaio a cada três dias; • imersão em solução de ácido acético 0,1 M, pH = 2,2, durante 20 dias, com troca diária da solução; • imersão em solução de ácido nítrico + ácido sulfúrico diluídos na proporção 1:2:1000.000, em volume, com pH = 3,0, durante 20 dias, com troca diária da solução; • imersão em água nas condições ambientais do laboratório e conge-

225

lamento a -15ºC (recomenda-se o número mínimo de 25 dias de 6/ 6 horas).

Ensaios quase naturais Esses ensaios são realizados nas proximidades da obra. Fragmenta-se a rocha nas dimensões que serão utilizadas na obra (enrocamento, p.ex.), formando um depósito ao ar livre que ficará sujeito às intempéries naturais durante o tempo de execução das obras que precederem a utilização dessa rocha. A cada semana deverá ser realizado um exame minucioso, com registro fotográfico, em que serão inspecionadas as eventuais mudanças de coloração, fissuração, ocorrência de desintegração etc. Trata-se, pois, de um ensaio qualitativo, no qual não se mede o efeito da alteração, mas apenas observa-se o seu efeito de forma natural, progressiva e lenta, podendo levar meses para se obter alguma evidência do fenômeno.

1) Reatividade química potencial Os ensaios para detectar a reatividade química potencial podem ser realizados em agregados graúdos (brita) ou miúdos (areia) e visam caracterizar as possibilidades de reação entre os componentes mineralógicos desses agregados e os componentes do cimento. Por isso, esses ensaios podem ser realizados nos agregados puros, na argamassa proveniente da mistura dos agregados com o cimento ou, ainda, em corpos de provas do concreto. Entre as metodologias de ensaios nacionais e internacionais, são conhecidos pelo menos 22 tipos de ensaios, porém apenas quatro métodos são realizados nos agrega-

226

1

Geologia de Barragens

dos utilizados para concreto em barragens no Brasil: o método de análise petrográfica, o método químico, o método de barra e o método de prismas de concreto.

mineralógicos da rocha ou da areia, será indicada a necessidade de realizar os testes químicos específicos.

Método químico Análise petrográfica

Por meio desse método, uma amostra de rocha pulverizada ou de areia é submetida à ação do hidróxido de sódio, medindo-se o teor de sílica dissolvida, bem como a redução de alcalinidade da solução. A potencialidade de reações expansivas é avaliada pelo par de valores obtidos, utilizando um ábaco como mostrado n a Fig. 7.53, no qual são lançadas essas coordenadas . Nesse ábaco estão delimitadas as áreas em que se situarão os agregados deletérios , potencialmente deletérios e inócuos. Esse método, por ser rápido, apresenta a desvantagem de não identificar os agregados lentamente reativos, bem como não e aplicável para avaliar agregados oriundos de rochas calcárias . Assim, é específic para avaliar a reação álcali-sílica (RAS).

A análise petrográfica utiliza diferentes técnicas, desde as observações macroscópicas e microscop1cas (microscopia estereoscópica - luz refletida; microscopia óptica - luz transmitida; e microscopia eletrônica) realizadas por um petrógrafo experiente, até técnicas analíticas, como difração de raios X e espectroscopia de infravermelho. Essa análise não define aspectos quantitativos da expansão causada por minerais deletérios, mas apenas caracteriza a potencialidade de reação de alguns minerais contidos nos agregados, quando em presença dos álcalis do cimento. Assim, essa análise considera potencialmente reativos os agregados que, em relação a diversos de seus constituintes, contenham quantidades superiores às indicadas na Tab. 7.3. A análise petrográfica é normatizada pela NBR 7389 da ABNT. Uma vez identificada nessa análise a possibilidade de expansões causadas pelos constituintes

TAB . 7.3

Método de barras Esses ensaios são realizados em corp _ de prova de argamassa em forma barras, confeccionados com o agregado: ser testado (graúdo ou miúdo) e cimen~ -

c:-

Agregados potencialmente reativos Constituinte

Quantidade restritiva Sílica

• O pala • Chert ou calcedônia • Trid imit a ou crist obal ita • Quart zo microcrist alino ou deformado • Vidros vul cânicos natu rais

- M ais qu e 0,5% - Mais qu e 3,0 % - Mais qu e 1,0% - M ais qu e 5,0% (gran itos, gnaisses e arei as) - Mais que 3,0% Carbonatos

• Teor de argila ou de resídu o inso lúvel • Percent agem de dolomit a • Cristais de dolomi ta

- Entre 5% e 25 % - Entre 40 % e 60 % - Prese nça

7 - Ensaios e testes

1 227

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500 1.000

2.500

Quantidade de Sd-Sílica dissolvida (mmoles/litro)

FI G. 7.53 Ábaco para identificação da reatividade química potencial de agregados pelo método químico, segundo a norma NBR 9784 da ABNT

com teor de álcalis geralmente superior a 0,8%. Os corpos de prova são deixados em câmara úmida, onde são observadas e anotadas diariamente eventuais expansões causadas por reações decorrentes da presença de minerais deletérios. Embora esse ensaio leve geralmente de 12 a 15 meses, considera-se suspeito o agregado que apresenta expansão da barra superior a 0,05% em três meses ou 0,10% em seis meses. Geralmente a expansão tende a estabilizar a partir do oitavo mês. Esse ensaio baseia-se na norma NBR 15577-4 da ABNT e apresenta como principal desvantagem o longo tempo requerido para obtenção de bons resultados, que pode levar mais de dois anos para o caso de minerais que apresentem reações expansivas muito lentas e que tenham sido identificados na avaliação pe-

trográfica. A exemplo do método químico, encontra maior aplicabilidade para as reações álcali-sílica (RAS).

Método de prisma de concreto Esse método é semelhante ao método de barras, mas feito em blocos prismáticos de concreto, incluindo todos os seus constituintes (cimento + brita + areia). Serve para dar maior representatividade às reações que ocorrem no concreto, porém apresenta a mesma desvantagem do ensaio de barras no que se refere ao tempo de ensaio. É mais utilizado para as reações álcali-carbonato (RAC), em função das reações que ocorrem entre a dolomita e os álcalis do cimento. Esse ensaio não é normatizado pela ABNT, mas realizado com base na norma americana ASTM C-1293,

228 1 Geologia de Barragens

razão pela qual é pouco aplicado nos projetos de barragens no Brasil. No Cap. 9 serão detalhadas as aplicações desses ensaios para os agregados empregados nos projetos de barragens.

m) Adesividade A adesividade do agregado graúdo é determinada por três processos: análise petrográfica, método Riedel-Weber e método RRL. A norma NBR 12583 da ABNT regula essas metodologias. Análise petrográfica

Essa avaliação é simplesmente qualitativa, servindo apenas como definição sobre a necessidade de proceder a uma investigação quantitativa pelos métodos mais específicos . Na análise petrográfica, caracteriza-se a constituição mineralógica do agregado, uma vez que o caráter ácido desses minerais afeta a adesividade do agregado aos ligantes. Método Riedel-Weber

Por meio desse método, os agregados são preaquecidos a uma dada temperatura e envolvidos pelo ligante a ser utilizado no projeto, o qual também se encontra preaquecido. Após resfriamento, os agregados envolvidos pelo ligante são submersos em água destilada a 40°C, durante 72 horas. A adesividade será considerada satisfatória se não houver descolamento da película do ligante, e não satisfatória se houver o descolamento.

estado seco são misturados com o ligante a ser utilizado no projeto e submetidos a imersão primeiramente em água destilada fervente e depois em soluções aquosas de carbonato de sódio com concentrações sucessivamente mais elevadas. A cada imersão observa-se a possibilidade de descolamento da película do ligante, sendo atribuído um índice de O a 9 para cada concentração da solução (o índice O é atribuído à água destilada). A adesividade será avaliada pelo número em que ocorreu o descolamento do ligante. Ela será considerada má se o número for O, e na pontuação entre 1 e 9, a adesividade variará de satisfatória a ótima.

n) Outros ensaios Muitos outros ensaios podem ser realizados em material rochoso em laboratório, mas para finalidades outras que n.; aquela aplicada a projetos de barrage como pavimento de rodovias e lastro fe· roviário. A principal dessas finalidades e · revestimento de pisos e paredes, quan ensaios como absorção, dilatação térmie tenacidade são, entre outros, impres díveis para a caracterização dos mate ·:: rochosos. Considerando, todavia, algumas obras anexas a uma barra (como a usina hidrelétrica, p.ex.) poss acabamento que inclui revestimento pisos e paredes com placas rochoserão identificados aqui esses três t ipo_ ensaio.

Método RRL Esse método apresenta um aspecto

Absorção A absorção representa a relação en peso da água contida nos poros da r -

mais

o peso da rocha seca. Para tanto, pesa-

quantitativo. Os

agregados

no

7 - Ensaios e testes

stra de rocha com saturação de 100%, -=-..-,ndo-se o peso P1 . Seca-se a amostra estufa a 110°C, pesando-a depois para =-a.ir o peso P 2 . A absorção (A) será dada :;:>ercentagem por: A= P1 - P2 ·100 (%) P2

~sse ensaio é normatizado pela NBR _:-45 da ABNT. As rochas silicáticas _resentam absorção variável entre 0,1% - ,5%, embora seja maior a frequência -0,2% .

- ~atação térmica . esse ensaio, submete-se uma amosr::-a prismática de rocha a ciclos de imersão

água com temperatura variando entre e 50°C. Um dispositivo de precisão ede, num tempo pré-fixado, a dilatação contração da rocha para cada ciclo com -2.IIlperatura variável. Sendo L1 o com_?rimento inicial do prisma submetido a .:ma variação de temperatura (T 1 - T 2), :. dilatação apresentada (L 1 - L2) definirá coeficiente de dilatação (~) em mm/ mº C ::orno segue: B = L2 - L1 . 1 11 T2 - T1

t.L L1t.T

O coeficiente de dilatação varia muito entre minerais diferentes e até em um mesmo mineral.

-:'enacidade A tenacidade, ou resistência ao impacto, pode ser caracterizada de duas formas: sobre agregados e sobre placa rochosa. No primeiro caso, essa propriedade aplica-se para a qualificação do

1 229

agregado como lastro ferroviário ou para pista de aeronaves, o que não é objetivo do presente texto. No segundo caso, essa propriedade aplica-se para a caracterização da resistência da rocha ao impacto, quando utilizada como revestimento de pisos. Nesse caso, o ensaio consiste em submeter uma placa rochosa com dimensões de 20 x 20 cm e 3 cm de espessura, colocada sobre um colchão de areia com 10 cm de espessura, a golpes com esfera de aço de 1 kg, caindo em queda livre de alturas crescentes, até provocar a ruptura da placa. A resistência é dada em kg.cm/cm 3 , onde kg refere-se ao peso da esfera, cm à altura de queda que provoca a ruptura e cm 3 ao volume da placa testada. Em ensaios realizados em rochas silicáticas, essa resistência foi menor que 0,3 .

8

Tratamento de maciços naturais

Como maciços naturais são considerados os solos, as rochas e os materiais de transição, ou saprólitos. Esses materiais podem exigir tratamento para melhorar suas características independentemente do local em que se encontrem em relação a uma obra de barramento, incluindo aquelas que lhe são associadas. A situação mais presente com relação à localização desses materiais relaciona-se com as fundações da barragem, que serão analisadas prioritariamente, com considerações sobre o tratamento eventualmente necessário desses materiais quando localizados em uma encosta, no entorno de um canal, de um túnel ou de outro tipo de escavação subterrânea. No item 4.1, foi considerado como fundação de uma barragem todo o embasamento geológico existente no local em que será assentada a barragem e suas obras complementares (vertedouro, canais, ensecadeira, usina etc.), independentemente de sua constituição geológica, se formado por rocha ou pelo solo de cobertura. Também ficou claro que o local referido como fundação da barragem propriamente dita não se restringe à área geralmente aplainada do fundo do vale, mas estende-se para as ombreiras laterais que receberão parte da obra de barramento ou de obras complementares. O maciço natural que constitui essa fundação sofrerá intensas modificações

com a construção de uma obra de barramento, principalmente pela imposição de novas tensões, sejam efetivas, pelo peso da barragem construída, sejam neutras, pela água armazenada no reservatório formado. Como nem sempre as características originais desse maciço natural são suficientes para suportar as modificações a serem impostas pela obra projetada, é necessário melhorar ou reforçar essas características por meio de técnicas e procedimentos visando a uma melhor adequação das fundações à obra projetada. Nisso consiste o tratamento das fundações. Os tipos de tratamento das fundações têm experimentado um sucessivo aprimoramento ao longo dos últimos anos , seja em função da presença de condições geológicas cada vez mais desfavoráveis em decorrência de aproveitamentos prioritários anteriores, seja pela necessidade de conciliar cada vez mais os aspectos econômicos, sociais e ambientais. Assim, é comum o confronto entre o nível de segurança alcançado por um determinado método de tratamento e o elevado custo que este representa para a obra, ou até mesmo em relação às dificuldades técnicas de sua implantação. A escolha do melhor método de tratamento de uma fundação depende de uma série de fatores ; porém, duas condicionantes são fundamentais nessa escolha: a caracterização geológica das fundações e o objetivo do tratamento.

232

1

Geologia de Barragens

De acordo com as características geológicas, as fundações de uma barragem são agrupadas em três classes: • fundações em rocha; • fundações em material granular grosseiro (areia e cascalho); • fundações em material granular fino (silte e argila). Quanto aos objetivos, sempre se resumem nos seguintes: • melhorar a resistência dos materiais de fundações; • reduzir a percolação excessiva da água através das fundações; • reduzir a subpressão na base da barragem. A necessidade de tratamento para atender a esses objetivos é uma decorrência dos problemas suscitados nas três classes de material geológico referidas. Dessa forma, se a fundação é constituída por rocha sã, os problemas são mais relacionados ao controle da percolação. Se essa rocha encontra-se decomposta a ponto de se transformar em um saprólito, é possível que sua resistência às cargas impostas pela obra exija algum tratamento. Se as fundações são constituídas por solos grosseiros, os problemas maiores estarão relacionados ao controle da percolação. Finalmente, se existem solos finos nessa fundação (siltes e argilas), haverá, fundamentalmente, problemas de estabilidade e deformabilidade desses materiais, que poderão exigir um tratamento que melhore a sua resistência. Há que considerar também a geometria do corpo barrável. Para barragem onde

a relação H/ B (altura/comprimento da base) é alta, os problemas de elevada subpressão hidrostática na base da barragem podem exigir tratamento das fundações para reduzir essas pressões.

8.1 MÉTODOS DE TRATAMENTO

Os diversos métodos de tratamento de uma fundação de barragem podem ser agrupados em três tipos: substituição dos materiais da fundação, injeção e drenagem. 8.1.1 Substituição dos materiais

da fundação a) Retirada do material superficial Independentemente do tipo de tratamento a ser aplicado em uma fundação de barragem, se permanecer qualquer tipo de regolito em algum trecho dessa fundação, é necessária a retirada do trecho mais superficial do solo. Nesse trecho está incluído o top soil ou solo orgânico e o trecho imediatamente abaixo, onde existem canalículos resultantes do apodrecimento de raízes mais profundas ou da ação de organismos, escoament subsuperficial ou qualquer outro agen e redutor da densidade desse solo. A profundidade de 3 m é suficiente, na mai parte dos casos, para realizar essa retirada, porém há casos em que es- · profundidade pode chegar localmente : 5 m ou 6 m, principalmente quando e.xl: tem formigueiros. O solo retirado p ser substituído pelo próprio material construção da barragem.

8 - Tratamento de maciços naturais 1 233

b) Trincheira de vedação A

trincheira

de

vedação,

conhe-

...; a internacionalmente como cut-off, é

- nstruída nas fundações de barragens granulares (terra ou enrocamento), geente na parte central dessa obra, para montante, sobretudo quando o - cleo da barragem se encontra inclinado esse sentido (Figs. 8.la e 8.lb). Por meio ..:essa metodologia, escava-se uma trineira ao longo de todo o eixo barrável, -ubstituindo o material retirado por um :naciço de terra de baixa permeabilidade, compactada de acordo com condições ?reestabelecidas para o controle de compactação. Embora essa substituição de um ma·erial de má qualidade da fundação por um material de características melhores possa apresentar excelente eficácia para o tratamento, pode constituir uma solução bastante onerosa, em razão da necessidade de realizar essa substituição a seco. lsso porque o nível freático geralmente se encontra muito acima do fundo projetado para essa trincheira, o que exigirá um oneroso processo de rebaixamento desse nível, como ocorreu com a barragem de

Açu, no Rio Grande do Norte, onde a trincheira alcançou a profundidade de 25 m e o nível freático era elevado . Cruz (1996) recomenda uma cuidadosa análise de três aspectos na construção de uma trincheira de vedação: largura da base da trincheira; compatibilidade da deformação da trincheira com a deformação do material adjacente; e estabilidade dos taludes de escavação. Algumas especificações definem para a base da trincheira uma largura mínima de 4 m a 6 m para possibilitar uma perfeita compactação do solo. Embora exista uma regra empírica que define a largura (b) como sendo igual a H - d, onde H representa o desnível máximo montante/ jusante e d, a profundidade da trincheira (ver Fig. 6.la), raramente essa largura ultrapassa os 10 m. Segundo Cruz (1996, p. 361), "a compatibilidade das deformações visa a evitar que a trincheira venha a sofrer um processo de arqueamento. Quanto mais íngremes as interfaces, e quanto mais compressível for o núcleo em relação aos materiais adjacentes, maior o risco de arqueamento". Finalmente, a estabilidade deve ser bem projetada, sobretudo em solos are-

a

.__,/

H

"cut-off"

FIG. 8.1

Trincheiras de vedação: (a) central; (b) de montante

234

1 Geologia de Barragens

nosos, pois, segundo Cruz (1996, p. 361), "mesmo que não ocorra a ruptura, poderão ocorrer deslocamentos que resultem numa redução da densidade (compacidade) do solo da fundação, o que irá aumentar a sua compressibilidade e reduzir a sua resistência ao cisalhamento".

c) Diafragma Os diafragmas rígidos ou plásticos são formados pela substituição de uma estreita faixa da fundação por sucessivos painéis de concreto, formando um muro, geralmente localizado abaixo do eixo da barragem. Esse diafragma pode prolongar-se por toda a extensão desse eixo ou contemplar apenas partes dessa extensão. Para execução de um diafragma, faz-se a escavação da fundação ao longo de painéis ou trincheiras com extensão entre 5 m e 20 m e com largura entre 0,40 m e 1,50 m. A escavação é realizada com um equipamento de percussão, e o material triturado é aspirado por uma mangueira (Fig. 8.2a). Para evitar desmoronamentos das paredes da escavação, usa-se uma lama de bentonita. Concluída a escavação de um painel, procede-se ao seu enchimento com concreto, ao mesmo tempo que se executa a abertura do painel seguinte, que deverá guardar uma distância do primeiro equivalente à extensão de um painel. Prosseguindo-se com essa sistemática, chega-se à extensão total do diafragma projetado, com painéis concretados alternando com painéis do solo original (Fig. 8.2b). Após secarem todos os painéis, são escavados e concretados os painéis que permaneceram com o material original na primeira fase de es-

cavação, mantendo-se sempre a mesma metodologia descrita, o que é mostrado na fase final de escavação na Fig. 8 .2c. A calda a injetar dependerá do objetivo a que se destinará o diafragma, mas geralmente é constituída por areia, cimento e água, na proporção 1:1:5 em volume. Em geral, esse método é utilizado para conter o excesso de percolação sob a barragem, e leva vantagem em relação à trincheira de vedação por poder ser realizado abaixo do nível freático sem que seja necessário rebaixá-lo.

d) Tapetes O tapete constitui uma substituição do trecho mais superficial da fundação po~ uma camada impermeável, que pode corresponder a um prolongamento do núcleo nas barragens zonadas, ou a um prolongamento do material argiloso do espalda! de montante. É considerado um tapete interno quando fica limitado à extensão & barragem (Fig. 8.3a) e um tapete extern quando extrapola os limites do espalda; de montante da barragem (Fig. 8.3' Os tapetes internos são mais recomedados que os externos, pois estes têm mostrado pouco eficientes em razão fissuras originadas por ressecamento _ por recalques diferenciais junto ao pé montante. A exemplo das trincheiras vedação e dos diafragmas, esse mét visa conter o excesso de percolação sobarragem em trechos isolados ou ao lon_ de todo o eixo barrável. Para garantir uma melhor eficiên do tapete, Cruz (1996) elenca os segui= tes requisitos a serem cumpridos sua execução:

0

Perfuratriz

injeção

Painéis concretados

0

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1

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3 C'I) Caminhamento da escavação no sentido horizontal graças -4-:c\t;;:_~_==_~;:-,_-_-_-_-_-_-,_-_ ---i"\.h ao movimento ..da perfuratriz sobre os trilhos

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Trépano movido à percussão no sentido vertica 1

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Execução de um diafragma por meio de painéis contínuos: (a) execução da escavação; (b) fase inicial da injeção; (c) fase final da injeção Fonte: modificado de Cambefort (1975). FIG, 8.2

"' ~

w

V,

236

1

Geologia de Barragens

a

Tapete interno

b

---.-----,~ Tapete externo

FIG. 8.3

Tip os de tapetes impermeáveis: (a) tapete interno; (b) tapete externo

• a permeabilidade do material do tapete não deve ser superior a 10-s cm/s; • o comprimento do tapete deverá ser de cinco a sete vezes o desnível montante-jusante; • a espessura mínima do tapete externo deve ser de 1 m de material compactado, o qual deve ser recoberto por, no mínimo, 0,7 m do mesmo solo com compactação decorrente apenas dos equipamentos e do transporte e espalhamento, sem controle. 8. 1. 2

Injeções

O tratamento das fundações de uma barragem por meio de injeções consiste em fazer penetrar nos vazios do maciço natural (solo ou rocha) um produto líquido que tenha a propriedade de endurecer depois de certo tempo de aplicação. Esse tratamento pode ainda ser aplicado em obras complementares à barragem, como nas paredes de uma encosta ou no entorno de

túneis e escavações subterrâneas. O produto cimentante injetado é denominado calda de injeção. Existem três tipos de injeções: de colagem, de consolidação e cortina de injeções. As injeções de colagem objetivam elimin ar os vazios existentes entre um maciço de concreto e as fundações rochosas, podendo ainda ser utilizadas para melhor solidarizar as paredes de concreto de um túnel ou obra subterrânea ao maciço rochoso; as injeções de consolidação visam melhorar as condições de resistência das fundações e obras subterrâneas, embora tenham também uma função impermeabilizante; e as cortinas de injeção têm como principal objetivo controlar a percolação da água através das fundações ou no entorno de obras subterrâneas. As injeções podem ser realizadas em rochas, solos e materiais de transição (saprólitos).

a) Injeções em rocha A eficiência de um tratamento de injeções em rocha depende, entre outros, dos seguintes fatores: planejamento da perfuração e da injeção; tipo de calda; pressão de injeção; cuidados operacionais; e controle da eficiência. Todos esses fatores constarão de um relatório interpret ativo que analisará a eficiência e a eficácia do tratamento executado.

Planejamento das perfurações O planejamento das perfurações comtitui o primeiro e mais importante pas_ para o êxito do tratamento, pois um p nejamento malfeito pode redundar eperda de tempo e de dinheiro, sem f na interferência sobre o cronograma gc::.

8 - Tratamento de maciços naturais 1 237

da obra. Para um perfeito planejamento, uas condições são essenciais: • conhecer o objetivo do tratamento; • conhecer detalhadamente as condicionantes geológicas do local a tratar. Para as injeções de colagem, o projetista deve definir os seguintes aspectos: • espaçamento entre as sondagens; • profundidade das sondagens; • altura do concreto para início das perfurações (no caso de barragem); • equipamento de perfuração; • diâmetro dos furos; • inclinação dos furos. Embora as injeções de colagem sejam ?Ouco utilizadas, principalmente em razão o aprimoramento das técnicas de concre·agem, elas podem ser necessárias quando o tipo de fundação rochosa for muito irregular e/ou fraturado. Nesse caso, pode-se adotar uma malha de furos verticais espacados de 5 m, perfurados a partir da altura de 3 m do concreto e prolongando-se por 3 m em rocha. O equipamento de perfuracão mais utilizado é o de percussão do tipo a awler, com diâmetro de 2 ½". Evidentemente, esse planejamento não constitui uma regra geral, devendo adaptar-se a cada situação geológica e de projeto. Para a colagem do concreto de obras subterrâneas, a distribuição das sondagens será função da geometria da obra. As injeções de consolidação têm uma dupla aplicação em projetos de barragens: melhorar as características de resistência das fundações e melhorar as condições de escavação de obras subterrâneas associadas à barragem.

No caso de fundações, os aspectos a definir são semelhantes aos da injeção de colagem, exceto por não possuir o concreto da obra a perfurar. Em geral, a rede de sondagens para consolidação tem espaçamento entre 4 m e 8 m e profundidade entre 6 me 9 m , com furos verticais, todavia, esses parâmetros devem adequar-se às necessidades do projeto e ao conhecimento das particularidades geológicas das fundações. O equipamento de sondagem e o diâmetro dos furos são os mesmos referidos para a colagem. No caso de obras subterrâneas, se for detectada previamente a dificuldade de avanço em razão do excessivo estado de alteração ou de fraturamento da rocha, recomenda-se planejar uma disposição das sondagens em cones concêntricos (Fig. 8.4), com profundidades variáveis de 5 m no cone externo a 10 m no cone mais interno. Esse tipo de perfuração deve utilizar a sonda rotativa e pode também ser aplicado para escavações em solos. O diâmetro deve ser BX para permitir uma melhor injetabilidade. As cortinas de injeção exigem um maior conhecimento das condicionantes geológicas e hidrogeotécnicas das fundações, bem como das reais necessidades de tratamento, conforme será discutido nos

FIG. 8.4 Sondagens em cones concêntricos Fonte: modifi.cado de Cambefort (1975).

238 1 Geologia de Barragens

itens 8.2 e 8.3. Em primeiro lugar, o geólogo responsável pelo tratamento deverá decidir se este será realizado ao longo de todo o eixo barrável ou em trechos desse eixo. Em segundo lugar, deverá ser definido se o tratamento será realizado por meio de uma única linha de injeção ou mais de uma - e, nesse caso, quantas. Há, ainda, a possibilidade de o tratamento ser realizado por uma única linha ao longo de todo o eixo e reforçado por uma ou mais linhas em trechos localizados. Essas definições dependem muito do nível de detalhamento do projeto básico. Se as sondagens na fase de pesquisa para a viabilidade, complementadas na fase de projeto básico, tiveram um adensamento ao longo do eixo capaz de oferecer um bom conhecimento dessas fundações, isso facilitará todo o planejamento de sondagens para o tratamento, podendo-se programar de início um esquema que se aproxime do ideal, a fim de realizar um eficiente tratamento dessa fundação. As sondagens poderão ser programadas na vertical ou inclinadas para montante (no máximo 30° com a vertical). Essa definição deve ser tomada visando à interceptação do maior número possível de descontinuidades abertas no maciço rochoso. Embora o número de linhas de tratamento das fundações em barragens no Brasil tenha sido muito variável, chegando a atingir sete linhas na barragem de Emborcação (MG), as alternativas mais empregadas são duas: linha única (centrada ou a montante) e linha tripla (uma no eixo, uma a montante e outra a jusante desse eixo).

Quando o tratamento é realizado por meio de uma única linha de furos, estes devem ser alinhados ao longo do eixo da barragem granular (terra ou enrocamento) ou no trecho de montante, nas barragens de concreto. Nesse último caso, os furos são geralmente situados no pé de montante, mas podem ser também realizados a partir da galeria de drenagem, desde que executados antes dos furos de drenagem, para não haver o risco de estes colmatarem. Ao longo da linha única de tratamento, os primeiros furos - denominados furos

primários - são geralmente espaçados de 12 m. Em função dos seus resultados, após injetados, são intercalados os furos secundários, perfazendo um espaçamento de 6 m entre as duas fases de perfuração. A avaliação dos resultados dos testes de permeabilidade e de absorção de calda definirá pela necessidade de novas intercalações em uma terceira fase, onde os furos terciários distarão apenas 3 m dos primários e secundários. Eventuais necessidades de complementação localizada de tratamento poderão exigir a realização de furos quaternários, que são geralmente inclinados, buscando vedar melhor trechos revelados mais problemáticos nas fases anteriores a diferentes profundidades. r1 Fig. 8.5 mostra um exemplo dessa configuração. Os furos primários são os mais importantes para o conhecimento detalhad das fundações, motivo pelo qual dever:: atingir maiores profundidades e ser abertos com sonda rotativa (diâmetro BX cujos testemunhos permitem caracteriza:º fraturamento no que diz respeito ao sa

8 - Tratamento de maciços naturais

~

225 T-32 S-32

5-37

T-33

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T-34

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239

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220

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215

Furos secundários, terciários e quaternários no tratamento de fundações da barragem de Bocaina-PI (projeto do autor)

FIG. 8.5

espaçamento, profundidade, inclinação e abertura. A profundidade dessas sondagens deve variar entre 2/3 H e H, sendo H a altura da coluna d' água prevista em cada local de sondagem. Essa definição é consequente dos conhecimentos da fundação decorrentes das pesquisas de projeto. Os furos secundários, terciários e quaternários podem ser abertos com equipamento de percussão ou rotopercussão, como crawler e wagon drill, e suas profundidades poderão variar em função das necessidades definidas pelos furos primários. Na linha tripla de furos, as linhas são espaçadas entre si de 2 m a 3 m, depen-


240

1 Geologia de Barragens

3m ··· · · O · ···· ····· • ······· · ·- □ ··· · · ··· · ·O ···· ·· ···· O· ···· · ···· • · ·· · · ·lM

, 1,5 m 1 I

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e

Furo primário

O Furo secundário

D Furo terciário

FIG. 8.6

LM - linha de montante LC - linha central LJ - linha de jusante

Esquema para disposição dos furos para tratamento das fundações em uma linha tripla

de perda d'água executados nesses furos. Os furos da primeira linha (LJ) devem ser abertos com sonda rotativa, e todos os demais furos podem ser abertos com equipamentos de percussão ou rotopercussão. As profundidades dos furos devem obedecer aos mesmos critérios recomendados para o planejamento da linha única. Quanto ao critério para escolha entre as duas alternativas de planejamento, Cruz (1996) recomenda o seguinte: • para permeabilidade média da fundação entre 5 x 10- 4 cm/s e 10- 3 cm/s, utilizar uma única linha; • para permeabilidade média da fundação superior a 10- 3 cm/s, utilizar linha tripla.

Planejamento da injeção Após programado o esquema de perfuração em um tratamento de fundação de uma barragem, o próximo passo será planejar a forma de injeção. Em princípio, há dois métodos de injeção: ascendente e descendente.

Na injeção ascendente, perfura-se o furo até a profundidade final prevista n o planejamento da perfuração e, com o uso de um obturador, executa-se a injeção de baixo para cima (Fig. 8.7). Assim, esse método comporta as seguintes atividades: • perfuração de um trecho de 3 m de profundidade com lavagem ao seu término; • teste de perda d ' água utilizando urr::. obturador simples; • continuação da perfuração até o final do furo, realizando um teste de perda d'água a cada 3 m perfurados sempre antecedido pela lavagem d furo; • lavagem de todo o furo com um;;. pressão de 8 kg/cm 2 ; • colocação do obturador a 3 m d fundo e injeção desse trecho; • após 30 min, colocação do obturador 3 m acima do trecho injetad e injeção do segundo trecho com mostrado na Fig. 8.7;

8 - Tratamento de maciços naturais

Entrada da calda de injeção Controle da pressão de injeção

'l•

Obturador

~

Trecho sendo _-:----- injetado

1 241

• teste de perda d'água com obturador simples localizado no topo do trecho; • injeção do trecho perfurado com obturador simples no topo desse trecho; • após três horas, reperfuração do trecho injetado, continuando a perfuração por mais um trecho de 3 m; • lavagem do novo trecho perfurado seguida de teste de perda d'água; • injeção do segundo trecho conforme mostrado na Fig. 8 .8; • continuação das sucessivas operações de perfuração e injeção até a profundidade final prevista para esse furo. A injeção ascendente é mais rápida, porém a descendente é mais segura e eficaz, pois elimina o risco de comunica-

Esquema da injeção ascendente Fonte: modificado de Cambefort (1975). FIG. 8.7

• continuação da injeção a cada 3 m, sempre esperando 30 min após cada trecho ensaiado, até chegar à superfície do furo. Caso os testes de perda d'água revelem a necessidade de injetar apenas alguns trechos do furo, procede-se a tal operação utilizando-se obturadores duplos nos trechos a injetar. Na injeção descendente, a injeção de cada trecho é feita logo após a sua perfuração. Assim, o tratamento inclui a seguinte sequência de atividades: • perfuração de um trecho de 3 m de profundidade; • lavagem do trecho perfurado;

ção do produto injetado com os trechos ainda não injetados.

Controle - -4 de pressão da injeção

~1/ ~ Zona injetada'/

Obturador

Trecho - - - - - • sendo injetado

FIG. 8.8 Esquema da injeção descendente Fonte: modificado de Cambefort (1975).

242

j

Geologia de Barragens

Para injeções de colagem, geralmente a injeção é feita pelo método descendente, mas utilizando um único trecho de 6 m para a perfuração e injeção. Nas injeções de consolidação, onde a profundidade varia entre 6 m e 9 m, geralmente a injeção é feita pelo método descendente, com a perfuração dos três primeiros metros seguida de injeção, e uma segunda perfuração com 3 m ou 6 m de extensão seguida de injeção. Para as cortinas de injeção, os procedimentos variam muito de acordo com a geologia e com os projetistas. Uma alternativa que tem sido muito empregada é proceder à injeção pelo método descendente até a profundidade de 6 m (com dois trechos de 3 m cada um) e concluir a injeção do restante do furo pelo método ascendente.

Caldas de injeção As caldas de injeção representam o conjunto de produtos cimentantes que poderão ser penetrados sob pressão nos vazios dos solos e das rochas, para melhorar suas características de resistência ou de permeabilidade. As caldas mais comuns utilizam apenas água e cimento; todavia, vários outros produtos podem ser adicionados à fase sólida, como bentonita, areia e pozolana. Existem ainda as caldas de natureza química, como as silicáticas e as resinas orgânicas, empregadas para consolidação dos solos muito finos. Antes da escolha correta da melhor calda a injetar em cada caso, devem-se realizar testes de campo e de laboratório com a finalidade de determinar as melhores opções em termos de injetabilidade e

de propriedades físicas e mecânicas das possíveis alternativas recomendadas pelo conhecimento das condições geológicas e hidrogeotécnicas do maciço a tratar. Como injetabilidade entende-se a capacidade da calda de ser bombeada e penetrar nos vazios do maciço rochoso. A inj etabilidade depende não apenas das propriedades da própria calda, mas também da abertura dos vazios no maciço rochoso. As principais propriedades da calda são a estabilidade e a viscosidade. A estabilidade refere-se ao tempo para que ocorra a sedimentação da fase sólida. Assim, uma calda de baixa estabilidade é aquela em que a fase sólida sedimenta muito rapidamente, podendo provocar a obstrução prematura de uma fratura e evitando a completa penetração da calda nesse vazio. A viscosidade influi na ff.uidez da calda, dificultando o seu escoamento no interior do maciço ro choso quando é mais elevada. Essas duas propriedades são conhecidas como características reológicas da calda. A abertura dos vazios da rocha é mais difícil de detectar, pois uma determinada permeabilidade definida pelo teste de perda d 'água pode ser consequente de poucas fraturas muito abertas ou de muitas fraturas pouco abertas. Ainda assim a correlação desses testes com as observações litológicas dos testemunho_ de sondagem pode representar u:-indicativo para a pré-escolha de uma d terminada calda. Dessa forma, abertura.: menores que 0,1 mm não são injetáve ; pelo fato de a granulação do cimento se superior a essa dimensão . Entre as propriedades físicas e mecânicc. da calda, as mais importantes são: res_

8 - Tratamento de maciços naturais 1 243

tência à compressão, resistência à erosão por lavagem, permeabilidade e índice de expansão. Dessas propriedades, as mais importantes são a permeabilidade e a resistência à erosão por lavagem. Uma vez definidas em laboratório todas as características de injetabilidade e as propriedades físicas e mecânicas das caldas, deve-se fazer um teste in situ com a calda escolhida. Esse teste consiste em injetar alguns furos com essa calda e depois avaliar a eficiência da injeção por meio de testes de perda d'água. Nos testes de laboratório e de campo, um dos fatores mais importantes a definir é a proporção água/sólidos. Na literatura especializada são citadas variações de água/cimento (A/ C) desde 10:1 até 0,5/ 1. Deve-se observar que as caldas muito diluídas, como 10:1 apresentam maior injetabilidade, porém propriedades mecânicas mais reduzidas, ocorrendo o inverso com caldas mais concentradas, como 0,5:1. Assim, deve-se adotar uma proporção A/ C compatível com cada situação de tratamento definida em função dos testes realizados. As principais características de cada calda são: Cimento/água: são caldas pouco estáveis, mas que apresentam boas condições de resistência e permeabilidade. As proporções mais usuais variam entre 4:1 e 0,7:1. Cimento + bentonita/água: são caldas mais estáveis, porém, se for elevada a participação da bentonita, podem apresentar baixa resistência à erosão por lavagem. Pelo seu maior poder de penetração dos vazios, podem admitir maior concentração da calda, com variação A/ Centre 2:1 e 0,5:1. A participação da bentonita na fase

sólida não deve ultrapassar 5%, sendo mais recomendável utilizar apenas 2%. Cimento + pozolana/água: a pozolana reduz o custo do cimento e aumenta a resistência à erosão por lavagem, porém reduz a resistência à compressão. Assim, esse tipo de calda é mais recomendado para injeções de impermeabilização do que para injeções de consolidação. A proporção cimento/ pozolana pode ser 2:1. Silicato de sódio/água: o silicato de sódio em contato com um reativo forma um gel duro que apresenta elevada resistência à erosão por lavagem e muito baixa permeabilidade, prestando-se para consolidar e impermeabilizar materiais com vazios diminutos, como solos siltosos e argilosos. Apresenta inconvenientes na aplicação, pois a rapidez da reação que forma o gel impede a penetração do produto a grandes distâncias, exigindo menor espaçamento entre as sondagens. Também o elevado custo do produto constitui desvantagem na aplicação desse processo. Resina orgânica/água: essas caldas possuem propriedades semelhantes às dos silicatos, porém apresentam preços ainda mais elevados, razão pela qual são pouco utilizadas. Quanto aos objetivos das injeções, podem-se fazer os seguintes comentários para os diversos tipos de caldas: Nas injeções de colagem, em que o principal objetivo é melhorar a vedação de eventuais vazios no contato concreto/ rocha, podem ser usadas todas as caldas de cimento, seja puro ou adicionado com bentonita ou pozolana. Nas injeções de consolidação, a calda deverá adequar-se às condições geológicas.

244

1 Geologia de Barragens

Para maciços muito fraturados, porém em estado são, onde for constatada elevada permeabilidade, devem-se utilizar as caldas estáveis de cimento + bentonita. Nos maciços alterados, todavia, pode ser necessária a injeção com silicatos, princi-

tada. Em geral, utiliza-se como critério o peso máximo de sólidos absorvidos por metro em cada trecho injetado. Assim, caso os testes tenham recomendado iniciar a injeção com uma proporção A/ C de

palmente se a alteração for acentuada ao

4 :1, a cada absorção de 100 kg/ m de sólidos, essa proporção poderá ser aumentada

longo dos planos de fraturamento .

progressivamente para 3:1, 2:1, 1:1, 0,75:1

Nas cortinas de injeção são geralmente utilizadas todas as caldas de cimento, seja

e 0,5:1. Se nessa última proporção ainda ocorrer a absorção de 100 kg/ m , pode-se

puro ou adicionado com bentonita ou pozolana.

adotar uma mistura de cimento + areia + água na proporção 1:1:1 (em peso) e pros-

O importante na mJeção, caso sejam definidas em laboratório possibilidades

seguir o tratamento até haver rejeição da calda, ou seja, o seu retorno à boca do furo .

de variação da consistência da calda, é

A Fig. 8 .9 mostra os equipamentos de preparação, mistura e injeção da calda em

estabelecer os critérios de recusa para cada concentração adotada, ou seja, o momento em que se deve interromper o bombeamento da calda com determinada

um tratamento de fundação de barragem utilizando caldas à base de cimento.

consistência para aumentar progressi-

Pressão de injeção

vamente a concentração, reduzindo a

A pressão de injeção é aquela que se faz

proporção A/ C. Esses critérios devem ser definidos conforme a extensão a ser tratada, as características de injetabilidade da calda e a quantidade de calda já inje-

necessária para permitir a penetração da calda injetada nos vazios do maciço rochoso. Quanto maior for a pressão, maior será o raio de alcance da calda a partir

Tubulação de retorno

Linha by-

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Misturador

Furo~ injetado a Sucção da calda

Agitador

FIG. 8.9 Esquem a da injeção de caldas de cime nto em um fu ro de sondagem Fonte: modif,. cado de USBR (1973).

8 - Tratamento de maciços naturais 1 245

do furo, bem como a possibilidade de penetração nas fraturas de pequena abertura. Todavia, essas pressões não podem atingir valores muito altos, sob pena de provocar maior fraturamento do maciço rochoso, aumentar a abertura das fraturas, provocar o levantamento de partes do maciço nas injeções mais superficiais e, até mesmo, provocar a ruptura de fraturas já injetadas, quando então aumentam a permeabilidade do maciço rochoso ao invés de reduzi-la. Assim, em cada caso, deve-se definir a pressão de injeção de acordo com o conhecimento das seguintes condicionantes intervenientes nesse processo: • tipo de rocha; • grau de fraturamento e relação entre os sistemas de fraturas; • estratificação da rocha e seu posicionamento nas fundações; • profundidade da zona injetada; • localização do furo em relação à morfologia do eixo barrável; • peso do material de cobertura; • tipo e densidade da calda; • posição do nível freático; • perdas de cargas na tubulação de injeção. Nos Estados Unidos, o Bureau of Reclamation define apenas a pressão mínima, que é de 1 psi (0,07 kgf/cm 2) por pé de profundidade (33 cm), a qual é aumentada em cada trecho injetado em função do conhecimento das condicionantes locais anteriormente descritas. No Brasil, utiliza-se mais a pressão máxima como norma, que corresponde àquela inferior ao peso da rocha sobrejacente ao trecho

injetado, o que equivale, em média, a 0,25 kgf/cm 2 por metro de profundidade. Essa pressão é medida a partir da superfície até o ponto médio do trecho a injetar. Ainda assim, há muitos exemplos de grandes barragens brasileiras que extrapolaram esse valor: Salto Osório (PR) adotou Pmáx = 0,7 kgf/cm 2 no trecho inicial, acrescentando 0,25 kgf/cm 2 à pressão máxima por metro perfurado; Foz do Areia (PR) utilizou Pmáx = 0,5 kgf/cm 2 logo abaixo do plinto; Itumbiara (MG) utilizou P máx = 0,10 kgf/cm 2 em um único trecho de O ma 9 me Pmáx = 8 kgf/cm 2 no trecho de 9 ma 18 m; e Ilha Solteira (SP-MS) utilizou Pmáx

=

0,75 kgf/cm 2 .

Cuidados especiais Naturalmente, todas as operações relacionadas com o tratamento de fundações aqui descritas exigem cuidados que incluem a capacidade técnica do operador, a escolha do método mais aplicável e o desenvolvimento das operações realizadas. Contudo, deve-se observar que a operação de campo em qualquer tipo de injeção inicia-se pela limpeza da área a tratar, reduzindo as irregularidades propiciadas pelas heterogeneidades e pelo fraturamento do maciço rochoso, e as impurezas resultantes do decapeamento do solo e, eventualmente, do saprólito. Assim, tão logo seja removido todo o material incoerente que recobre o maciço rochoso, deve-se fazer uma limpeza superficial com jatos d'água sob pressão de 5 kgf/cm 2 ao longo de toda a extensão prevista para o tratamento subsuperficial. Após essa limpeza, recomendam-se dois tipos de regularização superficial,

246

1

Geologia de Barragens

em função do surgimento de saliências, protuberâncias e cavidades resultantes de fraturamentos e da retirada do material decomposto. Em uma primeira fase , todas as fraturas abertas e bolsões escavados devem ser preenchidos com um concreto dental formado por água e cimento na proporção 0,7:1,0. Posteriormente, procede-se a uma suavização das discrepâncias formadas pelas referidas irregularidades, por meio de uma cobertura com argamassa de areia, cimento

início da injeção quando a água de retorno vier isenta de partículas sólidas ou em suspensão. Finalmente, devem-se tomar cuidados com relação ao cimento a utilizar, entre os quais, não ter idade superior a 30 dias, não ser armazenado em pilhas maiores que sete sacos de altura e nem conter torrões endurecidos. O tempo mínimo de homogeneização da calda deve ser de cinco minutos.

e água, na proporção 1:1:3. Na barragem de Estreito (MA), a área suavizada por argamassa foi de aproximadamente 20 .000 m 2 , tendo consumido um volume de 2.796 m 3 de concreto dental. Outra alternativa para maciços rochosos muito estratificados e fraturados, como o folhelho, é abrir no trecho mais fraturado uma trincheira com aproximadamente 1 m de profundidade por 1 m de largura, e preenchê-la com concreto antes de proceder às injeções nas fundações. Esse procedimento propicia melhor operacionalidade não apenas na execução dos furos , mas também na definição da calda e das pressões de injeção. Outro cuidado no tratamento por injeção refere-se à limpeza do furo antes de iniciar a injeção, pois na ausência desse procedimento, o pó resultante da perfuração poderá obstruir as fraturas , impedindo a penetração da calda injetada, ou ainda, misturar-se com a própria calda, alterando descontroladamente a relação água/sólidos . Essa limpeza pode ser feita com ar e jatos d 'água sob pressões que podem variar de 5 a 10 kgf/cm 2 • O furo somente será considerado apto ao

Controle da eficiência A eficiência do tratamento de uma fundação deve ser controlada pari passu com a sua execução, pois todas as modificações impostas a um planejamento prévio dependem desse controle. Dessa forma, a adoção de furos terciários e quaternários dependerá sempre dos resultados obtidos no tratamento dos furos primários e secundários . Por outro lado, até mesmo alguns furos secundários poderão prescindir da injeção, em função dos resultados da injeção dos primários, confirmados pelos testes de perda d 'água nos secundários. Esse controle é também função do objetivo e do tipo de barragem. Assim, uma barragem onde as perdas d 'água não comprometam a sua finalidade nem a sua segurança poderá adotar critérios menos rígidos de controle, ao contrário daquela obra onde o excesso de percolação tem significado importante para o seu funcionamento. Existem dois tipos de controle para eficiência do tratamento: absorção d 'água e consumo de cimento. A absorção d'água é definida pelo teste de perda d'água, executado conforme 7.1.2a. Sempre que esse

8 - Tratamento de maciços naturais

teste é realizado em uma fase secundária ou terciária, seu resultado mostrará o comportamento do maciço rochoso em decorrência do tratamento já executado nos furos mais próximos, respectivamente primários e secundários. Em função dessa análise, poderá ser dispensada ou não a injeção nos furos já abertos. O critério para considerar eficaz o tratamento já realizado segundo esse tipo de controle é muito variável, pois depende da permeabilidade considerada satisfatória em função do objetivo e da segurança da obra. Geralmente varia entre 0,3 Hv e 0,5 Hv (hvorslevs) . O consumo de cimento considera a quantidade de cimento (em kg) por trecho injetado ou por metro (consumo específico - kg/ m) de um furo já injetado para definir sobre a necessidade de injetar furos em outra etapa. O critério para definir o consumo específico que caracteriza um bom comportamento do maciço rochoso é também variável pelos mesmos motivos comentados para a absorção d'água. Esse consumo específico tem variado de 20 kg/ m a 100 kg/ m. O ideal é utilizar os dois critérios para controlar a eficiência de uma injeção e definir sobre a necessidade de adensar a rede de injeção. Assim, um furo secundário prescindirá de ser injetado se o consumo específico de cimento nos dois furos primários que lhe cercam e o ensaio de perda d'água executado nesse furo secundário satisfizerem aos critérios adotados para considerar o maciço rochoso satisfatório. Seguem alguns exemplos de barragens brasileiras em que foram bastante variados os critérios de controle de injeção adotados:

1

247

Salto Osório (PR): após cada etapa de

injeção, foram executados furos de checagem que atingiram os trechos de maior consumo específico de cimento. A continuidade da injeção era determinada sempre que os testes de perda d'água nesses furos era superior a 0,2 Hv. Itumbiara (MG): a definição da execução de furos terciários e quaternários foi função do consumo específico de cimento nos furos primários e secundários, sendo prescindida a sua execução quando esse consumo não excedia a 20 kg/ m de cimento. Estreito (MA): um furo de checagem era aberto no centro de um triângulo formado por três furos injetados em seus vértices. A eficiência do tratamento era definida quando o teste de perda d' água nesses furos de checagem era igual ou inferior a 0,05 Hv até 9 m de profundidade, e igual ou inferior a 0,56 Hv para o trecho de 9 ma 18 m. Ilha Solteira (SP-MS): nessas fundações foram injetadas três linhas de furos. Todos os furos primários, distanciados 12 m entre si, foram injetados nas três linhas. Todos os furos secundários da linha de jusante foram injetados. Os furos secundários das linhas de montante e linha central somente foram injetados quando a 12 m de distância ocorreu em algum furo uma das seguintes situações: consumo de cimento maior que 300 kg em um trecho injetado (trecho de 3 m); K > 5 x 10- 4 cm/s. Os critérios para injetabilidade de uma fundação serão mais bem discutidos no item 8.3.

248

1

Geologia de Barragens

Relatórios sobre injeções O tratamento de fundações de barragem

por meio de injeções de maciços rochosos deve comportar dois tipos de relatórios técnicos: relatório de planejamento e relatório interpretativo. O relatório de planejamento objetiva apresentar um programa para execução de um tratamento que visa adequar as fundações da barragem às necessidades do projeto e deve, minimamente, abordar os seguintes tópicos: • localização da obra;

O relatório interpretativo tem como principal objetivo analisar a eficiência e a eficácia do tratamento realizado, e pode utilizar o seguinte roteiro básico: • localização da obra; • características do projeto; • caracterização das fundações; • objetivos previstos para o tratamento; • empresas responsáveis pelo projeto, execução e acompanhamento técnico do tratamento;

• tipo e objetivo da obra; • objeto e local do tratamento (eixo barrável, vertedouro, tomada d'água etc.);

• metodologia adotada: o sondagens; o injeções;

• caracterização geológica e hidrogeotécnica das fundações; • programa de sondagens: o número e espaçamento das linhas de sondagens; o locação dos furos em planta e seção; o equipamento de sondagem e método de perfuração; o diâmetro, profundidade e inclinação dos furos; o testes de permeabilidade: trechos, métodos e pressões;

• estudos interpretativos: o quantitativos de serviços - nesse item devem ser apresentados quadros indicando, para cada sondagem realizada nas sucessivas etapas de tratamento, o número de testes de perda d' água, os valores mínimos e máximos de permeabilidade e o consumo total de cimento. Em seção, devem ser mostradas todas as sondagens realizadas, indicando, em um dos lados do furo, a absorção d'água específica (em Hv e, no outro, o consumo específico de cimento (Fig. 8.5); o análise da permeabilidade do maciço rochoso - deve ser feita com base na seção que indica todos os testes de perda d' água nas diversas fases de tratamento (Fig. 8.5), bem como por meio de gráficos como o mostradc na Fig. 8.10, em que a absorção d' água específica varia percentualmente em cada etapa de injeção;

• programa de injeção: o método de injeção; 0

o o o

caldas: composição e testes (laboratório e campo); pressões de injeção; metodologia de injeção; controle de eficiência;

• prazos, quantitativos e custos previstos.

8 - Tratamento de maciços naturais 1 249

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Absorção d'água específica - Hv {1/min.m.atm)

FIG. 8 .10 Variação percentual da absorção d 'água especifzca nas sucessivas etapas de injeção na barragem de Bocaina, em projeto e acompanhamento do autor o

análise sobre o consumo de cimento - a exemplo da análise da permeabilidade, o consumo de cimento pode ser analisado em função das seguintes informações: ■ consumo indicado em seção (Fig. 8.5);

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variação percentual do consumo específico de cimento em cada etapa de injeção (Fig. 8.11); interação entre permeabilidade e consumo de cimento - a interação entre a absorção

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Consumo específico de cimento - kg/m

FIG. 8.11 Variação percentual do consumo específico de cimento nas sucessivas etapas de injeção na barragem de Bocaina (PI), em projeto e acompanhamento do autor

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1

Geologia de Barragens

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d'água específica (em Hv) e o

Injeção comum

consumo específico de cimento (em kg/ m) pode ser analisada

Na injeção comum, o procedimento é análogo ao descrito para os maciços rochosos, e utiliza-se preferencialmente o método descendente, com a fixação do obturador na extremidade do tubo de revestimento provisório. Esse tipo de injeção é mais empregado para o tratamento de consolidação, em que as sondagens geralmente possuem entre 6 m e 9 m de profundidade. Para materiais granulares grosseiros, a calda pode ser de cimento puro na proporção A/ C de 1:1, e se houver predomínio de cascalho, eventualmente se pode usar argamassa com areia. Para solos mais finos, como areia fina, pode-se usar uma calda mais estável, com a utilização da bentonita. Finalmente, para solos siltosos e argilosos, recomendam-se caldas à base de resinas e/ou gel de silicato. O espaçamento entre furos varia em função

em um gráfico como o mostrado na Fig. 8.12; eficiência e eficácia do tratamento - o resultado final dos serviços de tratamento poderão ter sua eficiência e eficácia analisadas com base nas informações obtidas sobre a absorção d'água e o consumo esp~cífico de cimento; conclusões e recomendações finais.

b) Injeções em solos A injeção em solos, seja para aumentar a resistência destes como fundações de obras de barramento, seja para reduzir a percolação ao longo dessas fundações, pode ser feita por meio de três processos: injeção comum, tubo manchete e alta pressão.

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Consumo específico de cimento - kg/m FIG . 8.12 Interação entre a absorção d 'água especifica e o consumo especifico de cimento na barragem de Bocaina (PI), em projeto e acompanhamento do autor

8 - Tratamento de maciços naturais 1 251

dos objetivos da injeção (consolidação ou impermeabilização), da extensão a ser tratada e das condições geológicas locais, mas geralmente oscila entre 2 m e 3 m.

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1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Tubo manchete O tubo manchete consiste de um tubo de aço ou de PVC rígido, com um trecho perfurado e envolvido por uma borracha flexível (Fig. 8.13). Por esse método, é possível abrir um furo até a profundidade desejada e executar a injeção pelo método ascendente, com um obturador simples ou duplo como mostrado nessa figura . Após fixar os obturadores, a calda é injetada sob pressão, rompendo a borracha e penetrando nos vazios do solo. Esse método é bastante eficiente, tendo várias aplicações em função da criação de bulbos resistentes que podem provocar a consolidação de maciços terrosos ou arenosos, tanto em fundações de barragens como no entorno de escavações subterrâneas, bem como ser usados como reforço de tirantes. A calda injetada é constituída apenas de cimento e água, na proporção de 1:1. A profundidade dessa injeção pode atingir de 20 m a 30 m e o espaçamento entre furos é idêntico ao da injeção comum.

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Tubo manchete

.,._ Paredes do furo

Obturadores duplos

■---- Perfurações do tubo

Membrana de borracha

Alta pressão A injeção em solos sob elevada pressão é conhecida como jet grouting, que consiste na introdução de uma haste de perfuração com diâmetro entre 50 mm e 100 mm, dotada de uma ponteira com bicos de jato onde a água é introduzida sob elevada pressão. O avanço da perfuração é propiciado pela rotação da haste associada ao jateamento. Atingida a profundidade

FIG. 8.13 Tubo manchete

máxima que se deseja injetar (Fig. 8.14a), substitui-se a alimentação da água pela injeção de uma calda de água/cimento na proporção de 1 :1 sob alta pressão. O jato da calda com alta velocidade (entre 200 m /s e 300 m /s) desagrega o solo ao redor da perfuração, produzindo uma argamassa pela

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1

Geologia de Barragens

mistura dos grãos do solo com a calda. Ao se erguer gradativamente a composição, faz-se subir a injeção (Fig. 8.14b) para formar uma coluna de solo injetado com diâmetro entre 0,5 m e 2,0 m . Ao se realizar outra sondagem ao lado da primeira, constroem-se sucessivamente várias colunas de injeção (Fig. 8.14c). Com tal procedimento, constrói-se uma cortina de injeção no solo que pode funcionar como impermeabilizante das fundações . Caso a injeção tenha como objetivo consolidar o material da fundação, várias linhas de injeção deverão ser construídas, formando um grande bloco de solo consolidado, com extensão e profundidade que atendam às exigências do projeto.

c) Injeções em saprólitos O saprólito é um material de constituição muito variada, de acordo com a rocha que lhe deu origem. Apesar disso, podem-se distinguir dois tipos predominantes: de constituição arenosa e de constituição siltoargilosa. Os primeiros Agua e ar

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são menos encontrados, uma vez que dependem da intemperização de rochas predominantemente arenosas, como o arenito. Os saprólitos siltoargilosos são resultantes da decomposição química de vários minerais, como feldspatos, micas, anfibólios, piroxênios etc., que são encontrados em quase todas as rochas ígneas e metamórficas, além de carbonatos de rochas calcárias e dolomíticas. Por sua vez, a espessura desses saprólitos argilosos é dependente do clima, sendo tanto mais espessos quanto maiores forem a pluviosidade e a temperatura. Os saprólitos siltoargilosos caracterizam-se por apresentar um comportamento mecânico intermediário entre a rocha sã e o solo residual. Com isso, apresentam uma resistência adequada para funcionar como fundação de barragens granulares (terra ou enrocamento), mas não são recomendáveis como base de barragem de concreto de gravidade. Com relação às características de permeabilidade, geralmente são melhores que a rocha sã, uma vez que, a Água, ar e calda

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FIG. 8.14 Injeção de solo com alta pressão: (a) perfuração; (b) injeção da primeira coluna; (e) injeção da terceira coluna Fonte: modif,.cado deABGE (1998).

8 - Tratamento de maciços naturais 1 253

se decomporem para argila, os minerais tendem a obstruir as fraturas , reduzindo significantemente a permeabilidade. O problema maior na injetabilidade desses materiais, no caso de algumas fraturas permanecerem abertas, é a dificuldade de penetração da calda, por dois motivos: impossibilidade de penetração na argila e carreamento da argila ao longo dos planos de fratura , aumentando a concentração da calda e impedindo a sua penetração. Assim, quando o saprólito é espesso e a sua permeabilidade não atende às necessidades do projeto, a única forma de tratamento é por meio de resinas e silicato gel, o que torna bastante oneroso esse tratamento.

a) Direcionamento do fluxo das águas subterrâneas O fluxo das águas subterrâneas pode provocar elevadas pressões em taludes de encostas ou sobre os emboques de um túnel, obras muito comuns em um projeto de barragem. Esse problema pode agravar-se se forem construídas estruturas de contenção impermeáveis, como cortinas de concreto, para melhorar a estabilidade da encosta, pois o nível d'água subterrânea será elevado, aumentando consideravelmente as pressões hidrostáticas sobre essa estrutura. A solução mais empregada para o direcionamento desse fluxo é o dreno horizontal profundo, conhecido pela sigla DHP. Em sua execução, faz-se um furo com diâmetro de 10 cm, sub-horizontal, inclinado de 5° a 10° com a horizontal (Fig. 8 .15a). Nessa perfuração, feita com equipamento rotativo, é introduzida uma tubulação de PVC rígido, preferencialmente de 5 cm de diâmetro, cuja maior

8.1.3 Drenagem subterrânea A drenagem subterrânea constitui uma forma de tratamento de um maciço natural e tem dois objetivos principais: direcionar o fluxo das águas subterrâneas e aliviar a pressão hidrostática na base da barragem.

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drenagem superficial

drenagem superficial

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FIG. 8 .15 Direcionamento do fluxo das águas subterrâneas em uma encosta at ravés de drenas horizontais:

(a) encosta natu ral; (b) encosta com contenção

254

1 Geologia de Barragens

parte é filtrante. Para tanto, executam-se furos ou ranhuras no tubo, revestindo-o com uma manta têxtil. A inclinação do dreno tem como finalidade facilitar o escoamento da água por gravidade para um ponto externo, onde será direcionada através de galerias superficiais ou bombeada. Esses drenos geralmente possuem de 10 m a 20 m de extensão, e uma maior eficácia será obtida por uma série de drenos distanciados 3 m entre si, porém alinhados ao longo da parte mais baixa da encosta a drenar, como mostrado nessa figura . Se a encosta contiver uma estrutura de contenção, recomenda-se executar um colchão drenante a montante dessa estrutura, que auxiliará na drenagem interna propiciada pelos drenos DHP (Fig. 8 .15b). A drenagem pode ainda ser feita em fundações de barragens constituídas por solo siltoargiloso, para retirar a água contida nos poros desses materiais, a fim de acelerar o seu adensamento. Nesses casos, utilizam-se os drenos de areia verticais, que são poços abertos nesses materiais e preenchidos com areia.

zação de equipamentos de rotopercussão, geralmente com diâmetro de 75 mm. Na sua maior parte, são executados a partir de uma galeria existente no corpo da barragem, localizada nas proximidades do pé de montante dessa obra, embora alguns projetos incluam também uma galeria a jusante (Fig. 8.16). A profundidade dos drenos deve ser suficiente para interceptar os principais veículos de percolação do maciço rochoso, e o espaçamento entre os drenos geralmente varia entre 3 m e 5 m . Caso seja projetada uma cortina de injeção a partir da mesma galeria em que forem projetados os drenos , como mostrado na Fig. 8.16, a injeção deve preceder aos drenos, para evitar a colmatação destes no caso de serem executados primeiramente.

Injeções

b) Alívio de pressões hidrostáticas As pressões hidrostáticas que atuam na base de uma barragem, também denominadas subpressões, constituem um problema mais significativo nas barragens de concreto, onde a relação H/ B (altura/comprimento da base) é muito maior que nas barragens granulares (terra e en rocamento). Por isso, a drenagem subterrânea das fundações é aplicada apenas às barragens de concreto e realizada por meio de drenos de alívio. Esses drenos são abertos no maciço rochoso com a utili-

FIG . 8 .16 Drenas de alívio de montan te co m injeção e de jusante em uma barragem de concreto

8.1.4 Congelamento O congelamento do solo consiste n.;. redução da temperatura da água contida em seus poros até promover a s consolidação, resultando no aumento -sua resistência e também em sua imp

8 - Tratamento de maciços naturais

meabilização. É, todavia, um tratamento oneroso e de duração discutível, mais empregado na iminência de um processo degenerativo grave das fundações, como um severo recalque ou um pipping, ou para contenção desses problemas quando já iniciados. Nesses casos, faz-se introduzir no solo, através de poços, nitrogênio líquido cuja temperatura é de -190 ºC ou salmoura resfriada a temperaturas variáveis entre -25ºC e -30ºC.

8.2 APLICABILIDADE DE CADA MÉTODO

A aplicabilidade dos diversos tipos de tratamento dos materiais naturais em que se apoiam as obras de barramento depende, primeiramente, dos objetivos do tratamento. Assim, serão abordados separadamente os seguintes objetivos: • melhoramento da resistência; • redução da percolação. 8.2.1

Melhoramento da resistência

A resistência dos materiais naturais é mais solicitada quando esses materiais integram as fundações de uma barragem. Essas resistências relacionam-se com a deformabilidade (resistência à compressão) e com a estabilidade (resistência ao cisalhamento), como visto no item 4.2. Para maciços rochosos, ambas as resistências são compatíveis com os diferentes tipos de barragens, excetuando quando esse maciço se encontra decomposto, ou quando o posicionamento das suas descontinuidades lhe confere a condição de instabilidade. Em ambos os casos,

1

255

é totalmente inócuo qualquer tipo de tratamento. Assim, na condição de materiais passíveis de terem sua resistência mecânica melhorada, restam os maciços de materiais incoerentes , como é o caso de solos e rochas inconsolidados, como siltitos e argilitos alterados. Nesses casos, a caracterização de suas resistências pode ser feita por meio de ensaios in situ, que variam desde o SPT e o vane test até as provas de carga. Definida a inadequabilidade da resistência da fundação, pode-se avaliar uma solução do ponto de vista técnico-econômico em função da espessura do material incoerente em relação à extensão da base da fundação , que geralmente é muito grande, já que barragens de concreto não são recomendáveis nessa situação. Dessa forma, se a espessura do material for reduzida, é possível que a melhor solução seja retirar todo o material de baixa resistência, substituindo-o por outro de melhor qualidade. Se essa espessura for grande (>3m), a melhor solução será a consolidação por meio de injeções, quando serão avaliadas as melhores opções entre as metodologias apresentadas no item 8.1.26. Em fundações muito heterogêneas, se o problema de resistência for localizado, pode-se ainda optar pelo emprego de congelamento. 8.2.2 Redução da percolação

a) Percolação nas fundações da bar-

ragem Na análise sobre o tratamento das fundações de uma barragem para redu-

256

1 Geologia de Barragens

ção da percolação, muitos fatores devem ser levados em conta, entre os quais serão analisados os seguintes: • Necessidade de tratamento • Objetivos do tratamento • Custo x Eficiência • Aspectos técnicos • Aspectos regionais • Alternativas de tratamento

Necessidade de tratamento A polêmica sobre a necessidade de tratamento das fundações de barragens para efeito de impermeabilização é bastante antiga. Os primeiros tratamentos desse tipo foram realizados em 1900, e já em 1932 o processo era contestado por Terzaghi (apud Casagrande, 1961). Em uma das aulas ministradas, esse professor assinalou: "em muitos casos os proprietários são avarentos e perdulários pelo desperdício de muito dinheiro em injeções e pouco ou nenhum nos meios de observação, os quais poderiam claramente esclarecer se a cortina de injeções é eficiente ou não". Casagrande também teceu severas críticas ao uso indiscriminado do tratamento de impermeabilização de barragens. Ao analisar casos em que engenheiros-chefes adotaram tais técnicas em situações que eles mesmos reconheciam como inadequadas, escreveu: "parece que temem atacar algo que é tido como um dogma religioso pela maioria na profissão". São ainda de Casagrande as seguintes frases: • "são necessários vários métodos mais seguros para predeterminar se e onde as injeções são necessárias"; • "em alguns projetos, o valor de percolação poderia ser eficientemente

reduzido por meios mais econômicos que uma cortina de injeções"; • "provavelmente a grande maioria das cortinas de injeção de linha única nas fundações rochosas e ombreiras de barragens, construídas no passado, foram relativamente ineficientes na redução das perdas de infiltração e não puderam ser de muita confiança para os propósitos das análises de estabilidade". Sabarly (1968) apresentou um excelente trabalho, no qual comparou as condições de aplicabilidade das técnicas de impermeabilização e de drenagem, e apesar de revelar-se um adepto inconteste deste último método, mostrou muita sensibilidade para o problema ao comentar: "a arte do projetista consiste em ter um profundo conhecimento dos fenômenos físicos em jogo e de saber adaptar a cada caso particular, e que é sempre complexo, os princípios gerais, sem subestimar uns em relação aos outros". No 10° Congresso do ICOLD, Laa e Franco (1970) analisaram o comportamento de algumas barragens espanholas e concluíram com a sugestão de que sempre se deve examinar a possibilidade de subst ituir a cortina de injeções por trechos injetados isoladamente, onde a fundação revelar problemas mais críticos de percolação. Como se observa, os resultados são muito contraditórios, acirrando a polêmica que existe sobre o assunto e exigind estudos e pesquisas a fim de evitar a. continuidade na utilização de fórmula5 preconcebidas, baseadas em suposiçô~ empíricas . Infelizmente as discussô~

8 - Tratamento de maciços naturais

sobre o assunto têm evoluído muito pouco, e ainda hoje se nota uma completa falta de critérios na maioria dos técnicos que lidam com o problema. Em alguns casos, recomendam-se vultosos tratamentos de impermeabilização quando esse método não seria o mais indicado; em outros, omite-se esse tratamento quando seria a melhor solução para o problema.

Objetivos do tratamento O tratamento de impermeabilização de uma fundação de barragem tem como objetivo central reduzir a permeabilidade do material que embasará uma obra de barramento a níveis que tornem inócuo para a obra o efeito da percolação excessiva da água nesse material. Assim, o maior erro que geralmente se comete é desejar que uma cortina de injeções seja absolutamente estanque. Primeiro porque essa estanqueidade absoluta nunca é necessária e, segundo, porque as deficiências do próprio método construtivo impedem que isso aconteça. Todavia, a maior discussão relacionada com o objetivo desse tipo de tratamento diz respeito à própria necessidade de redução da percolação, em função de suas eventuais consequências para a obra. A percolação excessiva pelas fundações de uma barragem pode acarretar os seguintes problemas: • subpressões elevadas, com maiores problemas para barragens de concreto; • erosão do material de fundação ou da própria barragem, no caso de obras de terra; • risco de instabilidade das ombreiras a jusante da obra;

1

257

• perdas d'água que podem comprometer o uso da água armazenada. Numa análise mais acurada, pode-se constatar que apenas o segundo problema, dos quatro anteriormente referidos, pode justificar, na maioria das vezes, a execução de uma cortina de injeções como solução única e completa. Com efeito, para o caso de subpressões, podem-se citar os seguintes princípios (para escoamento em regime permanente): • em terreno homogêneo, a distribuição de subpressões independe do coeficiente de permeabilidade do terreno; • em terreno heterogêneo, apenas as relações de permeabilidade influenciam na distribuição de subpressões. Disso resulta que uma rede de drenagem terá exatamente o mesmo efeito nas subpressões, independentemente da permeabilidade do terreno, que influirá apenas na vazão da água percolada. Quanto ao risco de instabilidade das ombreiras a jusante da obra, a eficiência da cortina de injeções também é discutível, e isso porque, dependendo da geometria e abertura das descontinuidades no maciço rochoso, bem como da declividade dessas ombreiras, a injeção poderá piorar a situação de sua instabilidade, elevando o nível d 'água subterrânea com a criação de nefastas poropressões ao longo dessas descontinuidades. Por fim , o problema com perdas d' água que podem comprometer o uso da água armazenada é possível de ocorrer em algumas

258 1 Geologia de Barragens

regiões onde o volume de água que aflui ao reservatório constitui um problema, em função das condições climáticas. Contudo, deve-se observar que, em geral, vazões de percolação que cheguem a comprometer o uso da água armazenada devem influir na segurança da própria obra, exigindo medidas corretivas muito antes de reduzir substancialmente o volume armazenado. Conclui-se, assim, que apenas há consenso nos objetivos da cortina de injeções quando se trata de reduzir a vazão da água

percolação atingisse apenas 30%. Muitas vezes a eficiência esperada da cortina para um objetivo específico não é atingida porque a expectativa de solução do problema por esse tipo de tratamento é incorreta. Um exemplo desses é citado por Casagrande (1961) para a barragem de Hiwassee (EUA). Nessa barragem de concreto gravidade, a execução da cortina de injeções foi concebida para reduzir as subpressões em sua base, tend sido constituída por uma única linha de

percolada, em função dos problemas de erosão que podem, ao limite, acarretar a destruição da própria obra.

furos espaçados de 1,5 m . Ao se observar a variação de subpressões medidas ap ós enchimento do reservatório, constatou-se que a cortina de injeções foi absolutamente ineficiente para os propósitos co,.... que foi construída, representando pura perda de dinheiro. Exemplos semelhantes são citados por Vargas (1971) com relaçã a três barragens construídas no rio Pardo

Custo x Eficiência Um ponto que sempre gera polêmica quando se discute a necessidade de tratamento das fundações de uma barragem é a sua eficiência em relação ao elevado custo que representa para a obra. Embora esse custo dificilmente ultrapasse 1% do valor da obra, pode alcançar valores absolutos bastante elevados, constituindo-se no maior prejuízo da obra se não for obtida a eficiência esperada para esse tipo de tratamento. Estudos têm sido realizados para analisar a eficiência da cortina de injeção. Casagrande (1961) chegou a determinar em laboratório que, para cortina de injeções de uma linha única, a eficiência máxima obtida era de 29%, número bastante coerente com as observações por ele realizadas na análise de dados piezométricos de inúmeras barragens tratadas desse modo. Sua conclusão é que dificilmente seria justificado o alto custo de uma cortina cuja eficiência no controle da

Aspectos técnicos Entre as várias causas responsáveis pela ineficiência de algumas cortinas cie injeção, podem ser citadas: a) qualidad dos dados analisados para definição sobre a necessidade de injeções; b) inadequaçã da posição dos furos de injeção em relaçã às condições geológicas locais; c) falha n dimensionamento das press?es de injeçã ou consistência da calda; d) colmataçã_ das fissuras por detritos da perfuração _ por grãos do próprio cimento; e) falta · _ controle ou avaliação da eficiência do t:rctamento executado. Quando se sabe que, em geral, o ún critério levado em conta para definir a n-cessidade de impermeabilização de fundação de barragem é a permeabilida ~

8 - Tratamento de maciços naturais 1 259

do maciço rochoso, cresce muito a responsabilidade sobre a qualidade dos dados considerados na caracterização desse parâmetro. Apesar dessa responsabilidade, tem crescido muito a defasagem entre o nível dos dados coligidos e dos métodos de processamento para a interpretação dos fenômenos de percolação baseados nesses dados, reduzindo sensivelmente a confiabilidade dos resultados obtidos desses estudos. A maior incerteza nos resultados dos ensaios de perda d' água, principalmente se o ensaio não for muito bem executado, advém do fato de que os erros podem resultar numa permeabilidade muito maior ou muito menor que a real. Entre os fatores que podem falsear os resultados para mais, destacam-se três: abertura das fissuras pela pressão de ensaio, fugas d'água pela canalização ou pelos obturadores e fugas d'água pelas fraturas para dentro do furo. Destes, o mais importante é a abertura das fraturas, pois a vazão absorvida por uma descontinuidade aberta no maciço rochoso é proporcional ao cubo da espessura dessa descontinuidade, conforme já referido em 7.l.2a. Os fatores que podem falsear os resultados para menos são, principalmente, a perda de carga na tubulação e a colmatação de fraturas. A perda de carga guarda uma proporcionalidade direta com o comprimento da tubulação e inversa com o seu diâmetro, e pode influir significantemente na redução do valor da permeabilidade medida se não forem feitas as devidas correções. A colmatação das fissuras pelos próprios detritos produzidos pela perfuração é menos comum, desde que o furo seja bem lavado

antes de ser injetado, porém, quando isso ocorre, não há meios de ser detectada a sua influência no resultado do ensaio. Mesmo quando se toma o máximo cuidado na execução do ensaio de perda d' água, visando minimizar os efeitos do falseamento de resultados anteriormente mencionados, algumas inconveniências são intrínsecas ao próprio método de ensaio. Um desses problemas é a determinação das permeabilidades elevadas. A limitação da vazão de injeção de água no ensaio e o crescimento exponencial da perda de carga na tubulação impingem grandes dificuldades para determinar valores de permeabilidade superiores a 5 x 10- 3 cm/s. Outro grande problema é que esse ensaio não esclarece sobre as condições de percolação nas fraturas existentes no trecho ensaiado. Por exemplo, a absorção de 100 L/min sob uma pressão de 10 atm num trecho de 5 m pode ser provocada por uma única fratura de 0,25 mm de abertura, ou por 10 fraturas de 0,12 mm de abertura, ou ainda, por 100 fraturas de 0,06 mm de abertura. Uma vez que as condições de injetabilidade dependem da abertura do vazio a ser preenchido, nem sempre o critério de elevada absorção de água nesses ensaios condiciona a eficiência na absorção da calda de cimento. É bem verdade que o efeito desse problema pode ser minimizado com a redução do trecho ensaiado, mas é bom reconhecer que nem sempre tal prática é obedecida, principalmente quando o ensaio não é acompanhado pari passu por um projetista experiente. Admitindo-se uma boa confiabilidade para os dados obtidos com o ensaio de

260

1

Geologia de Barragens

permeabilidade, duas premissas básicas e conceituais, relacionadas com a geologia , têm que ser definitivamente compreendidas: a) o resultado do ensaio é apenas um valor pontual em relação ao meio

sorções de calda nos furos primários e secundários. Outra condicionante geológica que poderia ser considerada para definição da necessidade de impermeabilização é

analisado; b) o maciço rochoso é um meio

a relação entre as direções das descon-

descontínuo, anisotrópico e heterogêneo.

tinuidades abertas e do fluxo da água a

Nesse contexto, é muito perigoso falar em permeabilidade média de um maciço rochoso com base em ensaios de furos que

armazenar. A Fig. 4 .18 mostra um exemplo fictício apresentado pelo autor para enfatizar essa problemática. Pelo este-

atingiram situações geológicas as mais diversas. E pior ainda é, com base nessa

reograma polar dessa figura, a famíli a de fraturas que deve se encontrar aberta

permeabilidade média, programar a execução de uma cortina ao longo de toda a

nessas fundações é a de direção NW-S E, por ser tipicamente de tração. Eviden-

extensão da barragem, como tem sido a

temente, se forem executados furos de

prática comum de muitos projetistas . Na verdade, dificilmente um maciço rochoso é constituído exclusivamente de fraturas muito abertas ou pouco abertas, ou fratu-

sondagens ao longo das alternativas I e II, os valores de permeabilidade deverão ser idênticos, desde que os furos interceptem a mesma família de fraturas . Todavia,

ras injetáveis ou não injetáveis . Em geral, o que ocorre em uma fundação de barragem

se esses valores forem elevados, podem representar a necessidade de impermea-

é a presença de zonas mais permeáveis, seja pelo maior número de fraturas , seja pela maior abertura dessas descontinui-

bilizar as fundações no eixo I e dispensar qualquer tratamento no eixo II, uma vez

dades, ou por ambos os motivos, que se alternam com zonas praticamente imper-

que as fraturas paralelas à barragem mesmo abertas, não têm a mínima possibilidade de funcionar como veículo de

meáveis, com situações geológicas opostas

percolação entre as áreas de montante -

às anteriormente citadas . Ainda assim, nunca se observa um tra-

jusante da barragem. Quanto ao controle ou avaliação da ef;-

tamento de impermeabilização restrito a zonas da fundação , conforme sugerido por Laa e Franco (1970). Ao contrário, em

ciência, é realmente um problema muit

sério, pois o critério mais usado duran

todas as barragens tratadas, programa-

a execução da injeção, que é a redução admissão da calda, pode ser muito falh

-se uma cortina sistemática com o mesmo

Um maciço rochoso pode não absorve.

espaçamento de furos e, muitas vezes, a

qualquer calda, seja por estarem as fiss ras colmatadas, seja pela insuficiência · =

mesma profundidade ao longo de toda a ex tensão do barramento. Apenas os furos terciários e quaternários são condicio-

pressão aplicada, seja pela abertura d2! fissuras , ou ainda, por não ter o furo inter-

nados pelas heterogeneidades do maciço rochoso, geralmente reveladas pelas ab-

ceptado qualquer fissura . Nem por isso maciço pode ser considerado estanque _

8 - Tratamento de maciços naturais 1 261

a cortina injetada considerada eficiente. Por outro lado, poucas são as barragens que possuem uma rede de piezômetros que possibilite analisar o efeito da cortina de injeções, mesmo que o resultado seja uma total decepção, como ocorreu nos casos citados por Casagrande (1961). Assim, o controle da eficiência de um t ratamento de impermeabilização deve estar alicerçado no conjunto de providências tomadas para evitar os casos duvidosos já descritos e comentados em outras seções do presente livro. É bom frisar que o controle da eficiência para o tratamento de impermeabilização tem sido motivo de preocupação no mundo inteiro. Ao analisar os casos em que foi considerada boa a eficiência das cortinas de injeção executadas como o único tratamento para reduzir a percolação, Casagrande (1961) assinalou: "para cada caso desse tipo considerado na literatura como um sucesso, poderíamos citar diversos exemplos em que as injeções falharam da complementação dos seus objetivos e que, por tal razão, não chegaram a ser publicados". Por fim , deve-se lembrar que a eficiência de uma cortina pode não alcançar de imediato os níveis desejáveis, mas criar condições para atingi-los com o decorrer do tempo. Isso ocorre quando a redução do fluxo subterrâneo, embora insuficiente para as necessidades de segurança da obra, possibilita a sedimentação do material fino transportado pela água, colmatando progressivamente as fissuras e conduzindo a redução do fluxo a níveis desejáveis. O problema é saber o que ocor-

rerá com a obra enquanto essa eficiência não for atingida.

Aspectos regionais Na análise sobre a necessidade de tratamento de uma fundação a fim de reduzir a percolação d'água nessa região, deve-se considerar não apenas o efeito pernicioso dessa percolação, mas também os eventuais benefícios que ela possa propiciar. Evidentemente, só faz sentido pensar em benefícios a partir do momento em que tal percolação não possa impingir qualquer tipo de prejuízo à obra. Entre os aspetos a ser levados em conta no contexto global da percolação pela fundação da barragem, visando a um eventual aproveitamento dessa percolação ou simplesmente à economia nos gastos com uma cortina desnecessária, podem ser comentados os seguintes: situação climática, carência de água a jusante da obra e pobreza regional. Em regiões de clima semiárido, como é o caso de parte do nordeste brasileiro, as chuvas são muito concentradas, sendo muito comum ocorrerem anos com índice pluviométrico muito abaixo do normal. Tal fato, aliado à excessiva evaporação em quase todos os meses do ano, provoca depleções exageradas em todos os reservatórios, chegando muitos deles a secar completamente. Ocorrem ainda casos em que a lixiviação dos produtos de intemperização das rochas provoca a salinização das águas que vão alimentar o reservatório, fazendo o teor de salinização do reservatório tornar-se mais concentrado a cada ano, pr incipalmente em suas águas de fundo , que nunca são renova-

262

1

Geologia de Barragens

das. Nesses casos, uma percolação dessas águas pelas fundações poderia minimizar os efeitos da concentração de sais, embora contribuísse com o rebaixamento do nível de armazenamento. Ainda nessas regiões semiáridas, tão logo cessa a vertedura das águas que efluem das obras de barramento, seca-se todo o leito do curso do rio situado a jusante de cada barragem. Quando subsiste uma percolação pelas fundações, formam-se "oásis" em longos trechos do rio, graças à manutenção de um elevado under-ff.ow nas aluviões, que são intensamente aproveitadas para lavouras ou para pasto, ajudando um grande número de moradores a sobreviver à inclemência da seca prolongada. Por fim , deve-se levar em conta a dificuldade de captação de recursos para a construção de obras de barramento nas regiões mais pobres. Exemplo desse tipo de situação pode ser evocado no acidente que ocorreu com a barragem de Orós (CE), considerada a maior em volume armazenado construída pelo DNOCS . Essa obra teve o seu cronograma atrasado por falta de recursos financeiros, resultando no transbordamento da barragem em 1960, antes da construção do vertedouro, quase provocando a sua destruição. Em regiões como essa, não se pode dar ao luxo de desperdiçar extensas somas na execução de uma cortina de injeção que não seja realmente necessária, ou que não apresente uma eficiência condizente com o objetivo para o qual foi planejada. Alternativas de tratamento As alternativas de injeção e de drenagem dependem de dois aspectos:

objetivo do tratamento e permeabilidade do maciço rochoso. Na abordagem sobre os objetivos do tratamento, foram feitas considerações que envolvem a distribuição de subpressões e a permeabilidade das fundações. Dessa análise, pode-se concluir que a drenagem terá o mesmo efeito nas subpressões, independentemente da permeabilidade do maciço rochoso, que influirá apenas na vazão da água percolada. Por outro lado, é notória a deficiência da injeção clássica em um terreno de baixa permeabilidade, o que levou Sabarly (1968) a tirar as seguintes conclusões sobre o assunto: • "em terreno pouco permeável, a cortina de injeção não terá qualquer efeito, sendo, portanto, inútil. Mas as subpressões irão se desenvolver exatamente como num terreno mais permeável e a drenagem será, portanto, indispensável"; • "em terreno muito permeável, somente a drenagem, tendo em vista as subpressões, teria a mesma eficácia que em terrenos pouco permeáveis, mas a vazão dos drenas poderia ser considerável e inadmissível para a economia do projeto". Naturalmente, mais importante q e comprometer a economia do projeto e conter as elevadas velocidades de percolação através dos drenas e de outras partes da barragem e de suas fundações. Para ,;, casos intermediários, ou seja, para ter renos cuja permeabilidade situa-se intervalo entre pouco e muito permeáv& pode-se concluir que a segurança quanto subpressões seria sempre assegurada pc'!"

8 - Tratamento de maci ços naturais

meio da drenagem, enquanto os estudos sobre os efeitos da vazão da água percoada deverão nortear a conveniência em adotar a cortina de injeção. Em função do exposto, podem-se resumir as seguintes conclusões sobre as opções de tratamento das fundações de uma barragem: • nas zonas de baixa permeabilidade de uma fundação de barragem, as injeções não surtem qualquer efeito positivo, independentemente do objetivo para o qual foram programadas; • nas zonas muito permeáveis, as injeções devem reduzir as infiltrações, porém, somente a drenagem aliviará as subpressões, razão pela qual a melhor solução parece ser a utilização simultânea desses dois processos de tratamento; • nas zonas de permeabilidade intermediária, a drenagem deve ser suficiente para barragens de concreto, enquanto para barragens de terra ou enrocamento com núcleo argiloso, a injeção dependerá da necessidade de reduzir a vazão da água percolada, em função do risco de pipping;

• nas zonas de ombreiras, o risco de instabilidade a jusante da obra poderá ser reduzido pela aplicação conjunta da cortina de injeções e de um sistema eficiente de drenagem.

b) Percolação ao longo de obras complementares As principais obras complementares de uma barragem sujeitas a elevadas percolações de água são as encostas naturais ou

1

263

escavadas, quer localizadas a montante de obras, como usinas, ou ao longo de canais de adução ou derivação de águas, ou ainda, nos emboques de túneis . Em todos esses casos, o único tratamento recomendável é a drenagem subterrânea, de acordo com as soluções indicadas em 8 .1.3 .

8.3 CRITÉRIOS PARA DEFINIR A NECESSIDADE DE TRATAMENTO

A necessidade de tratamento dos materiais naturais é facilmente detectável quando os aspectos envolvidos são claros e o objetivo do tratamento conduz a alternativas indiscutíveis. É o caso, por exemplo, do direcionamento do fluxo subterrâneo nas encostas e em alguns casos de elevadas subpressões na base de barragens de concreto. Há, contudo, muita polêmica quanto aos critérios a adotar quando se trata de injetar uma fundação de barragem para reduzir a percolação de água nessas fundações. Diversos autores reconhecem que são inúmeros os fatores intervenientes na decisão sobre a necessidade de injetar uma fundação de barragem para reduzir sua permeabilidade. Bourdeaux (1979) descreve os seguintes fatores como principais: • Natureza do maciço rochoso, suas fraturas e sua permeabilidade; • Valor da água: a quantidade de água perdida por percolação representa um valor tal que justifica despesas de injeções para eliminar ou reduzir tal percolação? • Erosão interna: existem riscos de pipping pela fundação e/ ou pelo ma-

terial do núcleo em contato com o

264

1

Geologia de Barragens

maciço da fundação, os quais devem ser eliminados? • No caso de a barragem ser de terra e enrocamento, qual será o efeito das injeções sobre as pressões intersticiais dentro do núcleo argiloso? • Se existe a probabilidade de ocorrência de eventuais defeitos construtivos dentro do núcleo e/ou dos filtros de transição, devem-se prever injeções na fundação para compensar tais deficiências? • Quais são as precauções a serem tomadas para impedir o eventual carreamento dos finos do núcleo através de fissuras do maciço de fundação? • No caso de uma barragem de concreto, as injeções deverão desempenhar o papel de aliviar o sistema de drenagem profunda a fim de reduzir as subpressões no maciço de fundação? • Para uma barragem de enrocamento com face de concreto, o caminho de percolação reduzido sob o plinto exige cuidados especiais? Nesse mesmo trabalho, Bourdeaux apresenta vários valores-limite de permeabilidade que condicionariam a necessidade de impermeabilização, como segue: • perdas d ' água por percolação consideradas preciosas: 1 Lugeon (1 L/min/ m / 10 atm) • perdas d'água que valem o custo de injeções: 2 Lugeons • perdas d' água consideradas desprezíveis: • barragem de terra ou enrocamento: 5 a 10 Lugeons

• barragem de concreto: 5 a 7 Lu-

geons Ao se comparar esses critérios com os fatores intervenientes anteriormente relacionados, constata-se que a maior parte desses fatores não se acha contemplada, deixando a critério do responsável técnico definir os parâmetros que deverão nortear a aplicabilidade desses fatores. Visando conciliar a maioria dos aspectos discutidos no item 8.2.2a., o autor apresentou no XIX Congresso do CBGB, realizado em Aracaju em 1991, um quadro orientativo (Fig. 8.17), no qual sumariza uma proposição para definir sobre a necessidade de tratamento das fundações de uma barragem. Como se observa nessa figura, o cerne da questão, sob o ponto de vista de decisão, é definir quando uma percolação subsuperficial passa da categoria de admissível para excessiva, pois os outros fatores embora objeto de infindáveis discussões são facilmente determináveis. Muitos autores já definiram esse quando em função da permeabilidade média do maciço rochoso, embora não levem em conta todos os inúmeros fatores que influem nessa permeabilidade conforme discutido no item 8.2.2a . .Tab. 8 .1 mostra os sete critérios mais adotados pelos projetistas brasileiro_ Como se pode notar, apenas dois criterios levam em consideração a geomet · da barragem, ficando todos os dem restritos unicamente à caracterizaçã da permeabilidade do maciço rochos Disso resulta a tremenda disparida · entre os parâmetros que definem a n-

8 - Tratamento de maciços naturais 1 265

- Fator determinante

Percolação sub-superficial Admissível

- Grau de influência

Excessiva

Consequência positiva

Sem consequências negativas

Com consequências negativas

Fundação pouco permeável

Fundação permeável a muito permeável

- Consequência - Tipo de fundação

Elevadas

Suprimento de jusante Instabilidade de ombreiras

Elevadas vazões 1

1 L ____

Aspectos considerados

Perdas comprometedoras

--+-, 1

1

Drenagem

Não tratar

Tratar

- Solução

FIG. 8.17 Quadro orientativo para definição da necessidade de tratar por impermeabilização ou drenagem as fundações de uma barragem

TAB. 8.1 Principais critérios para definir a injetabilidade de fundações de barragens Autor

Ano

Critério adotado Absorção máxima

Absorção em HV

0,05 L/min/m/19 atm

0,5

5,0

Barragem c/H > 30 m

1,0 L/min/m/1 O atm

0,1

1,0x10-5

Barragem c/H < 30 m

3,0 L/min/m/10 atm

0,3

3,0

X

10-5

0,1 L/min/m/3 atm

0,033

3,3

X

10-6

Maciços permeáveis

> 1,0 L/min/m/atm

> 1,0

> 1,0 X 10-4

Maciços pouco permeáveis

1,0 a 0,2 L/min/m/atm

1,0 a 2,0

1,0 X 10-4 a 2,0x10-5

Maciços pratic. impermeáveis

< 0,2 L/min/m/atm

< 0,2

0,4 a 0,1 L/min/m/atm

0,4 a 0,1

Condicionante Redlich-Kampe-Terzaghi

1929

Lugeon

1933

Jaehder

Adamovitch-Koltunov

1953

1953

Geotécnica

1956

Portugal

1957

Vitor de Melo

1969

K (cm/seg)

X

< 2,0

10-5

X

1Q-5

4,0 X 10-5 a 1,0x10-5

0,2 L/min/m/atm

0,2

2,0

X

10-5

Barragem com B < 0,2 H: H <30 m

0,3 L/min/m/atm

0,3

3,0

X

10-5

30 < H < 100 m

0,2 L/min/m/atm

0,2

2,0

X

10-5

H > 100 m

0,1 L/m in /m/atm

0,1

1,0

X

10-5

Barragem com B > 0,2 H: Proporcionalmente ao aumento de B

< 1,0 L/min/m/atm

< 1,0

< 1,0

X

10-4

266

1 Geologia de Barragens

cessidade de injetabilidade de uma fundação de barragem, uma vez que a permeabilidade considerada crítica varia entre 3,3 x 10- 6 cm/s e 1,0 x 10- 4 cm/ s (em torno de 30 vezes de diferença). No trabalho apresentado no referido seminário do CBGB em Aracajú, o autor propõe um ábaco para definir a necessidade de tratamento por injeção (Fig. 8.18), que leva em conta os fatores geológicos e hidrogeotécnicos, além da geometria da barragem. Como exemplo da aplicação desse ábaco, pode-se avaliar a necessidade de impermeabilização de uma barragem de 50 m de altura, considerando a alternativa de construção em concreto, quando a relação B/ H (base/altura da barragem) for menor ou igual a 0,3, ou a alternativa de construção em maciço granular (terra ou enrocamento), quando B/ H > 0,3 . Com base nesse ábaco, para a barragem de concreto seria necessária a cortina de injeção

quando a permeabilidade média variasse entre 1,5 x 10-s e 2,7 x 10- 5 cm/s, ou entre 0,15 Hv e 0,27 Hv, dependendo da relação entre as direções das descontinuidades mais abertas e o eixo da barragem. Para as barragens de terra ou enrocamento, os limites críticos de permeabilidade que definiriam a necessidade de impermeabilização do maciço rochoso variariam entre 4,5 x 10-5 e 7,7 x 10- 5 cm/s, ou entre 0,45 Hv e 0,77 Hv, dependendo da relação anteriormente especificada. Constata-se assim, por meio desse ábaco, que a necessidade de injeção de uma fundação de barragem é diretamente proporcional à altura da barragem, ao gradiente hidráulico (é tanto maior quanto menor for a relação B/ H), à permeabilidade média do maciço rochoso e à proximidade entre a direção das descontinuidades mais abertas e a direção do fluxo sob a barragem.

H(m) 2 100

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Permeabilidade - K (cm/seg.)

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a Ângulo entre o eixo barrável e a descontinuidade estrutural aberta

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H Altura da barragem

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B Largura da base da barragem

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e.. (1)

o

\

3

li>

n

..;:;· Absorção específica - HV (1/ min /m/atm)

FIG. 8.18 Ábaco proposto pelo autor para def,.nir a necessidade de injetabilidade de uma funda ção em funç ão da s condicionantes geológicas

o

"'::J

~ e

ª·

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°'

--.J

9

Materiais naturais de construção

9 .1 TIPOS DE MATERIAIS E FONTES DE OBTENÇÃO

Como mat erial natural passível de ser utilizado em uma obra de barramento, podem ser dist inguidos: material pétreo, material arenoso e material terroso. As fontes de obtenção desses materiais são basicamente duas: escavações da própria obra e áreas de empréstimo. Muitos projetos de barragens exigem escavações consideráveis, sejam no solo ou em rocha, ora com o propósito de atingir uma fundação mais resistente, ora para alcançar níveis mais profundos para o escoamento da água, como ao longo de canais. A abertura de túneis também propicia a obtenção de um grande volume de materiais, principalmente pétreos. Em todos esses casos, é necessário, ainda em fase de projeto, realizar os ensaios de campo e de laboratório adequados a cada tipo de material que será escavado durante a construção, a fim de pesquisar a possível aplicabilidade desses materiais na construção da obra projetada. Essa prática encontra, entre outras, as seguintes justificativas: • elimina ou reduz a formação de depósitos ou bota-fora dos materiais escavados, que representam sérios impactos ambient ais; • elimina a recuperação de áreas degradadas pela escavação de áreas de

empréstimo, o que t ambém sign ifica impactos ambientais significat ivos; • elimina os custos de desapropriação das áreas de empréstimo; • elimina os custos com a construção, manutenção e desapropriação de acessos para as áreas de empréstimo; • elimina os custos de transporte dos materiais provenientes de áreas de empréstimo. É muito comum os materiais rochosos apresentarem trechos alt erados e trechos de excelente sanidade. Nesses casos, pode-se perfeitamente utilizar o material alterado no corpo da barragem "envelopado" pelo material de boa sanidade, constituindo as chamadas "zonas random", que podem assumir variadas posições no interior do maciço barrável. Quando, porém, a quantidade ou a qualidade dos materiais escavados não atenderem de forma alguma as necessidades previstas para a obra, apela-se para as áreas de empréstimo, seja para suprir todas essas necessidades, seja para complementar a utilização dos materiais escavados . Nesse caso, as áreas de empréstimo incluem as pedreiras para materiais pétreos ou as jazidas para materiais terrosos e arenosos. Na pesquisa das áreas de empréstimo, deve-se ter em mente que o transporte do material é o fator que mais onera a sua

270

1 Geologia de Barragens

utilização, razão pela qual deve-se inicialmente concentrar todos os esforços para não ultrapassar o raio de 2 km da obra na localização dessas áreas. Dentro desse raio, a pesquisa desses materiais deve observar atentamente as seguintes condicionantes: • distância da obra; • geologia local; • topografia; • condições de explorabilidade; • condições de acesso; • características do material; • volumes disponíveis; • custos de desapropriação; • aspectos ambientais. Somente após verificada a impossibilidade de atender às necessidades da obra com empréstimos situados nesse raio de influência, deve-se partir para pesquisar áreas mais distantes, usando os mesmos critérios de pesquisa para restringir a localização dessas áreas ao raio de 5 km. Finalmente, na impossibilidade do atendimento des sa última condição, extrapola-se a pesquisa com base em uma fotointerpretação geológica a áreas mais distantes. Nos itens que se seguirão, para cada tipo de material analisado serão abordadas todas as condicionantes de estudo anteriormente relacionadas.

gem: como enrocamento, como elemento filtrante e como agregado graúdo no concreto. Como enrocamento em barragens mistas ou de enrocamento, a rocha é proveniente de pedreiras e, dependendo do plano de fogo, pode dispensar qualquer tratamento ou beneficiamento secundário. Os fragmentos rochosos utilizados no enrocamento ou no rip-rap de barragens incluem os blocos (maior dimensão entre 6,4 cm e 25,6 cm) e matacões (maior dimensão superior a 25,6 cm). São geralmente angulosos e em bom estado de sanidade. Como elemento filtrante, a rocha é utilizada nas faixas de transição entre os materiais finos (argila, silte e areia) e o enrocamento. Nesse caso, utilizam-se a rocha britada e os cascalhos naturais, sendo aquela predominantemente angulosa e estes, arredondados. Diferem também na forma de jazimento, pois enquanto a rocha britada resulta da cominuição da rocha escavada em pedreiras, os cascalhos são encontrados em jazidas de origem fluvial ou marinha, podendo ou não sofrer cominuição de acordo com a dimensão dos seixos encontrados na cascalheira e as necessidades do projeto. Como agregado graúdo empregado no concreto, são também utilizados os cascalhos e a rocha britada.

9.2 MATERIAIS PÉTREOS 9.2.2 Pesquisa, explotação e 9.2.1

Utilização do material pétreo

Os materiais pétreos podem ser usados de três formas diferentes em uma barra-

beneficiamento do material pétreo A metodologia a aplicar tanto na pesquisa quanto na explotação e no benefi-

9 - Materiais naturais de construção

ciamente do material pétreo varia muito para os casos de pedreira e de cascalheira. Aqui não serão analisadas as metodologias aplicadas para a obtenção do material pétreo produzido nas próprias escavações realizadas na obra, principalmente ao longo de canais e obras subterrâneas, pois apenas a cominuição da rocha nessas escavações é semelhante ao que será descrito para as pedreiras. As escavações são realizadas segundo critérios específicos para tais obras .

a) Pedreira

Pesquisa A pesquisa de uma pedreira, independentemente do fim a que se destinará o material pesquisado, deve, em princípio, satisfazer às condicionantes relacionadas em 9.1. Nessa fase, porém, as principais preocupações do projetista devem ser: localização, condições de explorabilidade, volume disponível e características do material. A localização deve levar em conta dois aspectos fundamentais: custo de transporte e meio ambiente. Como já citado anteriormente, a grande influência do transporte no custo da utilização desses materiais exige a maior aproximação possível da pedreira em relação à obra a construir. Por outro lado, a redução do impacto ambiental provocado pela exploração dessas pedreiras recomenda como preferencial a sua localização a montante da barragem, em cota inferior ao nível máximo do reservatório, pois a escavação realizada seria totalmente encoberta após conclusão da obra e enchimento do reservatório. Obviamente, nem sempre isso é

1 271

possível e, nesse caso, deve-se cotejar as localizações passíveis de definir e optar por aquela que produz um menor impacto ambiental, o que será motivo de maior discussão no Cap. 11. As condições de explorabilidade devem considerar como mais importantes os seguintes aspectos: decapeamento do estéril e acesso. O primeiro refere-se à remoção de todo o regolito que recobre a rocha sã, incluindo o solo e o saprólito. Como o custo dessa remoção pode inviabilizar a explotação num cotejo entre diferentes alternativas, é imprescindível nessa fase quantificar o volume desse decapeamento, como descrito nos itens 6.2 e 6.3. O acesso também é de grande importância na avaliação da explorabilidade de uma pedreira, pois a travessia de rios, córregos e áreas pantanosas pode representar um custo que inviabilize a utilização de uma pedreira. Nessa fase, uma boa investigação iniciada com fotointerpretação e concluída com geologia de campo poderá caracterizar a viabilidade dos acessos escolhidos. O volume disponível é importante mas não restritivo, e isso porque, se o volume de uma determinada pedreira não for suficiente para as necessidades da obra, pode-se complementá-lo com outra(s) pedreira(s). É, todavia, importante definir qual o volume a explotar, no caso mais comum em que a pedreira possui uma dimensão muito superior às necessidades da obra. Nesses casos, deve-se pesquisar para explotação um volume correspondente a 1,5 do volume previsto para utilização na obra, considerando as perdas no beneficiamento e as eventuais deficiências geológicas da pedreira.

272

1

Geologia de Barragens

Por fim, a caracterização do material a explotar deve ser bem definida na pesquisa de uma pedreira, através da realização de ensaios laboratoriais em amostras coletadas por meio de fogachos na rocha sã ou de testemunhos das sondagens realizadas. No item 9.2.3 serão definidos os ensaios necessários a essa caracterização.

Explotação As operações envolvidas na explotação de uma pedreira incluem duas etapas: desenvolvimento e desmonte. No desenvolvimento é efetuada apreparação para a explotação, que envolve as seguintes atividades: remoção do estéril, construção de acesso às bancadas e frentes de escavação, abertura de praças de operações, instalação da unidade de processamento, instalação do sistema de captação de água, instalação de subestação elétrica e rede de energia, instalação do sistema de ar comprimido e instalação de sistema de drenagem superficial. O desmonte pode ser primário e secundário. No desmonte primário, faz-se a escavação do maciço rochoso in situ, resultando em blocos de dimensões variadas. Caso ocorram blocos com dimensões superiores ao requerido, procede-se ao desmonte secundário desses blocos. O desmonte primário deve ser feito em bancadas, que , além de propiciar maior segurança aos operários, possibilitam a utilização de perfuratrizes sobre carretas. As perfuratrizes usadas são do tipo pneumático ou hidráulico, esmagando a rocha por percussão. A eficiência do desmonte depende fundamentalmente de

uma boa definição da malha de furos e de uma locação desses furos detalhada com topógrafo. A escolha da malha de furos depende de inúmeros fatores, como: grau de fraturamento da rocha, direção das descontinuidades do maciço rochoso, padrão de fragmentação desejado, risco de acidentes em razão de ultralançamentos , explosivo utilizado etc. A Fig. 9.1 mostra um exemplo de plano de fogo para explotação de uma pedreira, sendo complementada por uma planilha (Tab. 9.1) na qual se acham definidos os símbolos apresentados na figura . Observa-se nessa planilha que o volume desmontado é uma função da razão de carregamento e da perfuração específica, que, por sua vez, dependem da carga aplicada por explosivo no furo e da geometria da malha de furos. No desmonte secundário, os blocos podem ser reduzidos com a utilização de fogachos , mediante o uso de rompedor hidráulico ou de martelete.

Beneficiamento O beneficiamento dos blocos resultantes do desmonte em uma pedreira somente será necessário se esse material for utilizado na barragem como elemento filtrante ou como agregado graúdo no concreto. Como enrocamento ou no rip-rap, os blocos serão aplicados nas suas dimensões naturais e variadas. O beneficiamento consiste na fragmentação ou cominuição da rocha desmontada e na seleção granulométrica dos fragmentos obtidos. A fragmentação é realizada por meio de britadores - daí o processo ser denominado britagem - e em estágios sucessivos.

9 - Materiais naturais de construção 1 273

_________________ ___ __ Pé do talude superior___________________ _ Retardo de 20 MS

I Retardo de 30 MS

A'

A

\Retardo de 20 MS

\uro inicial

E

Topo do talude inferior Malha do tipo pé de galinha A

Tampão

T

Banana Coluna Banana Granulado

Carregamento do furo ao transversal

FIG. 9 .1 Plano de fogo para desmonte de uma pedreira (projeto do autor)

cada um com equipamentos adequados à granulometria pretendida. Em um primeiro estágio, denominado britagem primária, o equipamento utilizado é um britador de mandíbulas (mais comum) ou giratório. Os fragmentos resultantes dessa britagem são encaminhados por esteiras rolantes aos britadores secundários (geralmente cônicos ou giratórios), num processo denominado rebritagem. Os fragmentos resultantes da rebritagem são encaminhados por esteira rolante até uma peneira vibratória, onde as diferentes granulometrias da brita são produzidas e encaminhadas, ainda por esteiras ro-

lantes, para as pilhas de estoque, de onde serão encaminhadas para a obra. Os fragmentos selecionados pela peneira vibratória formam os seguintes tipos de brita, em função de sua granulometria: Brita O:

4,8a 9,5 mm

Brita 1:

9,5 a 19,0 mm

Brita 2:

19,0 a 25,0 mm

Brita 3:

25,0 a 50,0 mm

Brita 4:

50,0 a 76,0 mm

Brita 5:

76,0 a 100,0 mm

O produto que passa na peneira de 4,8 mm é denominado pó de pedra ou

274

1

Geologia de Barragens

TAB. 9 .1

Planilha do plano de fogo da Fig. 9.1 Unidade

Valo r

Obs .

Altura da bancada

Parâmetro

Símbolo H

Cálculo

m

12 ,50

Input

Nº de fileiras

F

um

2,0

Input

um

10,0

Input

Nº de furos por fileira Nº total de furos

Ff

F.f

um

20,0

Calculado

Diâmetro do furo

d

d(") = H(m)/ 4

pol.

3,0

Calculado

Inclinação do furo com a vertical

a

Afastamento da frente de bancada

A

A(m) = d( " )

Afastamento entre linhas

A'

A / cosa

Espaçamento entre furos

E

Largura da frente de fogo

Ef

Densidade do explosivo granulado Densidade do explosivo encartuchado Densidade da rocha

1O

Input

m

3 ,0

Calculado Calculado

m

3,0

m

8,0

Input

m

80,0

Calculado

Yg

g/cm3

0,85

Determin.

Ye

g / cm3

1,40

Determin.

Y,

g / cm 3

2 ,50

Determin.

H / cos a

m

12 ,70

Calculado

0 ,3A'

m

0,9

Calculado

m

13 ,60

Calculado

m

3 ,0

Calculado

Profundidade do furo na bancada Sobrefuração

grau

s

E.f

Profundidade do furo total Tampão

T

Comprimento da carga de coluna

Lc

m

6,70

Calculado

Comprimento da carga de fundo

Lf

1,3A'

m

3,90

Calculado

Razão linear da carga de coluna

qc

Yg.Vg/ Lc (* )

kg/m

3,75

Calculado

kg/ m

4,50

Calculado

kg

25 ,12

Calculado

Razão linear da carga de fundo

qf

Carga de coluna

Qc

Carga de fundo

Qf

Lf.qf

kg

17,55

Calculado

Carga total do furo

Q

Qc+ Qf

kg

42,67

Calculado

Volume de rocha desmontado p/ furo

V

A.E .H

m3 / furo

300 ,0

750 t/furo

Razão de carregamento

RC

Q/V

kg/ m3

0,14

56 g/t

Perfuração específica

PE

m/m 3

0,042

1,7 cm/t

Volume desmontado mensalmente

Vm

Volume desmontado por frente

Vd

Lc .qc

m3 / mês

24.000

Determin.

V.Ff

m3

6 .000

Calculado

Nº de desmontes por mês por frente

Dm

Vm/Vd

um

4

Calculado

Consumo de explosivo por mês

Qm

Q .Ff.Dm

kg

3.413

Calculado

(* ) Vg - volume preenchido pelo explosivo granulado; Ve - volume preenchido pelo explosivo encartuchado

areia artifzcial, sendo utilizado como agregado miúdo. Em barragens, as britas mais utilizadas no concreto são as de número 1 e 2, embora a brita Oseja usada em alguns concretos especiais como acabamento. As britas 3, 4 e 5 são utilizadas como elementos filtrantes.

b) Cascalheiras

Pesquisa As cascalheiras são resultantes da sedimentação fluvial ou marinha de seixos de granulação variada. No Brasil, são mais encontradas as de origem fluvial,

9 - Materiais naturais de construção

que geralmente se localizam nas bacias de inundação dos grandes rios ou ao longo de paleocanais. Em função dessa origem, deve-se iniciar a pesquisa por um estudo geológico e geomorfológico, inicialmente por meio da fotointerpretação e concluindo com investigações de campo. Uma vez detectada a possibilidade de existência de um depósito de cascalho, as investigações podem ser detalhadas a partir de uma prospecção geofísica, como indicado no item 6.2 . Essa investigação poderá ser concluída com sondagens rotativas ou com a abertura de poços, dependendo da profundidade do jazimento revelado pela geofísica e pela presença do nível freático . O importante nessa pesquisa é avaliar o volume disponível do cascalho e as condições de sua exploração, a fim de que se possa viabilizar a sua explotação.

Explotação Uma vez que as jazidas de cascalho geralmente se situam nas proximidades de cursos d' água, o maior empecilho para a sua explotação é o elevado nível freático comum a essa situação. O rebaixamento desse nível pode representar um custo que leve ao cotejo com outras soluções para a obtenção do material pétreo. Caso haja viabilidade econômica para tal explotação, a escavação deverá ser realizada com equipamentos adequados às dimensões da cava a ser aberta, dos manuais até os mais mecanizados. Especial atenção deve ser dada à estabilidade dos taludes abertos no solo, o que exigirá uma análise detalhada, em função das características geotécnicas desse material.

1

275

Beneficiamento A maior parte das cascalheiras possui seixos com granulometria correspondente à variação da brita, desde O até 4. Assim, dependendo da utilização desse material, se como agregado graúdo no concreto ou como elemento filtrante, podem ser necessárias uma cominuição dos seixos maiores e uma seleção granulométrica conforme especificado para o caso das pedreiras. Evidentemente, antes de proceder à seleção granulométrica, será sempre necessário separar em uma cascalheira a matriz arenosa ou arenoargilosa que geralmente envolve os seixos . Essa separação é geralmente feita por meio de lavagem.

9.2.3 Caracterização do material pétreo A caracterização do material pétreo deve adequar-se à finalidade para a qual esse material se destina, sob pena de realizar ensaios desnecessários em alguns casos ou deixar de executar ensaios importantes em outros. Serão, assim, abordados separadamente os critérios de caracterização para uso da rocha como enrocamento, elemento filtrante ou agregado graúdo para concreto.

a) Enrocamento As principais propriedades exigidas de uma rocha a ser utilizada como enrocamento ou rip-rap de barragem são: resistência mecânica e resistência à alteração.

Resistência mecânica Pelo fato de a maior parte dos blocos empregados em um enrocamento ser bas-

276

1 Geologia de Barragens

tante angulosa, é muito comum ocorrer a fragmentação das bordas desses blocos, não apenas no processo construtivo, mas também pelas solicitações sofridas quando em serviço. Essa quebra de partículas modifica a distribuição granulométrica e pode afetar consideravelmente as características de deformabilidade do material, podendo influir na sua resistência ao cisalhamento. Está comprovado que a resistência mecânica de um enrocamento depende de vários fatores, quer ligados ao material rochoso, quer ligados ao estado de tensões triaxial reinante em um enrocamento. Entre os fatores relacionados ao material pétreo, destacam-se: - Resistência à compressão e ao cisalh amento da rocha A resistência à compressão de uma rocha depende não apenas da resistência intrínseca dos minerais que a compõem, mas também de outras propriedades fís icas, como densidade e porosidade. Assim, as rochas mais densas e menos porosas apresentam maior resistência à compressão, prestando-se melhor para enrocamento. Destacam-se para esse fim, por ordem decrescente: as rochas ígneas básicas (basalto, anfibolito, gabro, dolerito etc.), com resistência à compressão (Se) entre 1.500 e 3.500 kgf/cm 2 ; as rochas ígneas ácidas (granito, diorito, riolito, sienito etc.), com Se entre 1.000 e 2.500 kgf/cm 2 ; e algumas rochas metamórficas, como quartzito, gnaisse e metarenito, com Se entre 800 e 2.000 kgf/cm 2 (nesse caso, deve-se observar a influência de planos de xistosidade sobre a resistência à compressão).

A resistência ao cisalhamento é dada pela coesão (e) e pelo ângulo de atrito (cp), sendo a rocha tanto mais resistente quanto menor for a influência dos planos de descontinuidade (estratificação, xistosidade e fraturas regeladas) sobre esses parâmetros. Assim, são mais utilizadas as rochas ígneas, tanto ácidas como básicas, nas quais a resistência ao cisalhamento (Ss) oscila entre 150 e 600 kgf/cm 2 , com ângulo de atrito entre 45° e 60°. Entre as rochas metamórficas, apenas o gnaisse, o quartzito e o metarenito são indicados. - Forma e dist ribuição granulométrica A fo rma dos blocos rochosos depende da estrutura original da rocha. Assim, as rochas ígneas produzem blocos que se aproximam da forma cúbica, nos quais não há grande diferença entre as dimensões comprimento, altura e largura. Essa é a forma ideal para utilização no enrocamento. Por sua vez, algumas rochas metamórficas, como ardósias e xistos, e sedimentares, como argilitos e folhelhos, produzem blocos lamelares ou alongados, formas que não apresentam boa performance como enrocamento. O ideal é que , além da forma cúbica, os blocos se apresentem arredondados, pois seriam menos expostos à quebra de suas bordas, porém os blocos arredondados são resultantes de transporte fluvial ou glacial e, nesses casos, podem ter afetada a sua caracterização química. Quanto à distribuição granulométrica, é importante haver uma boa gradação nas dimensões dos blocos, pois os de menor tamanho propiciam um maior embricamento dos maiores, assegurando uma

9 - Materiais naturais de construção

melhor estabilidade estrutural do enrocamento. Se a granulometria for uniforme, os blocos de menor dimensão apresentarão maior resistência. Com relação ao estado de tensões existente no enrocamento, está provado que o aumento das tensões confinantes nas grandes barragens reduz o ângulo de atrito dos blocos que o constituem. Marachi et al. (apud USBR, 1973, p. 306-309) fizeram experiências com blocos de argilitos, basaltos e anfibolitos em condições variadas de arredondamento, distribuição granulométrica e tensões de confinamento, e chegaram a resultados semelhantes para essas três rochas , sintetizados na Fig. 9.2. Dessas pesquisas, podem-se t irar as seguintes conclusões: • Para uma dada pressão de confinamento, o ângulo de atrito é reduzido com o aumento do tamanho das partículas do bloco. • Mater iais compostos de partículas bem graduadas e arredondadas apresentam resistência maior que

1

materiais angulosos e uniformemente graduados. • Para um dado tamanho de partícula, o ângulo de atrito diminui quando aumenta a pressão de confinamento. Os ensaios recomendados para determinar a resistência dos blocos quanto à quebra no enrocamento são: • Esmagamento • Cisalhamento direto • Abrasão Los Angeles Todos esses ensaios acham-se descritos no item 7.2.2 .

Resistência à alteração A resistência à alteração, que reflete a durabilidade de uma rocha, depende de fatores intrínsecos à própria rocha e de fatores externos ou ambientais. Entre os fatores internos, destacam-se dois: natureza mineralógica e descontinuidades do maciço rochoso. Os diferentes minerais que constituem os vários tipos de rocha

55 V,

::,

~

......... o

b.O 1

o E

-- ---------

~

........ o

~

.!:

.8 45 ..-:;; -o <1.)

·c

-o-

.::,

.2 ::,

-+

□ ---=- cr, = 3 O kgf/cm'

1

1 1 _ - cr, = 140 kgf/cm'

- + 1

- +-

1 n-

b.O

e

1 cr, = 420 kgf/cm'

□ - cr, = 6 50 kgf/cm 2

,<(

35 0 ,3

1

0,5

1,0

2,0

3,0

6, 0

10,0

Tamanho máxi mo das partículas - po legadas

Efeito do tamanho das partículas e da pressão de confinamento sobre o ângulo de atrito interno em blocos de enrocamen to Fonte: modificado de Marachi et ai. (apud USBR , 1973). FIG . 9 . 2

277

278

1

Geologia de Barragens

passíveis de ser utilizados em um enro-

A alteração de uma rocha afeta todas as

camento possuem propriedades muito distintas com relação à alteração física ou química. Como exemplo, pode-se comparar o quartzo, um dos mais resistentes à

suas propriedades, mas as ações sobre as seguintes propriedades podem ser consideradas mais significativas para um enrocamento: coerência, massa específica

alteração química, com o piroxênio, um dos menos resistentes a esse tipo de altera-

aparente, porosidade aparente, absorção d ' água e resistência mecânica.

ção. As descontinuidades funcionam como meio de infiltração da água, um dos agen-

A avaliação da adequação de uma rocha para enrocamento, em função da alteração já ocorrida, pode ser feita

tes externos que favorecem a alteração dos minerais. Entre os fatores externos, destaca-se o clima, por meio das variações de umidade e temperatura, responsáveis

por meios táteis e visuais, ou através de índices resultantes de ensaios laborato-

pela intemperização das rochas.

riais. No primeiro caso, foram citadas no item 4.1.2 as classificações do estado

Os mecanismos de alteração de uma rocha por intemperismo podem ocorrer

de alteração de uma rocha, desde sã (Al) até muito alterada (A4), e do grau de coe-

por meio da desagregação ou da decomposição. A desagregação é um mecanismo físico que resulta na progressiva indivi-

rência, desde coerente (Cl) até incoerente (C4). Os principais índices resultantes de

dualização dos constituintes minerais da rocha, embora sem necessariamente

ensaios laboratoriais abordados no Cap. 7 e descritos por Frazão (2002) são:

Índice de massa específica aparente

modificar a sua natureza. Nesse processo é mais comum a incidência dos seguintes fenômenos: dilatação e contração dos minerais em função da variação de temperatura; e expansão de sais por cristalização ou por absorção d' água por argilominerais.

(Ia)

onde: 80

-

massa específica aparente da rocha sã

A decomposição é um mecanismo químico

8x - massa específica aparente da rocha

que resulta na modificação progressiva da natureza dos minerais, sem implicar a sua

alterada

Índice de porosidade aparente (111)

individualização. Dominam nesse processo os seguintes fenômenos: dissolução, hidratação, hidrólise e reações de oxirre-

111

= 11x -110 11x

onde:

dução. Pode ainda ocorrer a superposição dos dois mecanismos, quando a alteração

17 0

se dará por um processo físico-químico

11x - porosidade aparente da rocha alterada

de intensidade mais acentuada. Em climas áridos e semiáridos, predomina a desagregação, e nos climas tropicais e subtropicais, a decomposição.

-

porosidade aparente da rocha sã

Índice de absorção d'água (Ia,)

9 - Materiais naturais de construção 1 279

onde: - absorção d'água da rocha sã

a0

nx - absorção d'água da rocha alterada Índice de resistência mecânica (IR)

onde: R0 - resistência à compressão da rocha sã Rx - resistência à compressão da rocha alterada Para todos esses índices, a variação vai de O (rocha sã) a 1 (rocha alterada). Com base nas equações apresentadas, observa-se que a alteração reduz a massa específica aparente e a resistência mecânica da rocha, e aumenta a porosidade e a capacidade de absorção d'água da rocha. Todas essas metodologias de avaliação da alteração referem-se ao estado atual da rocha. Quando, todavia, se avalia a potencialidade de uma determinada rocha ser alterada no futuro, em consequência de sua exposição às intempéries naturais e das condições de funcionamento do enrocamento, principalmente as decorrentes das alternâncias de molhagem e secagem do enrocamento, define-se a alterabilidade da rocha. Para caracterizar a alterabilidade de uma rocha ao ser usada como enrocamento, é necessário conhecer muito bem, além do seu atual grau de alteração, todos os efeitos que poderão ser sofridos por essa rocha ao ser submetida às condições ambientais impostas pela obra em que será empregada. O conhecimento dessas condições permitirá a escolha do melhor tipo de ensaio de sanidade entre os descri-

tos no item 7.2.2k. Esses ensaios devem ser precedidos de uma minuciosa caracterização mineralógica, inclusive ao nível microscópico, para avaliar a presença de minerais facilmente decomponíveis quando submetidos ao rigor das ações intempéricas e das variações contínuas artificiais de umidade. b) Elemento filtrante

Como elemento filtrante, o material pétreo pode ser utilizado através do cascalho ou do agregado graúdo proveniente da cominuição do material desmontado de uma pedreira. Em ambos os casos, são aplicáveis as mesmas exigências citadas para o uso em enrocamento, embora algumas considerações se façam necessárias, em função dos seguintes aspectos diferenciados: • enquanto no enrocamento os fragmentos podem ultrapassar os 250 mm de diâmetro máximo, como elemento filtrante esse diâmetro varia entre 25 e 100 mm; • pelo menor tamanho dos fragmentos, podem ser utilizados seixos arredondados (cascalho) como elemento filtrante; • as pressões de confinamento são maiores na zona intermediária do maciço enrocado, onde se situa a zona filtrante; • a zona filtrante não está sujeita às variações de umidade impostas ao talude de montante de um enrocamento; • quando utilizado o cascalho como elemento filtrante, o quartzo que constitui os seus seixos apresenta

280

1

Geologia de Barragens

maior resistência mecânica e à alte-

material grosseiro constituinte das faces

ração do que qualquer outro tipo de material pétreo. Nota-se, assim, que apenas um fator

de montante e jusante dessa barragem. Logo, a curva granulométrica da zona filtrante deve situar-se rigorosamente entre as curvas granulométricas do material

atua mais desfavoravelmente na zona filtrante em relação ao restante do en-

grosseiro e do material mais fino que lhe servem de contato imediato. A Fig. 9.3

rocamento, que é a pressão confinante, a qual poderá reduzir o ângulo de atrito interno desses materiais . Todavia, essa

mostra como devem situar-se essas curvas granulométricas.

c) Agregado graúdo para concreto

diminuição teria reduzida influência na estabilidade da zona filtrante , pelo fato

Como agregado graúdo a ser utilizado

de esta se achar protegida contra ruptura por cisalhamento, pelo envolvimento do

no concreto, o material pétreo está sujeito a maiores exigências do que nas utili-

enrocamento restante. Deve-se levar em

zações já descritas. Em princípio, essas

conta também que a redução do tamanho das partículas aumentaria o ângulo de atrito interno, como mostrado na Fig. 9.2,

exigências podem ser agrupadas em três classes de propriedades : físicas, mecânicas e químicas . O Quadro 9.1 relaciona as

o que compensaria a sua redução pelo au-

propriedades de cada uma dessas classes,

mento da pressão confinante. Esse fator é ainda mais positivo quando o cascalho

bem como a norma da ABNT que regula essas propriedades, conforme já descrito

é utilizado na zona filtrante, em função do arredondamento de seus seixos. Fi-

no item 7.2.

Propriedades físicas

nalmente, esse fator deve ser considerado positivo com relação à alterabilidade do

Petrografia

material rochoso, pois na zona filtrante é menor a variação de umidade, fator este

O estudo petrográfico inclui dois diferentes aspectos: constituição mine-

mais significativo se o cascalho for uti-

ralógica e estrutura. Na constituição

lizado nessa zona. Assim, as exigências mencionadas para enrocamento poderão ser um pouco minimizadas para a sua

mineralógica, devem-se observar os seguintes aspectos: composição mineralógica (minerais essenciais, secundários e suas devidas proporções); textura (forma e arranjo dos minerais); planos de fraqueza (clivagem e microfissuração); e estado de alteração. A composição mineralógica é muito importante por três razões: cada mineral possui uma resistência mecânica diferente; alguns minerais apresentam elevada alterabilidade, ao contrário de outros; alguns minerais, chamados de de-

zona filtrante. Deve-se, contudo, observar uma exigência específica para a zona filtrante , que é a granulometria. O elemento filtrante (agregado graúdo ou cascalho) ficará localizado entre um material mais fino situado no núcleo da barragem - que geralmente inclui um material arenoargiloso e um agregado fino (areia) - , e um

9 - Materiais naturais de construção 1 281

Tamanho das peneiras 200 100 100 ~ ~

50

16

6 ~--

30

6"

3/8" 3/4" 1 ½" 3"

4

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12" 24 "

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80 lJ1 (l)

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1,0

5

10

Tamanho das partículas - polegadas - - Material arena-argiloso - - Agregado miúdo FIG. 9 .3

- - - Agregado graúdo - - - Enrocamento

Dimensionamento da curva granulom ét rica da zo na filt rante (agregado graúdo ou cascalho) em uma barrage m de enrocamento

letérios, podem interagir com os fatores

QUADRO 9 .1

climáticos ou com substâncias presentes no cimento, com risco de deterioração do

Propriedades do agregado graúdo para concreto

Propri edade

Norma ABNT

concreto. A forma e o arranjo dos minerais

Petrografia

podem influir na resist ência do concreto,

Granu lometria Massa específi ca, absorção e porosidad e Forma Abrasão Mecânicas Esmagamento Reatividade Qu ímicas Sais solúveis Alterabil idade

NBR 7389 NBR 7217

quando a grande maioria dos minerais possui forma alongada e dispõe-se arranjada em uma mesma direção. Os planos de fraqueza podem comprometer seriamente

a resistência do concreto, quando tais planos se dispõem em uma determinada posição no interior da massa rochosa. Finalmente, a alteração de alguns minerais

Classe

Físicas

NBR 6458 NBR 7809 NBR NM 51 NBR 9938 NBR 15577-4 NBR 991 7 NBR 12696

reduz a resistência do agregado, influindo

específicos. Na macroescala, observações

decisivamente na própria resistência do

visuais da rocha, auxiliadas com o uso

concreto.

do canivete, da lupa e, eventualmente, de

O estudo de todas essas características

mineralógicas

deve

abranger

ácido clorídico, já proporcionam uma boa

a

informação sobre essas características. Na

macroescala, a microescala e, eventual-

microescala, utilizam-se os recursos da

mente, ser complementado por ensaios

microscopia ótica em lâminas delgadas da

282

1

Geologia de Barragen s

rocha. Se restar alguma dúvida, pode-se ainda recorrer a ensaios como o raio X e às análises térmica diferencial e química. Com relação às estruturas, devem-se observar as orientações mineralógicas que conferem à rocha formas tabulares, sejam consequentes da estratificação ou da xistosidade. Tais estruturas constituem planos de fraqueza no agregado graúdo, além de influenciar sua forma, como será discutido mais adiante.

entre a massa das partículas sólida (M) e o volume aparente da rocha (Va), ou seja: M 3 Pa =-(g / cm ) Va

A porosidade exprime a relação entre o volume de vazios (Vv) e o volume aparente da rocha (Va), expressa em porcentagem, ou seja:

Granulometria No item 9.2.2a foi mencionado que o agregado graúdo utilizado no concreto possui granulometria variável desde 9,5 mm até 25,0 mm. Dentro dessa variação granulométrica, há a possibilidade de utilizar um agregado uniforme,

A absorção (aA) representa a capacidade da rocha em absorver e reter água nos seus poros, e é obtida pela diferença entre o peso da rocha saturada (M2) e o peso da rocha seca (M1), relacionada ao peso da rocha seca (M1), sendo expressa em percentagem, como segue:

com estreita variação granulométrica, ou um agregado heterogêneo, com larga variação granulométrica. Essa última alternativa deve ser a escolhida, pois uma granulometria variada reduz o índice de vazios, aumentando a compacidade do concreto e sua consequente resistência, além de representar uma economia de cimento. A análise granulométrica descrita no item 7.2.la permite definir a melhor gradação para esses agregados .

Os ensaios para definição dessas propriedades foram descritos no item 7.2.2. É importante ressaltar que a densidade influi diretamente na resistência da rocha, razão pela qual as rochas mais densas são mais recomendáveis como agregado para concreto. Nesse aspecto, as rochas ígneas

Massa específica, porosidade e absorção

mais alcalinas (2,9 < Pa < 3,5 g/cm 3) propiciam melhores agregados que as ácidas

A relação entre a massa dos minerais e o volume que ocupam em uma rocha definirá a massa específica real, ou absoluta, conceito de pouca aplicabilidade prática, pois considera que a rocha não possui vazios. Assim, emprega-se na prática o conceito de massa específica aparente (pa), ou densidade, que exprime a relação

(2,6 < Pa < 2,8 g/cm 3). Por outro lado, deve-se observar que as primeiras possuem minerais com maior potencialidade de alteração e, quando isso ocorre, reduz a densidade da rocha e, consequentemente sua resistência. Como a porosidade é inversamente proporcional à densidade, rochas com elevada

9 - Materiais naturais de construção 1 283

porosidade devem ser evitadas no emprego para concreto, pois propiciam maior absorção d'água e de cimento na confecção do concreto. Em geral, a porosidade das rochas ígneas varia entre 0,4% e 0,8%, propiciando absorções entre 0,1% e 0,4%, o que é plenamente aceitável para uso no concreto. Esses números podem ser muito aumentados se a rocha encontrar-se alterada, quando então se deve evitá-la para uso no concreto. As rochas sedimentares, como o calcário, podem apresentar porosidade muito variável, o que resultará em elevadas absorções d'água e perda de resistência do agregado. Obviamente essa situação mudará sensivelmente se o calcário encontrar-se metamorfizado.

de números (Tab. 9.2) e graficamente (Fig. 9.5). TAB. 9.2

Relações entre as dimensões B/A

C/B

Classificação da forma

> 0,5

> 0,5

Cúbica

< 0,5

> 0,5

Alongada

> 0,5

< 0,5

Lamelar

< 0,5

Alongada-lamelar

< 0,5

1,0

o ~

mais simples de classificar os fragmentos com relação à forma é avaliar as dimensões médias do seu comprimento, altura e largura (Fig. 9.4). As relações B/ A e C/ B permitem classificar a forma dos agregados por meio

FrG. 9.4

graúdo

Dimensões de um fragmento de agregado

(â Cúbica

Lamelar

0,5

Forma Quando a rocha é fragmentada para formar o agregado graúdo, seus fragmentos podem assumir formas e dimensões variadas, em função da textura dos minerais e da estrutura da rocha. A maneira

Classificação da forma dos agregados

o o

~

~

Alongada

Alongada-lamelar

0,5

1,0

C/8

FIG. 9.5 Esquema gráfico das formas dos agregados Fonte: modificado de Frazão (2002).

As rochas maciças, como as ígneas, tendem a apresentar fragmentos com forma próxima à cúbica, e as rochas estratificadas ou bandadas, como alguns gnaisses, xistos, quartzitos, ardósias e alguns arenitos, tendem a formar agregados lamelares ou alongados. O tamanho do agregado também influi em sua forma; assim, mesmo as rochas maciças tendem a apresentar formas lamelares e alongadas com a diminuição do fragmento produzido.

284 1 Geologia de Barragens

Pode-se ainda utilizar para essa classificação o índice de forma, que expressa a relação comprimento/espessura do fragmento. Se esse índice for próximo de 1,0, considera-se o fragmento como cúbico; caso contrário, o fragmento tende a ser achatado. Para uso como agregado no concreto, a forma cúbica é a recomendada, pois dará uma maior uniformidade à resistência do concreto. Formas lamelares ou alongadas podem formar planos de fraqueza, reduzindo assim a resistência do concreto.

Propriedades mecânicas

Abrasão A abrasividade é a propriedade que uma rocha possui de resistir à remoção progressiva de constituintes de sua superfície quando em contato com outros materiais . No concreto, o agregado graúdo geralmente fica bem protegido contra a abrasão ou o desgaste que esses contatos podem favorecer; porém, o contato contínuo, por exemplo, causado pela passagem de materiais de natureza variada, carreados pelas águas que vertem sobre uma estrutura de concreto (vertedouro), pode expor esses agregados e promover eventuais riscos de abrasão e desgaste. Assim, recomenda-se a realização de ensaios "Los Angeles" na rocha que fornecerá agregados para uma barragem, conforme descrito no item 7.2.2j, devendo ser evitados os agregados que propiciem perdas superiores a 50% nesses ensaios.

Esmagamento A resistência à compressão de um concreto não armado dependerá basicamente

da resistência dos fragmentos rochosos, ou agregados graúdos, que o constituem. Como a rocha atua em fragmentos, será inócuo realizar o ensaio de compressão na própria rocha, pois os resultados não refletiriam o comportamento dos fragmentos que seriam utilizados no concreto. Assim, considerou-se mais representativo, em termos de resistência desses agregados, definir a porcentagem de material desagregado quando um certo volume de agregado fosse solicitado por um esforço compressivo. Daí a padronização do ensaio de esmagamento, descrito no item 7.2.2d, para definir essa resistência. Para uso como agregado graúdo no concreto, recomenda-se que a rocha possua uma porcentagem de esmagamento inferio_r a 30%.

Propriedades químicas

Reatividade Reatividade química é a propriedade apresentada por alguns minerais de reagir com certas substâncias do meio que os envolve. A maior parte das reações que ocorrem entre esses minerais, quando presentes no agregado, e o cimento são deletérias, podendo causar inúmeros prejuízos ao concreto. Como essas reações sempre envolvem substâncias alcalinas do cimento, são denominadas reações álcali-agregados (RAA), e os tipos mais frequentes são: reação álcali-sílica, reaçã álcali-silicato e reação álcali-carbonato. A reação álcali-sílica ocorre quana um agregado que contém minerais deletér ios à base de sílica livre entra e contato com cimento com teor de álc.,__lis superior a 0,6% de Na 2 0 . Essa reaÇ forma silicatos alcalinos com grane:::

9 - Materiais naturais de construção 1 285

volume molecular, o que pode provocar expansões significativas no interior do concreto, com possibilidade de causar sua ruptura ou deformar estruturas metálicas que estejam em seu contato. A sílica nem sempre se apresenta potencialmente ativa, o que depende do grau de cristalização em que se formou . Assim, enquanto o quartzo, formado a menores profundidades, não é reativo, outras formas cristalizadas a altas temperaturas, como a tridimita e a cristobalita, são geralmente reativas . Outras formas de sílica que não apresentam nenhum grau de cristalização identificável, como a opala e a calcedônia, são também passíveis de apresentar essas reações expansivas. Para evitar tais reações, deve-se usar uma das seguintes alternativas: • evitar rochas que contenham minerais reativos; • utilizar cimento com menos de 0,6% de álcalis; • utilizar pozolanas, que são materiais inibidores da reação. Os ensaios de reatividade química potencial descritos no item 7.2.21 são importantes para caracterizar a presença desses minerais reativos, pois já são conhecidos inúmeros casos de deterioração do concreto em barragens brasileiras, como na hidrelétrica de Moxotó, no rio São Francisco, onde a expansão do concreto ovalizou uma seção circular do túnel de acesso às turbinas , danificando as hélices desse mecanismo. Também a barragem de Tapacurá, para controle de enchentes em Pernambuco, acusou deterioração do concreto em vários blocos da

barragem principal. Esse tipo de deterioração tem sido vulgarmente denominado "osteoporose do concreto", por analogia à patologia que acomete os ossos humanos. A reação álcali-silicato é causada por minerais silicáticos encontrados em rochas metamórficas, como gnaisses, granulitos e quartzitos, e em rochas ígneas, como o granito. São reações mais lentas e mais complexas que as álcali-sílicas, e são responsáveis pela deterioração do concreto, porém sem provocar expansões que possam causar sua ruptura. As formas de detecção e prevenção são as mesmas citadas para a reação álcali-sílica. A reação álcali-carbonato somente ocorre quando os álcalis do cimento entram em contato com agregados de calcário contendo dolomita, por menor que seja a participação desse mineral. Essas reações são muito expansivas, razão pela qual representam grande risco para o concreto. As maiores expansões ocorrem quando a calcita e a dolomita se encontram na mesma proporção. Nesse caso, não adianta usar a pozolana, mas apenas reduzir o teor de álcalis do cimento. O uso do calcário como agregado deve, portanto, ser precedido de uma análise química para determinar a presença da dolomita. Sais solúveis

Alguns minerais presentes nos agregados podem liberar sais quando em presença de água, os quais podem promover mudanças na pega e no endurecimento do cimento, além de provocar a deterioração do concreto. Essa deterioração pode ocorrer por meio de reações indesejáveis com o cimento e por ataque às ferragens

286

1

Geologia de Barragens

do cimento. Os principais compostos res-

ocorrido a reação entre o sulfato da pirita

ponsáveis pela formação desses sais são: chumbo, zinco, óxidos de ferro, sulfetos,

e os carbonatos existentes na própria rocha. Tal fato levou a desconsiderar as al-

sulfatos e cloretos. Sais de chumbo e de zinco solúveis retardam a pega. Os com-

ternativas de barragens de enrocamento com face de concreto e de concreto com-

postos ferrosos podem provocar variação volumétrica excessiva, enquanto os férri-

pactado, que foram desenvolvidas como

cos reagem com a cal, mas sem produzir efeitos prejudicais. Sulfetos como a pirita e a marcassita provocam expansões, principalmente na ocorrência de umidade e temperatura elevadas. Esses sulfetos também podem, em meio de alta alcalinidade, produzir o ácido sulfídrico, que ataca o aço das armaduras, tornando-o frágil. O sulfato ferroso se decompõe em hidróxido, que reage com a alumina do cimento, causando reações expansivas com deterioração do concreto. Os cloretos provocam alteração na pega e na veloci-

mais viáveis nessa fase de pesquisa, para optar por barragem de terra, cujo projeto foi desenvolvido na fase de projeto básico e levado à construção em seguida. Essa mudança evitou sérios problemas futuros, caso fosse desenvolvida uma das alternativas pré-selecionadas na viabilidade, pois certamente os carbonatos do cimento reagiriam com o sulfato do agregado, provocando a deterioração do concreto. Para evitar a presença de sais indesejáveis, torna-se necessária uma pesquisa micropetrográfica muito detalhada, como anteriormente descrita.

dade de endurecimento, mas não reagem com os componentes do cimento, razão pela qual não provocam degradação do concreto. Todavia, esses cloretos podem atacar a ferragem do concreto armado, o

Alterabilidade A alterabilidade, definida como a potencialidade maior ou menor da rocha em se alterar física ou quimicamente,

que reduz a seção do aço e provoca expan-

já foi abordada no item 9.2.3a, com re-

sões localizadas no concreto. Uma das evidências da presença de

lação ao enrocamento, inclusive com a indicação dos ensaios necessários à sua

sais no concreto é o surgimento de eflorescências dos seguintes tipos: carbonato de cálcio, sulfato de cálcio e carbonatos

determinação. Para os agregados graúdos para concreto, são válidas todas as consideraçõe_

e sulfatos alcalinos. Um exemplo desse

ali feitas, pois à medida que a rocha

tipo de eflorescência ocorreu na barragem de Irapé (MG). Ao final da fase de viabi-

altera, vai perdendo resistência mecinica, o que, consequentemente, reduz .;;.

Sê

lidade, foram constatadas eflorescências

resistência do próprio concreto. Como re-

sobre os testemunhos de sondagens, cuja

ferência de sanidade do agregado graúc.

análise revelou tratar-se de sulfato de cálcio. Ocorre que a rocha das fundações, onde foram executadas essas sondagens,

para concreto, recomenda-se rejeitar agre gados que propiciem perdas maiores q :: 10% em peso no teste de sanidade co-

era um micaxisto contendo pirita, daí ter

sulfato de sódio.

9 - Materiais naturais de construção

9. 2.4 Apresentação dos resultados Deve-se concluir a pesquisa de ma-erial pétreo com a apresentação dos resultados obtidos, de forma a fornecer as informações necessárias para que o pro;etista avalie as possibilidades técnicas e econômicas de utilização dos materiais pesquisados. Assim, o texto técnico deve incluir um resumo dos resultados médios de cada local estudado, seja pedreira ou cascalheira, em forma de ficha, e no anexo do relatório apresentar em detalhes os resultados de cada ensaio, por meio de formulários específicos do laboratório. Na Fig. 9.6 apresenta-se um exemplo de uma ficha-resumo para a pesquisa de uma pedreira. Observe-se que o afloramento acha-se esquematizado e amarrado topografica-

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Material Localização Distância do eixo Proprietário Endereço Benfeitorias Tipo de vegetação Area Volume do expurgo Volume utilizável Espes . média utilizável Utilizacão do material Ensaios


OfJ

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e! -o
1

Topografia Escala: 1:500

Resultados

Índice de forma Massa esoecífica real Abra são " Los Angeles" Absorção Esmae:amento Reatividade potencial Sais solúveis Alterabilidade Observações:

1

1 1

1

1

o..

1

FIG. 9.6

287

mente ao eixo barrável. Nas indicações gerais são apresentadas informações que facilitam a análise ambiental, bem como elementos importantes para a negociação com o proprietário do local em que será instalada a pedreira. Nos resultados de ensaios são apresentados valores médios para cada ensaio, uma vez que a rocha sã não apresenta muita variação nesses resultados. Para cascalheira, é necessário apresentar as curvas granulomét ricas de cada jazida estudada, conforme o exemplo apresentado na Fig. 9.7. As características físicas desses materiais devem ser resumidas em quadros, como exemplificado nas Tabs. 9.3 e 9.4. Da mesma forma, para cada cascalheira, os elementos quantitativos devem ser sintetizados em um quadro, como indicado na Tab. 9.5.

Indicações gerais

-o
1

Ficha-resumo para pesquisa de materiais pétreos

1.800 m do V-3 no eixo barrável

288

1

Geologia de Barragens

o o

100

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1

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00 cr,"m· .--N

Diâmetro dos grãos - mm Argila + silte

FIG . 9 .7

Areia fina

Areia média

Areia grossa

Pedregulho grosso

Pedregulho fino

sues

Curvas granulométricas de uma cascalheira (projeto do autor)

TAB. 9.3 Características físicas da cascalheira da Fig. 9.7 Granulometria em % (Sues)

Amostragem Tipo

Poço com 2,0m x1, 5m

Nº

Prof.

Pedregulho

Areia

Si lte + Argil a

Fina

Méd ia 4

01

0-30

6

13

02

0-40

4

6

Grossa

Class ificação

sues

Fino

Grosso

5

17

55

GM

2

25

62

GW

03

0-40

4

10

3

9

31

43

GW

04

0-50

2

5

2

4

30

57

GW

05

0-40

6

9

3

21

56

GM

9.3 MATERIAL ARENOSO 9.3.1 Utilização do material arenoso O material arenoso pode ser utilizado de duas formas em uma barragem: como

elemento filtrante e como agregado miúdo no concreto. Como elemento filtrante, esse material pode ser utilizado como transição entre um núcleo argiloso e frações grosseiras (brita e enrocamento) ou como filtro em barragem de terra homogênea (Fig.1.3a-c-d). Como agregado miúdo

9 - Materiais naturais de construção

1

289

TAB. 9.4 Características do material grosseiro da cascalheira representada na Fig. 9.7 Amostragem

Nº

Tipo

Material retido na peneira de 2"

% do

Prof.

Peso esp. g/cm 3

total

Real

Apar.

Absor.

%

L. ang. %

Sanid.

%

Reat. Pot.

01 0,30 47 2,60 1,18 1,0 9,4 45 Inócuo 02 0,40 52 2,65 1,1 8 0,6 8,7 45 lnocuo Poço com 03 0,40 40 2,62 1,232 0,8 40 9,0 Inócuo 2,0 m x 1,5 m - - - - - - - - - - - - - - - - -- -- - - - - - - - - - - - - 04 0,50 2,65 1, 20 45 0,3 38 Inócuo 0,40 2,64 1,18 0,4 05 8,0 44 35 Inócuo

TAB. 9.5 Elementos quantitativos da

um processo de beneficiamento do material pétreo, serão analisadas aqui apenas

cascalheira da Fig. 9.7 Descrição

Unidade

Quantidade

as características de pesquisa e explotação

Área total

m2

675.200

da areia natural. Assim, serão abordadas as

Profundidade média

m

0,40

duas situações diferentes em que esse ma-

Volume total

m3

270.080

Percentagem média > 2"

%

44,27

Volume de agregado com <j>> 2"

m3

119.572

terial pode ser encontrado: como depósito aluvial e como solo de alteração do arenito.

a) Depósito aluvial A areia resultante da deposição ao longo dos cursos d'água pode aparecer

constitui a parte fina a ser misturada com

de duas formas: emersa e submersa. De

o cimento e o agregado graúdo na confec-

forma emersa, esses depósitos aparecem

ção do concreto. Em ambos os casos, esse

como bancos de areia nas margens dos

material pode ter uma origem natural ou

rios ou nas bacias de inundação, enquanto

artificial. Na sua forma natural, resulta

os depósitos submersos localizam-se no

da deposição aluvionar nos cursos d'água,

fundo desses cursos d'água.

podendo seus depósitos estar emersos

A pesquisa, a exemplo do mencionado

ou submersos nesses corpos d' água, e

para os materiais pétreos, deve-se iniciar

também pode ser encontrado como ma-

com a localização desses depósitos, bem

terial de alteração in situ de arenitos. Na

como sempre levar em conta os fatores

forma artificial, esse material resulta da

distância da obra e impactos ambientais.

cominuição da rocha, quando as frações

No que se refere às condições de explora-

mais finas possuem uma granulometria

bilidade, devem-se priorizar, sempre que

que pode ser classificada como areia.

possível, os depósitos emersos, pois dis-

9.3.2 Pesquisa, explotação e beneficiamento do material arenoso Uma vez que a areia artificial resulta de

pensariam a utilização de bombas para a sua retirada. Como os volumes de cada areal geralmente são insuficientes para atender às necessidades da obra, é sempre necessário pesquisar mais de uma jazida

290

1

Geologia de Barragens

até que o volume pesquisado total corresponda a 1,5 vez o volume previsto para a obra. A pesquisa é feita com a utilização de varejão, como descrito em 6.3.1, seja ao longo das areias marginais ou por meio de barco, para as areias submersas. A explotação é feita de forma diferente para esses dois tipos de depósitos. Nas areias aflorantes, a escavação é feita de forma manual ou mecanizada, desde que o nível freático possibilite escavações com tais equipamentos. Pode-se, ainda, proceder ao rebaixamento desse nível por meio de poços tubulares, se a potencialidade da jazida justificar esse oneroso método exploratório. Para as jazidas submersas, a sua extração será feita por meio de bombas de sucção apropriadas para succionar uma mistura de areia com água. Com relação ao benefzciamento, o único tratamento aplicado aos materiais arenosos aluviais é a eventual seleção granulométrica, no caso de a areia estar impregnada de finos (silte e argila), o que raramente acontece, já que a sua própria sedimentação é um processo seletivo natural, quando a velocidade de escoamento das águas é insuficiente para continuar transportando seus grãos, mas suficiente para continuar transportando o material mais fino.

b) Solo de alteração de arenito Inúmeras regiões brasileiras possuem extensas áreas sedimentares que incluem a ocorrência de arenitos. Quando essas rochas se alteram, sofrem desagregação de seus grãos, formando depósitos autóctones de areia que podem funcionar como excelentes jazidas desse tipo de material.

Assim, a pesquisa é iniciada pela investigação geológica de áreas sedimentares, preferencialmente naquelas em que já é conhecida a presença de arenitos. Por meio de uma malha de furos a trado, complementada com poços de inspeção, pode-se detectar a espessura da zona de alteração, bem como a eventual presença de solos alóctones de cobertura, geralmente coluvionares. Esse tipo de pesquisa permite não apenas cubar o volume da jazida pesquisada, como também coletar amostras para análises laboratoriais. A explotação desse tipo de jazida depende da topografia envolvida. Se a ocorrência encontrar-se a meia encosta, será aberta uma frente de escavação que avançará no sentido da inclinação do terreno, produzindo uma superfície escavada (Fig. 9.8). Caso a topografia local tenda para uma superfície aplainada, a escavação será feita em cava (Fig. 9.9). Nessas explotações, deve-se assegurar a total estabilidade dos taludes de escavação, levando-se em conta as diferenças na resistência dos seguintes materiais: colúvio arenoargiloso, areia, saprólito e arenito são. Alguns arenitos foram sedimentados em ambientes de grande variação de competência do agente transportador, propiciando a intercalação de pelitos nessa rocha, representados por lentes de siltitos e de argilitos, como ocorre com o Grupo Mata da Corda, no Estado de Minas Gerais. Nesses casos, é necessário um processo de benefzciamento que consiste na seleção granulométrica do material escavado para separar as frações grosseiras das finas.

9 - Materiais naturais de construção

1 291

.. ··· Arenito são

FIG. 9.8

Explota ção de areia a meia encosta

FIG. 9.9

Explotação em cava de areia resultante da alteração de arenito (projeto do autor)

9.3.3 Caracterização do material arenoso A caracterização do material arenoso não difere muito em função da forma em que esse material é utilizado em uma barragem, nem em função de sua origem, se natural ou artificial. Assim, serão anali-

sadas as propriedades físicas e químicas necessárias a esse material, destacando-se, quando for o caso, as especificidades do uso e origem.

a) Granulometria Como elemento filtrante, a curva granulométrica do material arenoso deve

292

1 Geologia de Barragens

situar-se rigorosamente entre o material mais fino, geralmente arenoargiloso, e o material mais grosseiro (brita ou agre-

variação possível dentro dos limites recomendados, de forma a enquadrar a areia no tipo SW da classificação unificada (SUCS). Para tanto, o coefzciente de unifor-

gado graúdo), como mostrado na Fig. 9.3. Para utilização no concreto, o ma-

midade (CU), que expressa a relação entre

terial arenoso deve satisfazer três condições: limites de granulometria, gra-

as granulometrias passantes a 60%, denominada D 60 , e a 10%, denominada D10 ,

dação e diâmetro dos grãos. Os limites de

conforme indicado na Fig. 9.10, deve ser superior a 6. O diâmetro dos grãos é definido pelo módulo de fznura (MF). Esse módulo é

granulometria definem as frações que são

indesejáveis para uso no concreto, sejam muito grosseiras ou muito finas. Embora a ABNT não estabeleça esses limites,

obtido pela soma dos percentuais reti-

é comum usar a delimitação recomendada pela ASTM (Fig. 9.10). A gradação

dos nas peneiras com aberturas 19 mm, 9,5 mm, 4,8 mm, 2,4 mm, 1,2 mm,

refere-se à variação granulométrica mais satisfatória, que é a que inclui a maior

0,6 mm, 0,3 mm e 0,15 mm, dividida por 100, e permite classificar as areias em

100

Peneiras

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Limites da gradação

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100

LC\• ,.- N

D60

Diâmetro dos grãos - mm Argila + Silte

Areia fina

Areia média

Areia grossa

Pedregulho Fino

Pedregulho Grosso

Sues

FIG . 9 . 10 Limites da curva granulométrica para areia a ser usada no concreto, recomendados pela ASTM

9 - Materiais naturais de construção 1 293

grossa (MF > 3,9), média (3,9 > MF > 2,4)

fi na (MF < 2,4). A areia mais recomendada para concreto é a de granulação média, tendo a ASTM recomendado como ideal para concreto estrutural a areia que tem um MF em torno de 2,75 . No Brasil, e

não há recomendação específica para esse módulo, porém, evita-se utilizar areias com MF < 2,4 por exigirem maior volume de cimento.

b) Impurezas orgânicas A matéria orgânica presente nos materiais arenosos é constituída principalmente de ácidos húmicos resultantes da decomposição de vegetais, razão pela qual praticamente inexiste nas areias artificiais . Quando em presença do cimento, esses ácidos combinam-se com o hidróxido de cálcio liberado na hidratação, baixando o pH e dificultando as hidratações subsequentes. Essa ação retarda a pega e o endurecimento do concreto, reduzindo sua resistência. O ensaio para a determinação das impurezas orgânicas, normatizado pela NBR NM 49 da ABNT, acha-se descrito no item 7.2.le.

c) Materiais pulverulentos Os particulados considerados como pulverulentos incluem o silte (0,002 mm 0,074 mm) e a argila (< 0,002 mm). Quando presentes na areia, esses materiais aumentam a quantidade de água de amassamento, influindo na trabalhabilidade e na resistência do concreto. A pior situação ocorre quando esse material é constituído por argila, pois revestirá os grãos de areia, impedindo a cristalização regular e homogênea dos compostos do

cimento sobre esses grãos. Se as argilas forem expansivas, podem reduzir a resistência à compressão uniaxial do concreto em até 30%. Quando o material pulverulento é o silte, embora em geral prejudique o concreto, pode apresentar uma função benéfica ao corrigir a granulometria da areia no concreto. Se o material pulverulento for originado do calcário, terá sempre uma função benéfica no concreto, pois aumenta a tensão da ruptura na compressão em até 10%, desde que o pó não represente mais que 7% em relação ao peso do cimento. As areias artificiais são mais problemáticas com relação a materiais pulverulentos, pois muitos dos minerais facilmente decomponíveis podem já apre sentar a argila como produto final dessa alteração. A norma da ABNT que regula a presença de materiais pulverulentos na areia é a NBR 7219 da ABNT. Essa norma não especifica limite para a presença de materiais pulverulentos, mas as normas internacionais geralmente o fazem , a exemplo da ASTM, que limita em 3% a presença desses materiais para concretos sujeitos a desgaste.

d) Minerais reativos Para agregado miúdo (areia) são válidas as mesmas considerações feitas para o agregado graúdo usado no concreto, com relação a minerais reativos (item 9.2 .3c). Os minerais deletérios que podem reagir com os álcalis do cimento podem estar presentes na areia, seja como sílica livre nas areias naturais, seja como silicatos nas areias artificiais. Assim, quando recomendados para os agregados

294

1

Geologia de Barragens

graúdos, recomenda-se fazer para esses materiais os mesmos ensaios descritos no item 9.2.3c.

e) Sais solúveis Em princípio, a presença de sais solúveis nos materiais arenosos constitui problema somente para as areias artificiais, quando nestas eventualmente há minerais que, ao serem atacados pela

9 .3 .4 Apresentação dos resultados Deve-se concluir a pesquisa de material arenoso com a apresentação sintética dos resultados obtidos, por meio de uma ficha, complementada por um anexo com os resultados detalhados. A ficha-resumo deve conter, a exemplo do que foi apre-

água, propiciam a formação desses sais. Há, contudo, uma possibilidade de areias

sentado para os materiais pétreos, uma síntese das condições locais, incluindo sua demarcação topográfica, complemen-

quartzosas apresentarem esse risco em climas áridos e semiáridos, quando é

tada pelo resumo das suas características geotécnicas médias. A Fig. 9.11 mostra

frequente a presença de águas pouco sa-

um exemplo dessa ficha-resumo. É im-

linizadas em rios e córregos na época de estiagem, como ocorre no nordeste do Brasil. Ao serem evaporadas, essas águas

portante apresentar também as curvas granulométricas das amostras coletadas.

deixam as aluviões ricas em sais precipitados, originando o que popularmente se denomina de "areia salgada". O uso dessas areias pode comprometer a integridade do concreto nas obras de barramento executadas nesses cursos d'água, daí ser

9.4 MATE RIAL TERROSO 9 .4 .1 Tipos de m at eriais t errosos e suas aplicações

recomendável, nas regiões sujeitas a tais climas, proceder a análises químicas das

Os materiais denominados terrosos podem ser agrupados em duas classes: com a participação da fração arenosa e

areias aluvionares antes de empregá-las no concreto.

sem essa participação. A primeira classe inclui os materiais arenossiltosos classi-

f) Alterabilidade A alterabilidade do material arenoso

somente constitui problema quando se usa a areia artificial, pois alguns minerais existentes nessa areia podem apresentar elevada alterabilidade, o que não ocorre com as areias aluvionares, cujo principal constituinte é o quartzo, mineral altamente resistente à alteração química.

ficados como SM pelo sues, os materiais arenoargilosos classificados como se pelo sues e os materiais areno-siltoargilosos classificados como SM-Se pelo sues. A segunda classe inclui os siltes, que podem ser de baixa plasticidade (ML pelo SUeS) ou de alta plasticidade (MH pelo SUeS); e as argilas, que também podem ser de baixa plasticidade (eL pelo sues) ou de alta plasticidade (eH pelo sues). Em princípio, as jazidas de materiais terrosos podem ter uma origem autóctone

9 - Materiai s natu rais de construção 1 295

-

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Material "t:ocalização Distância do eixo Proprietário ~ er. d~roQrietário Benfeitorias Tipo de vegetação Área Volume do expurgo Volume utilizável Espes. média utilizável ,_!Jtilização do material Ensaios

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Indicações gerais

Massa específica real Coefic. de uniformidade Módulo de finura Classifica_ção SUCS Teor de Mat. ore:ânica Materiais pulveru lentos Reatividade potencial Sais solúveis Observações:

1

Topografia Escala: 1 :2.500

1

1

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1 j,

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1

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j

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Resultados

-

1

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FIG . 9.11 Ficha-resumo para a pesquisa de areal

ou alóctone. Nas jazidas de origem autóctone, esse material resulta da alteração in situ de qualquer tipo de rocha, enquanto nas de origem alóctone, esses materiais

alóctones, apresentam textura relacionada ao agente transportador. Quando esse agente é a força da gravidade, os colúvios formados apresentam textura muito

são depositados pelos rios em suas bacias de inundação, ou pelo efeito da gravidade,

variada, em função da distância de trans-

ao longo de encostas, na forma de colúvios. Os materiais autóctones apresentam

Quando esse agente é a água, ocorre uma seleção granulométrica natural, deposi-

textura compatível com as rochas que lhes deram origem. Assim, uma rocha

tando materiais de textura homogênea e com granulações diferentes, em função da

ácida, como o granito, apresenta cristais

distância do fluxo principal do rio. Dessa

de quartzo que resistem à intemperização e que vão formar os grãos de areia no

forma, são originados a partir do rio, em direção à bacia de inundação, depósitos de

solo resultante da decomposição química dessa rocha, formando solos com forte

areia, silte e argila. Os materiais com participação arenosa

participação arenosa. Já as rochas básicas, como o basalto, por não possuírem quartzo, apresentam como produto final

são geralmente utilizados na construção de barragens de terra homogênea, por apresentarem maior estabilidade em seus

de sua intemperização finos constituídos por silte e argila. Quanto aos materiais

taludes, enquanto os materiais sem par-

porte e do tipo de material transportado.

ticipação arenosa são empregados como

296

1 Geologia de Barragens

núcleos de barragens de terra zonada ou de enrocamento. Esses materiais oferecem menor estabilidade de seus taludes, porém possuem baixa permeabilidade.

9.4.2 Pesquisa e explotação dos materiais terrosos a) Pesquisa A exemplo do que foi exposto para os materiais pétreos e arenosos, a pesquisa de materiais terrosos deve priorizar os seguintes aspectos: localização, condições de explorabilidade, forma de pesquisa, volume disponível e características do material. A localização deve considerar o custo do transporte e os impactos ambientais como parâmetros imprescindíveis. No caso de materiais terrosos, os impactos diferem dos materiais pétreos, pois são quantitativamente maiores, porém qualitativamente menores. Isso porque, como os solos variam muito em profundidade, geralmente é necessário explotar uma jazida com pequena profundidade (em torno de 3 m), o que acaba por exigir uma extensa área de escavação, ao contrário de uma pedreira. Todavia, pela facilidade em recuperar uma área em solo, torna-se mais fácil minimizar o impacto produzido. As condições de explorabilidade variam muito com o relevo em que se situará a jazida pesquisada. Nos solos residuais, devem-se priorizar as áreas mais aplainadas, pois, além de facilitar a explotação mecanizada, propiciam melhores condições para a abertura de acessos. Os colúvios, por se situarem ao longo de encostas, somente permitem escolher

aquelas de menor declividade. Quanto às jazidas de material depositado pelos rios, que geralmente atendem mais às necessidades de material fino (silte ou argila), devem-se priorizar as áreas mais afastadas do rio, onde há maior chance de evitar a escavação em presença do nível freático . Qualquer que seja o tipo de jazida a pesquisar, é importante programar a forma dessa pesquisa de acordo com as especificidades de cada local. Em geral, recomenda-se programar uma malha de furos a trado ou com poços, distanciados 100 m entre si. Sugere-se ainda que, num quadrado de 200 m de lado, com furos de trado a cada 100 m, o furo central desse quadrado seja aberto em poço, a fim de permitir uma melhor análise do perfil do solo. Outra prática muito usada é abrir um poço até 3 m de profundidade e, a partir de seu fundo, pesquisar com trado por mais 2 m ou 3 m . Os poços com mais de 2 m de profundidade devem ser escorados com madeira para evitar acidentes com os operários que o estão abrindo. Independentemente do tipo de pesquisa (trado ou poço), as amostras devem ser coletadas a cada metro perfurado, acondicionadas em sacos de 30 kg e encaminhadas ao laboratório para ensaios. Sempre que possível, é recomendável proceder no campo a ensaios de massa específica, conforme descrito no Cap. 7. O volume a pesquisar deve ser sempre equivalente a duas vezes aquele necessário para a obra projetada, o que não significa que todo esse volume seja obtido em uma única jazida, principalmente porque o volume utilizável em cada jazida pode ser bem menor que o pesquisado,

9 - Materiais naturais de construção 1 297

em função dos resultados obtidos nos ensaios laboratoriais. Finalmente, as características do material devem ser conhecidas preliminarmente com as observações tátil-visuais de campo, não apenas com relação às variações na horizontal, mas principalmente na vertical. Isso porque não adianta aprofundar uma pesquisa a partir da constatação de uma mudança radical em profundidade, quando, por exemplo, se passa de um solo maduro para um solo saprolítico e as características deste não atendem às necessidades do projeto. O mesmo ocorre no sentido horizontal, em função da mudança da rocha que deu origem ao solo pesquisado.

b) Explotação Desde que a pesquisa leve em conta as melhores condições de explorabilidade, não deverá constituir qualquer problema a explotação de material terroso de uma jazida, o que geralmente é feito de forma mecanizada, por meio de retroescavadeira, trator, pá-carregadeira etc. Apenas deverão ser levadas em conta as recomendações feitas na pesquisa para essa explotação, de acordo com os resultados obtidos nos ensaios laboratoriais, nos casos em que a jazida apresente variações significativas de materiais, quer na horizontal ou na vertical. Nesses casos, pode haver a necessidade de excluir a escavação de áreas localizadas ou, ainda, de misturar materiais de locais diferentes, a fim de se obter um material mais adequado para os objetivos da construção. Em qualquer tipo de jazida, devem-se considerar as condições de estabilidade

dos taludes, não apenas durante a escavação, mas também com relação aos taludes que serão considerados como finais ao término da explotação, os quais deverão ser tratados (drenagem e proteção vegetal) para minimizar o impacto produzido. Por fim , deve-s e observar a conveniência ou não de explotar jazidas argilosas na bacia de inundação fluvial, caso a pesquisa tenha revelado a presença do nível freático a pequena profundidade.

9.4.3 Caracterização técnica dos materiais terrosos Os materiais terrosos são caracterizados por meio de seus índices físicos e parâmetros de resistência, complementados pelas características de compactação e de per meabilidade. Assim, podem-se indicar os seguintes ensaios laboratoriais a proceder nas amostras coletadas nas jazidas prospectadas: • Análise granulométrica • Limites de consistência (LL e IP) • • •

Umidade natural Peso específico real Densidade máxima seca (Proctor normal)

• Umidade normal)

ótima

(Proctor

•

Permeabilidade

•

Parâmetros de resistência ao cisalhamento (coesão e ângulo de atrito interno)

Para solos puramente argilosos, recomenda-se realizar também o ensaio de adensamento. Todos esses ensaios foram descritos no Cap. 7. Os ensaios de resis-

298 1 Geologia de Barragens

tência ao cisalhamento podem ser feitos pelos métodos de cisalhamento direto ou triaxial, dependendo das especificidades e necessidades de cada projeto. Deve-se considerar nesses ensaios o principal objetivo para o qual será destinado o solo ensaiado. Por exemplo, se

Caso seja utilizado solo saprolítico no aterro barrável, deve-se observar a presença de estruturas reliquiares que podem influir na resistência ao cisalhamento desses solos. Pastore (1992 apud Cruz, 1996) realizou uma pesquisa, reproduzida na Tab. 9.7, em que essa influência é muito nítida, mostrando que os ensaios realizados com aplicação de tensões paralelamente às estruturas reliquiares apresentam resultados de resistência muito inferiores aos ensaios em que essa tensão é aplicada perpendicularmente a essas estruturas.

o solo será empregado no núcleo da barragem, as principais características são a permeabilidade e o adensamento, mas se o solo for empregado nos espaldares da barragem, a principal característica será a resistência ao cisalhamento. Nesse caso, será recomendável definir os parâmetros de resistência para deformações rápidas e lentas, por meio dos ensaios triaxiais descritos no item 7.2.lj. Também é importante definir a variação desses parâmetros em função das

9-4.4 Apresentação dos resultados A pesquisa de materiais terrosos deve ser consubstanciada em um relatório que apresente um resumo de cada jazida estudada, com os resultados detalhados de cada ensaio, incluindo gráficos e desenhos, apresentados em anexo. O resumo deve incluir uma ficha e uma tabela com os resultados dos ensaios . A Fig. 9.12 apre-

tensões que serão aplicadas e da presença ou não da água. Cruz (1996) apresenta valores que mostram essas variações para diferentes tipos de solo, conforme mostrado na Tab. 9.6.

TAB. 9.6 Resistência ao cisalhamento de solos compactados Parâmetros de resistência - Pressões efetivas Não saturados Rocha de origem

Tensões baixas Tensões interm. co kg/cm 2

cf)o

Basalto

Saturados Tensões elevadas

(º)

c' kg/cm 2

cf)' (º)

0,40 a 0,65

35 a 44,5

0,40 a 0,70

24 a 25

O a 0,20

29 a 35

Arenito

0,12 a 0,30

32 a 47

0,10 a 0,50

26 a 31

O a 0,05

Gnaisse

0,26 a 0,36

28 a 41

0,20 a 0,50

26 a 29

0 ,1 5

33

Quartzoxisto Fonte: modificado de Cruz (1996).

Tensões baixas Tensões interm. $e Sat (º)

0,37

0,20 a 0,50

25 a 33

31 a 35

0,37

0,05

33

O a 0,20

29 a 34

0,27

0,27

32

0,15

35

kg/cm

2

cf)'e (º)

c'e Sat kg/cm 2


c'c sat kg/cm 2

CC

(º)

32

9 - Materiais naturais de construção

1

299

TAB. 9 .7 Parâmetros de resistência de solos saprolíticos em função de estruturas

reliquiares Resistência ao cisalhamento direto Rocha de origem

Estrutura reliquiar

Paralelo

Tipo de solo

Perpendicular

c' (kPa)

cD' (º)

c' (kPa)

cD ' (º)

Quartzito Micáceo

Xistosa

Areia micácea

40

22

45

27

M igmatito

Bandada

Si/te arenoso

40

20

52

23

Xisto

Lamelar

Si/te arenoso

78

28

100

28

Fil ito

Lamelar

Si/te

Gnaisse

Bandada

Si/te arenoso

o

18

o

24

45

34

38

35

Fonte: modificado de Cruz (1996).

senta um exemplo de ficha-resumo nos

solos não compatíveis com a necessidade

m esmos moldes apresentados para os ma-

do projeto. A Tab. 9.8 mostra parte dos re-

teriais pétreos e arenosos. Observa-se nesse exemplo que um trecho marginal dessa jazida foi desprezado para a sua explotação, por apresentar

sultados obtidos na pesquisa apresentada na Fig. 9.12, realizada pelo autor em obra do nordeste brasileiro.

TAB . 9.8 Resultados de parte dos ensaios realizados na pesquisa de m ateriais terrosos mostrada na Fig. 9.12 Amostra Furo nº

Prof. (cm ) 0 -50

2

0 -40

3

0-40

4

0 -50

5

0-60

6

0-50

7

0-70

8

0-50

9

0 - 60

10

0 -8 0

11

0-70

12

0-60

Análise Granulométrica Argila (%) 13

Consist.

LL

IP

Umid. Nat.

Silte

Areia

Pedr.

(%)

(%)

(%)

24

61

2

25

5

2,4

18

65

3

24

6

3,1

(%) (%)

21

69

2

26

7

2,7

18

68

2

21

NP

1,8

15

65

12

30

5

3,3

10

58

6

28

5

3,1

16

21

60

3

27

9

3,1

13

18

60

4

26

8

2,9

7

50

7

22

2,7

12

58

5

19

NP NP 7

1,8

4

2,7

8

8

11

22

56

10

25

15

54

3

23

Cisalhamento

Proctor Umid. ót ima

(%)

Dens . máx. (g/cm 3 )

10,2

1,870

Peso Esp. Real (g/cm 3 )

Perm. (cm/s)

Direto e (kg/cm 2 )

Triaxial (()

grau

13

0-50

10

21

62

5

24

4

2,6

0-40

5

12

58

3

24

6

2,5

15

0-80

18

19

60

2

28

8

2,2

16

0 -5 0

12

65

4

22

NP

3,1

17

0-70

7

20

66

7

23

4

1,8

18

0 -50

10

18

58

2

26

8

2,2

19

0-60

11

22

60

4

27

9

1,7

20

0-50

18

60

3

26

7

2,9

( ()

grau

SM-Se

2,62

SM -Se 10,1

1,898

SM-Se

2,63

SM 11,0

1,780

2,59

4,22x10-5

0,29

42

SM -Se SM-Se

10,6

1,815

2,62

eL

9,6

1,833

2,61

SM

9,5

1,908

2,63

se SM

2,2

14

e (kg/cm 2 )

Classif. Sues

2,82x10-5

0, 31

39

SM -Se SM-Se

9,9

1,878

SM-Se

2,63

SM-Se 12,1

1,837

eL

2,62

SM 10,1

1,879

2,62

12,5

1,825

2,60

SM -Se se 8,47x10 -6

0,3 9

43

se SM -Se

9 - Materiais naturais de construção

---

Indicações gerais ---

Material ---

-.,

Ensaio ou determinação

Areia fina e média silt. - arg.

1 Análise granu lométrica (%)

Manoel Isaías

Proprietário

Vila de São Vicente

Endereço Benfeitorias ~

Características físicas e mecânicas

a 1,8 km do marco M.4

Localização

1

-

1

11,0

Silte

20,0

Areias

62,0

-~

7,0

_j

-

~

Arbustiva rala

Área

Média

Argila

Pedregu lho

Cerca de arame ·•

npo de vegetação

1 3 01

Liquidez

Limites de consistência

200.000 m'

25,0 6,0

lnd. de plasticidade

4

~

Volu me de expurgo

13.600 m'

Volu me utilizado ( )

72.000 m 3

3,0

Umidade natural (%) ---

Esp. méd. utilizável M alhas r---

Utilização

0,40 m

-

~

Proctor normal

100x100m

Peso espec. real (glm

Umid . ótima(%)

11,0

3

2,62

)

'-2,36

Permeabilidade k (cmlseg)

Corpo da barragem

Observações:

c =kg . cm'

.8

Direito

e:

"'E "'

- Os furos F. 4, F.9, F. 10, F.16, F.22, F.28, F.29,

1---1

f L

~

F.30, F.31, F.32 e F. 33, foram excluídos da

""Bi

Triaxial

o

área utilizável

C=kg.cm

-

-

I

-

F: :J:J

,1;2~ : ✓ F.$2 // /

,' ,: F.J I

o

-,. /. r~ ~

' •,

::-._

· /;r ~

~~ • -6 M.4

Localização e características geotécnicas de material terroso Obra: Jazida nº

Município: Denominação:

~

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10 Monitoramento

O monitoramento de uma obra representa o conjunto de atividades que permitem o controle da segurança e da eficácia de sua construção. Em uma obra de barramento, deve-se exercer esse monitoramento durante a fase construtiva e na operacionalização da obra, e poderá incluir o corpo da barragem, suas fundações e as obras complementares superficiais e subterrâneas. Deve o monitoramento garantir a segurança de uma obra barrável por toda a sua vida útil e pode ser feito por meio dos seguintes processos: • Inspeção visual • Topografia • Instrumentação

10.1

INSPEÇÃO VISUAL

A inspeção visual é o método mais simples, porém exige certa experiência do observador para detectar indícios, muitas vezes imperceptíveis, de anormalidades que possam denotar o início de um problema significativo no futuro, com risco de afetar a segurança da obra. Entre essas anormalidades, podem ser detectadas as seguintes:

a) Trinca no corpo da barragem Essas trincas geralmente ocorrem na crista da barragem de terra, mas podem aparecer também nos seus espaldares e

ter muitos significados . As principais observações a ser feitas nessas trincas são: direção em relação ao eixo da barragem (paralelas, perpendiculares ou inclinadas), extensão, retilinidade e abertura. A seguir, deve-se fazer um acompanhamento sistemático e detalhado, uma vez por semana, sobre a evolução da trinca, principalmente com relação à sua extensão e abertura. A interpretação dos resultados desse monitoramento permitirá ao projetista caracterizar as causas do fissuramento, bem como a forma de estancá-lo.

b) Abatimentos localizados Os abatimentos são mais comuns no centro da barragem, embora possam ocorrer também em seus espaldares . As principais observações a fazer são: dimensões (comprimento, largura e profundidade) e forma (circular, oval ou outra). Como esse tipo de deformação pode ser grave, devem-se tomar medidas urgentes para caracterizar suas causas, por meio de sondagens e escavações, permitindo a imediata aplicação de técnicas que corrijam o problema.

c) Surgência d'água A surgência d'água, quer pelo corpo da barragem (geralmente no pé de jusante), quer pelas fundações, deve ser monitorada tanto na fase de construção

304

1 Geologia de Barragens

como na operacionalização da obra. As principais observações a ser feitas nesse monitoramento são: medição da vazão de surgência e medição da carga sólida transportada. Um progressivo aumento de um desses valores pode significar a iminência de pipping no corpo da barragem ou nas fundações, o que exigirá medidas urgentes para evitar o colapso de toda a obra. A frequência dessas medições deve ser quinzenal.

d) Deslocamentos do rip-rap O deslocamento de blocos no rip-rap merece um monitoramento que deve iniciar pela observação da extensão e da profundidade da área afetada. Se esse deslocamento for pouco significativo, deve-se monitorar semanalmente a sua evolução, se rápida, lenta ou nula. Em função desses resultados, podem ser necessárias providências para caracterizar e sanar suas causas, pois a possibilidade de ruptura do material que lhe serve de base no espaldar de montante pode exigir soluções rápidas para evitar um mal maior.

e) Deslizamentos localizados no espaldar de jusante Esses deslizamentos podem ter início pelo deslocamento da camada de solo vegetal e da vegetação que protege esse talude contra a erosão. A sua investigação visa constatar se o fenômeno decorreu de falhas na construção dessa camada ou se tem relação com alguma instabilidade do espaldar de jusante, quando então exigirá soluções urgentes para evitar o colapso da obra.

10.2

TOPOGRAFIA

Embora a topografia utilize instrumentos de medição como níveis, teodolitos, estação de GPS, extensômetros móveis etc., não foi incluída na modalidade de instrumentação por não ter nenhum de seus instrumentos instalados no local da obra, como aqueles que serão discutidos no próximo item. A topografia garante muito maior precisão que as observações visuais, principalmente quando as anormalidades são de pequena magnitude ou se acham impedidas de ser visualizadas. As principais formas de monitoramento por esse método são as seguintes:

a) Deslocamentos no corpo da barragem Esses deslocamentos podem ocorrer no sentido horizontal ou vertical. Para tanto, instalam-se pinos metálicos fixados em marcos de concreto ao longo da crista da barragem e em alguns pontos do espaldar de jusante. Periodicamente são feitas medições topográficas de precisão, referenciando esses pinos a marcos instalados nas ombreiras da barragem, em locais não sujeitos a qualquer deslocamento. Essas medições permitem definir qualquer deslocamento ocorrido nos pinos medidos, tanto na vertical como na horizontal, ensejando uma pesquisa mais detalhada para investigar as causas de tal deslocamento. Essas medições devem ter a seguinte frequência: semanal nos seis primeiros meses após o enchimento do reservatório; quinzenal do 7° ao 12° mês após esse enchimento; mensal nos

10- Monitoramento

1

305

primeiros três anos de funcionamento da obra; semestral após o 3° ano de funcionamento da obra.

b) Assoreamento do reservatório O assoreamento do reservatório deve ser monitorado por meio de uma batimetria da bacia hidráulica, visando evitar os malefícios que tal assoreamento pode representar para as diversas finalidades da obra construída, conforme descrito no Cap. 3. Deve-se executar esse monitoramento anualmente nos três primeiros anos de funcionamento da obra e, conforme os seus resultados, ter sua frequência reduzida ou ampliada nos anos seguintes.

e) Deslocamentos das paredes em escavações subterrâneas A exemplo dos deslocamentos medidos no corpo da barragem, podem-se realizar medições sobre deslocamentos ocorridos nas paredes da escavação de obras subterrâneas, principalmente de túneis. Para tanto, é comum usar o método de medidor de convergência, por meio do qual são instalados pinos metálicos na parede rochosa da escavação, como mostrado na Fig. 10.1. Um fio metálico não deformável teria uma de suas extremidades fixada em um desses pinos e esticada a outra, em cuja extremidade seria fixado um extensômetro que permite a medição da extensão entre os dois pinos com uma precisão de 0,08 mm para uma extensão de medição de 30 m. Nessa instalação, como indicado nessa figura (5 pinos), são medidas as distâncias de cada pino para os outros 4 pinos, permitindo a detecção de qualquer

FIG. 10.1 Medidor de convergência em um túnel Fonte: modificado de Hoek e Brown (1980).

deslocamento na área abrangida por esses pinos. A frequência desse monitoramento deve ser mensal durante o período que anteceder ao revestimento das paredes de escavação. Se o túnel não for revestido ou se esse revestimento for executado a longo prazo, deve-se monitorá-lo durante os seis meses imediatos após a escavação e, conforme os resultados, suspender ou reprogramar o monitoramento.

10.3

INSTRUMENTAÇÃO

A instrumentação de uma barragem é realizada por meio de diversos tipos de instrumentos que são instalados concomitantemente com a construção da obra, seja nas fundações ou no corpo da própria barragem. Além de assegurar um controle da segurança da obra, esses instrumentos permitem verificar as hipóteses, os critérios e os parâmetros adotados no projeto, adequando-os aos métodos construtivos de forma a asse-

306

1

Geologia de Barragens

gurar sempre condições mais econômicas sem comprometer a segurança da obra. Para que a instrumentação constitua um instrumento importante no monit oramento de uma obra e justifique seu elevado custo de instalação, deve atender aos seguintes requisitos: • programação das instalações efetuada por técnico muito experiente, assegurando os melhores locais de instalação para cada instrumento, segundo o objetivo para o qual será instalado; • instalação cuidadosa de todos os instrumentos, evitando danificá-los durante essa operação ou deixá-los expostos a situações que possam representar riscos futuros de sua deterioração; • extremo cuidado nas medições desses instrumentos, inclusive com relação à frequência de cada medição; • interpretação dos resultados obtidos nas medições por uma equipe multidisciplinar altamente experiente no assunto. Na programação,

Cruz

(1996)

re-

comenda que o seu responsável esteja perfeitamente consciente das respostas às seguintes perguntas: • Por que instrumentar? • O que instrumentar? • Onde instrumentar? • Como instrumentar? • Quais os n íveis e os critérios previstos em projeto? • Que providências adotar se os n íveis estabelecidos forem ultrapassados?

Respondidas a contento todas essas perguntas, será a h ora de escolher o instrumento mais adequado, e Cruz (1996) elenca as seguintes características como imprescindíveis para essa escolha: • confiabilidade; • alta durabilidade; • não provocar, durante ou após a instalação, alterações no valor da grandeza que se pretende medir; • robustez; • alta precisão; • alta sensibilidade; • não ser influenciável por outras grandezas que não a de interesse; • instalação simples; • não causar interferência na praça de trabalho; • baixo custo. Uma vez concluído o projeto de instrumentação de forma satisfatória, deverão ser concentrados esforços para garantir uma boa instalação dos instrumentos programados. A instalação pode não danificar o instrumento mas ser conduzida de tal forma que altere significantemente as condições prevalecentes no local, levando a resultados falsos na medição. Por outro lado, determinados tipos de instrumentos são suscetíveis de sofrer danos irreparáveis se atravessarem zonas sujeitas a deslizamentos de certa magnitude, podendo, eventualmente, ser cisalhados. Qualquer falha na instalação de um instrumento pode levar a erros na medição ou à obtenção de valores discrepantes que podem acarretar dois riscos diferentes: assumi-lo como defeituoso e descartar as informações por ele fornecidas , com

10 - Monitoramento

eventuais consequências negativas; ou aceitar as informações como verdadeiras, o que modifica totalmente a interpretação sobre o comportamento da obra. A interpretação periódica e sistemática dos valores medidos nesses instrumentos é fundamental para o êxito do monitoramento, e sua ausência pode tornar até mesmo nocivo todo o procedimento, pois poderá causar uma falsa sensação de segurança em relação à obra, quando nem sempre isso está acontecendo. O importante é haver consciência de que a segurança de uma barragem depende fundamentalmente de seu projeto e de sua construção. O monitoramento constitui um método de observação que apenas diagnostica a tempo eventuais problemas decorrentes de falhas de projeto ou de construção, mas que não aumenta intrinsecamente a segurança da obra. A diversidade de instrumentos utilizados é função da grandeza que se deseja medir no monitoramento, e as mais comuns são: • nível d' água; • pressão neutra; • tensão total; • deslocamentos; • vazão; • aceleração sismológica. 10.3.1

307

-se um tubo PVC de 1" a 1 ½", tendo um tampão em sua extremidade inferior e os 2 m mais inferiores perfurados e revestidos com uma manta geotêxtil (Fig. 10.2). No entorno dos 3 m inferiores, o furo deve ser preenchido com areia e daí para cima com um selo de argila. O tubo deve ficar com 0,50 m acima do solo e protegido por uma pequena caixa de concreto, com tampa metálica provida de cadeado. A leitura do nível d 'água é feita com a introdução nesse tubo de um fio graduado a cada metro, em cuja extremidade há um sensor constituído por dois eletrodos dispostos concentricamente, porém isolados eletricamente entre si. Ao atingir o nível freático, a água fecha o circuito formado pelos dois eletrodos antes isolados, o que provocará o deslocamento do ponteiro de Tampa do t ubo

Caixa de proteção

Tubo de PVC ---t-'.~.>i perfurado

Medição do nível d'água

A medição do nível d'água tem como objetivo definir a cota do nível freático, seja no corpo da barragem ou nas suas fundações, e utiliza-se de uma metodologia muito simples. A partir de um furo de trado de 4" que ultrapasse com certa folga o nível a ser medido, instala-

1

Tampão

FIG. 10.2 Medidor de nível d ' água Fon te: modificado de Cruz (1996).

308

1

Geologia de Barragens

um galvanômetro mantido na superfície, e esse contato ainda pode ser acusado por um dispositivo sonoro, daí ser esse instrumento de medição popularmente chamado de "pio". De posse da cota da boca do furo, subtrai-se a profundidade medida por esse instrumento, a fim de se obter a cota do nível freático no ponto medido.

10.3.2 Medição da pressão neutra A medição da pressão neutra é realizada por meio do piezômetro e visa determinar essa pressão nos maciços de terra ou na rocha, bem como as subpressões em contato com estruturas de concreto. Alguns piezômetros são muito parecidos com o medidor de nível, como é o caso do piezômetro de tubo aberto; porém há muitos outros que são mais sofisticados. A sua escolha depende das especificações de cada projeto, razão pela qual para cada caso devem ser analisadas as vantagens e as desvantagens de cada tipo. Os principais tipos são: • piezômetro de tubo aberto; • piezômetro pneumático; • piezômetro hidráulico; • piezômetro elétrico (que pode ser de resistência ou de corda vibrante). Cruz (1996) descreve o funcionamento de cada um desses tipos, bem como suas vantagens e desvantagens.

10.3.3 Medição da tensão total O objetivo dessa medição é determinar os esforços que os maciços de terra ou de enrocamento exercem sobre as estruturas

de concreto ou sobre os cut-offs. O instrumento é representado por uma almofada metálica, geralmente na forma circular, constituída por duas placas de aço inoxidável soldadas hermeticamente em suas bordas, criando uma cavidade que é preenchida com óleo mineral previamente desgaseificado a um nível inferior a 2 ppm, garantindo dessa forma um deslocamento mínimo. A pressão criada no interior da célula é medida por meio de um sensor de pressão elétrica (que converte o sinal de pressão em sinal elétrico) ligado por um cabo de quatro condutores ao equipamento de leitura. A célula de tensão pode medir pressões desde 1,0 até 20,0 MPa.

10.3.4Medição de deslocamento O deslocamento passível de ocorrer em um maciço granular pode ser medido na horizontal ou na vertical.

a) Deslocamento horizontal O deslocamento horizontal é medido por meio do inclinômetro, instrumento constituído por uma haste cilíndrica, chamada de torpedo, que possui embutido um sensor de inclinação. Esse torpedo desliza no interior de um tubo especial por meio de quatro rodinhas que se encaixam nas ranhuras existentes nesse tubo, que se acha cravado no maciço da barragem. A Fig. 10.3 mostra esse torpedo ainda embalado e a caixa de leitura dos deslocamentos medidos. Mede-se a inclinação sofrida por esse tubo em consequência de eventuais deslocamentos horizontais do maciço monitorado, a partir do ângulo de inclinação acusado pelo sensor do torpedo e

10 - Monitoramento 1 309

um esquema da penetração do inclinômetro no furo vertical. Deve-se medir o deslocamento horizontal de montante para jusante.

b) Deslocamento vertical

FIG. 10.3 Inclin ômetro Fonte: cortesia da empresa Damasco Pena .

lido em uma caixa de leitura externa. A cada intervalo da descida do inclinômetro mede-se o ângulo de inclinação correspondente a esse intervalo, conforme mostrado na Fig. 10.4a. Somadas as inclinações dos intervalos medidos, tem-se a inclinação de toda a extensão do tubo cravado, o que permite definir a curva de deslocamento horizontal total, conforme indicado na Fig. 10.4b. A Fig. 10.5 mostra

O deslocamento vertical, denominado recalque, pode ocorrer no corpo da barragem ou nas suas fundações. Entre os vários medidores de recalque, o mais utilizado é o de tubos telescópicos, que consiste de um tubo galvanizado com diâmetro de 25 mm, chumbado em rocha sã, e de várias placas solidárias a tubos também galvanizados, de diâmetros crescentes de baixo para cima (Fig. 10.6). À medida que o aterro da barragem sobe, vai sendo instalada uma nova placa com tubo que se encaixa coaxialmente ao tubo original. Na extremidade superior de cada tubo é feito um puncionamento e, a cada leitura, ajusta-se um compasso metálico com

( b)

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Deslocamento Total L L sen O - - - - - - - i

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\ FIG. 10.4 Esquema dos deslocamentos medidos pelo inclinômetro: (a) deslocamento por t recho;

(b) deslocamento total Fonte: modificado de .

310

1

Geologia de Barragens

Tu bo galvan izado de