COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
Utilização de Geomembrana de PEAD em Tratamento de
Fundação na Barragem de São Salvador
Rafael Marques Cardoso
Intertechne Consultores S. A., Curitiba, Brasil, [email protected]
Alex Martins Calcina
Intertechne Consultores S. A., Curitiba, Brasil, [email protected]
Carlos Alberto de Oliveira
Intertechne Consultores S. A., Curitiba, Brasil, [email protected]
Artur Henrique Evangelista Carvalho
Construtora Andrade Gutierrez, São Paulo, Brasil, [email protected]
Rodrigo Jivago França Sarlo
Construtora Andrade Gutierrez, São Paulo, Brasil, [email protected]
RESUMO: A Usina Hidrelétrica São Salvador (243 MW) situada no sul do Estado do Tocantins, no
rio homônimo, possui na fundação do fechamento de sua barragem de terra, próximo à ombreira
direita, um perfil geológico extremamente heterogêneo, com condições de maciço de alta
permeabilidade, mesmo em elevada profundidade. Após análise de diversas alternativas de
tratamento para impermeabilização da fundação, dentre elas trincheira “cut-off”, parede diafragma e
tratamento por injeções de calda de cimento, optou-se pela execução de um tapete
impermeabilizante a montante do barramento, com utilização de geomembrana de PEAD
(polietileno de alta densidade). Neste trabalho são apresentadas as condicionantes de projeto, as
análises numéricas que subsidiaram a escolha da alternativa, os detalhes de projeto e construtivos,
assim como os dados de monitoramento, que atestam o comportamento adequado da solução. Tal
análise de desempenho está baseada nas leituras da instrumentação de auscultação civil durante os
primeiros meses após o enchimento do reservatório de São Salvador.A solução empregada para
impermeabilização parcial da ombreira direita com manta de PEAD se contituiu, na ocasião, em
solução inédita para tapetes impermeáveis de barragens no Brasil.
PALAVRAS-CHAVE: Barragem de Terra, Percolação, Tratamentos de Fundação, Tapete
Impermeabilizante, Geomembrana de PEAD.
vedação (cut-off), a cortina de injeções de calda
de cimento, a cortina de estacas prancha,
diafragmas executados in-situ (plástico e rígido)
e tapetes impermeabilizantes a montante.
Uma maneira de comparar o desempenho de
alternativas
de
tratamento
de
impermeabilização da fundação é através de
modelagem bidimensional de fluxo, utilizando
o método dos elementos finitos, através do qual
se extraem valores de vazão de percolação pela
fundação da barragem, assim como gradientes
de saída.
A Usina Hidrelétrica São Salvador, situada
1.
INTRODUÇÃO
Os tratamentos de impermeabilização de
fundação constituem um importante aspecto do
projeto de barragens de terra. Tratamentos de
fundação inadequados podem resultar em
fundações excessivamente permeáveis, levando
a gradientes de saída elevados no talude de
jusante e, eventualmente, iniciar processos de
erosão regressiva (piping).
Os tipos de tratamento impermeabilizante
mais utilizados em barragens são a trincheira de
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no rio Tocantins, apresenta em seu arranjo, as
estruturas de concreto constituídas por: casa de
força, vertedouro e muros de ligação,
posicionadas na margem direita do rio. O
fechamento do barramento, tanto na ombreira
direita quanto no leito do rio e ombreira
esquerda, é feito por duas barragens de terra, de
seção homogênea, que no encontro com as
estruturas de concreto, transicionam para
barragens de enrocamento com núcleo de argila.
O presente trabalho mostra as condicionantes
da escolha da alternativa de impermeabilização
de fundação da barragem de terra da margem
direita da UHE São Salvador bem como os
cuidados tomados na implementação da
alternativia escolhida.
Figura 1 – Imagem Google Earth com a localização do
eixo do empreendimento
2
CARACTERÍSTICAS GEOLÓGICAS
2.1
Geologia Regional
2.2
Geologia da Margem Direita
As litologias presentes na área do
emprendimento pertencem ao Grupo Araxá,
localmente constituído por uma seqüência de
quartzo-micaxistos, quartzitos e quartzitos
micáceos.
A margem direita, na faixa sobre a qual está
assentada a barragem de terra, foi prospectada
através de diversas campanhas de sondagens
percussivas, mistas e rotativas, nas fases dos
estudos de viabilidade e do projeto básico do
empreendimento.
Na consolidação do modelo geologícogeotécnico, na fase do projeto básico,
foi
detectada uma zona na fundação onde o manto
de alteração extende-se a profundidades
maiores que nas regiões circunvizinhas,
apresentando zonas de alta permeabilidade.
Visando subsidiar a escolha do tratamento de
impermeabilização da fundação da região em
foco, na fase projeto executivo, foi realizada
uma nova campanha de investigações
(aproximadamente 250 metros de perfurações)
objetivando um maior detalhamento da
fundação. Nesta nova campanha foram
realizadas 5 sondagens mistas denominadas
SM-401 a SM-404 e SM- 402 – A, 6 sondagens
a percussão (SP-404 a SP-409) e 2 poços de
investigação (P-410 e P-411).
A região do aproveitamento está situada numa
área de rochas cristalinas antigas, de idade précambriana. A porção inferior da coluna
estratigráfica é formada pelo Complexo Goiano,
do Pré-Cambriano Inferior, de caráter gnáissico
– granitóide. Sobre o mesmo ocorrem rochas
metamórficas de natureza vulcano-sedimentar
dos grupos Araxá e Araí, do Pré-Cambriano
Médio.
Também ocorrem na região intrusões
graníticas contemporãneas às rochas do Grupo
Araxá ou um pouco mais recentes , assim como
as rochas metasedimenteres do Pré-cambriano
superior do GrupoBambuí
A tectônica da região é complexa, como é
normal em rochas pré-cambrianas, tendo
causado o dobramento generalizado das
unidades acima referidas, assim como
falhamentos importantes, alguns inclusive
fazendo com que as rochas do Grupo Araxá
possam ocorrer acima das unidades mais
recentes do Grupo Bambuí. A figura 1 mostra a
localização do eixo da usina evidenciando as
feiçoes dobradas que dominam a região.
Na era Cenozóica formaram-se as coberturas
sedimentares Terciário-Quaternárias e os
sedimentos aluvionares holocênicos que
margeiam o rio Tocantins.
2
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2.3
Modelo Geológico Adotado
intemperismo.
As litologias com maior conteúdo de
minerais máficos foram as mais suscetíveis ao
processo intempérico.
Dentre os aspectos mais relevantes do
modelo, destaca-se a presença de zonas de alta
permeabilidade em grandes profundidades. Tais
zonas puderam ser identificadas através dos
ensaios de perda d’água sob pressão realizados
nos furos, que indicaram permeabilidades
maiores que 1x10-3 cm/s, em zonas situadas a
mais de 20 metros de profundidade. A carga
hidráulica sobre a fundação da barragem, no
trecho em questão é de no máximo 15 metros.
A figura 2 apresenta o perfil geológico pelo
eixo do barramento, definido após a
incorporação dos dados da última campanha de
sondagens.
A nova campanha permitiu configurar um
maciço rochoso heterogêneo, com alternância
de pacotes de quartzito, quartzo xisto e quartzo
micaxisto, com um padrão estrutural derivado
do dobramento generalizado ao qual a região foi
submetida.
Tal comportamento dificultou a correlação
entre os vários estratos, e o perfil apresentado
na figura 2 foi concebido de forma tentativa, à
luz das informações disponíveis, levando-se em
conta a tendência estrutural verificada nas
escavações das estruturas de concreto.
O padrão estrutural reinante coloca lado a
lado, em elevação, litologias distintas que
conferem ao maciço rochoso comportamento
anisotrópico em função da maior ou menor
suscetibilidade
de
cada
litologia
ao
Figura 2 – Seção geológico-geotécnica pelo eixo da barragem, na margem direita
3
de perda d’água sob pressão realizados nos
furos de sondagem.
Foram consideradas, após análise técnica e
econômica, três possíveis tipos de solução:
trincheira tipo cut-off, cortina de injeções e
tapete impermeabilizante a
montante,
levando-se em conta relevo de inclinação
suave da margem direita.
Foram simulados os vários tipos de
tratamentos com seus efeitos sobre a vazão
captada pela trincheira de drenagem de
jusante, assim como dos gradientes de saída.
No caso do tapete impermeável foram
feitas simulações aumentando sua extensão
para montante
A tabela 1 apresenta um resumo dos
resultados obtidos, numa seção representativa
estudada.
ANÁLISE DAS ALTERNATIVAS
Para a análise das alternativas de tratamento
de fundação, tomou-se por base o modelo
geológico definido.
Foram definidas quatro seções transversais
ao
eixo,
com
espaçamento
de
aproximadamente cinqüenta metros, entre si.
As análises de percolação foram realizadas
pelo método dos elementos finitos, utilizandose o software SEEP/W da GEO-SLOPE do
Canadá, de aplicação no estudo de fluxo
bidimensional
em
meios
porosos
saturados/não-saturados,
heterogêneos
e
anisotrópicos.
As permeabilidades adotadas foram
estimadas a partir dos resultados dos ensaios
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Tabela 1- Vazões afluentes na trincheira drenante em
função do tipo de solução adotada.
Vazão na
trincheira
(l/min.m)
CASOS
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
também evitar o risco de baixa eficiência do
tapete impermeável, decorrente do surgimento
de trincas durante a fase construtiva, optou-se
pela utilização de uma geomembrana de
polietileno de alta densidade (PEAD).
Devido também ao risco de ruptura da
manta por efeito de puncionamento, foi
prevista uma camada de solo compactado que
serviu como substrato para a aplicação da
membrana de PEAD. Além disto, para
amenizar os efeitos de uma eventual ruptura
localizada da geomembrana por efeito
mecânico, foi prevista uma camada adicional
de dois metros de espessura de solo
compactado sobre a mesma. O lançamento da
primeira camada sobre a membrana foi
realizado cuidadosamente, com tráfego de
equipamentos de construção leves.
Como proteção suplementar, sobre a
camada de solo compactado superior, previuse uma camada de enrocamento contaminado,
aproveitando materiais excedentes de
escavação em rocha. Na zona de oscilação do
nível d’água, no lugar do enrocamento
contaminado, foi estendida a camada de riprap da barragem sobre o tapete impermeável
para proteção contra o efeito das ondas.
O bom funcionamento da solução está
intimamente condicionado à ligação entre o
tapete impermeabilizante e a vedação do
aterro da barragem. No entanto, a instalação
da manta no aterro da barragem instituindo o
transpasse com a vedação da barragem e a
ancoragem da membrana, constituiria um
contratempo importante à execução das
camadas do aterro, atrasando a produção do
aterro da barragem. Esta situação também
estava condicionada ao processo de execução
e teste das emendas que têm de ser realizados
diretamente na posição final de lançamento da
manta.
Sendo assim, optou-se por um sistema de
ancoragem no talude de montante da
barragem que pudesse ser realizado
independentemente da compactação do solo
no barramento.
A Figura 3 seguinte apresenta uma seção
transversal da barragem na região do tapete,
com indicação das camadas previstas e a
ligação com o aterro conforme descrito
anteriormente.
SEM TRATAMENTO
TAPETE - 60m
TAPETE - 80m
TAPETE - 100m
TAPETE - 80m + CUT-OFF
INJEÇÃO - 10m
TAPETE 80m + INJEÇÃO
INJEÇÃO - 15m
TAPETE 80m + INJEÇÃO
CUT -OFF
1,80
0,90
0,78
0,68
0,62
1,59
0,74
1,41
0,73
0,83
Além dos resultados satisfatórios obtidos nos
casos onde se simulou o uso de um tapete
impermeabilizante a montante, pesaram na
escolha da solução: a grande profundidade da
eventual trincheira cut-off necessária para
interceptar todas as camadas de material
permeável, que seria da ordem de até 25
metros; e as incertezas quanto à execução de
injeção de calda de cimento sob pressão em
um material com o grau de alteração
acentuado, que teria, muito provavelmente,
um efeito reduzido.
Da análise de todas as informações
levantadas, optou-se pelo uso de um tapete
impermeabilizante a montante do barramento,
com extensão longitudinal (paralela) ao eixo
da barragem de 200 metros a partir do
fechamento na ombreira direita, com largura
de 80 metros na direção perpendicular ao eixo
da barragem.
Para evitar a influência do fluxo lateral ao
tapete impermeabilizante, foi necessário o
prolongamento deste elemento de vedação por
mais 50 m além do trecho que teria que ser
impermeabilizado na fundação.
4
DETALHES DE PROJETO
Os tapetes impermeabilizantes a montante são
usualmente constituídos por solo argiloso
compactado, contando eventualmente com
uma proteção mecânica com camada de
enrocamento. Com o intuito de reduzir a
espessura de solo compactado aplicada, e
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Outra característica considerada importante
para garantir a aderência entre o solo e a
membrana, é o uso de manta de PEAD
texturizada em matriz tipo balão, que apesar
do menor controle de espessura da manta,
resulta num produto mais irregular. Esta
irregularidade foi considerada conveniente
para evitar o risco da instalação de um
caminho preferencial de percolação, como no
caso de aplicação de manta lisa.
Como complemento ao tratamento de
impermeabilização aplicado, além da
trincheira drenante contínua que percorre o pé
de jusante da barragem, no trecho
impermeabilizado, foi instalada uma linha de
poços de alívio, com o intuito de captar a
eventual percolação advinda de estratos mais
profundos da fundação.
Uma planta da solução adotada está
apresentada na figura 4.
Figura 3 - Detalhe do engaste da manta com o aterro da
barragem
Como critério para a ancoragem da manta na
barragem definiu-se garantir ao menos uma
espessura de aterro equivalente a 0,20H
(sendo H a altura da carga hidráulica sobre a
manta), entre a ancoragem da membrana e a
superfície de fundação.
As principais especificações técnicas da
geomembrana de PEAD encontram-se na
tabela 2:
Tabela 2 - Características técnicas da manta PEAD.
Espessura
Densidade
Resistência à Tração
Tensão de escoamento
Deformação no escoamento
Resistência ao rasgamento
Resistência ao Puncionamento
1,5 mm mín.
0,94 g/cm3
mín.
15 MPa mín.
12% mín.
190 N mín.
490 N mín.
Figura 4 - Planta da barragem com a localização da manta.
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DETALHES CONSTRUTIVOS
A
construção
do
tapete
durou
aproximadamente 50 dias, entre a execução
das camadas de substrato em solo, a
instalação da manta e a aplicação das camadas
de proteção.
A ancoragem da membrana na fundação
foi realizada por meio de trincheiras
escavadas no terreno, sistema convencional de
ancoragens de mantas de PEAD.
Foram feitos cortes subverticais no aterro
já construído, em sistema de trincheiras.
As fotografias seguintes ilustram a
execução das ancoragens nas extremidades da
membrana.
Foto 2 – Seqüência da foto anterior com o fechamento
da trincheira de ancoratem com aterro compactado.
Foto 3 - Equipamento para emenda dos panos de
geomembrana.
Foto 1 – Detalhe da trincheira para ancoragem no
corpo da barragem com a geomembrana instalada.
Foto 4 – Vista geral do processo. Um trecho com a
manta já aplicada e sendo coberta por aterro e no
restante a área já preparada para aplicação da manta
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pouco eficientes neste tipo de material.
A modelagem numérica indicou que um
tapete impermeabilizante a montante do
barramento, ligado diretamente à vedação do
aterro da barragem, produziria um resultado
satisfatório no que se refere ao controle das
vazões de percolação e consequentemente
gradientes de saída.
Como forma de garantir o adequado
desempenho do tapete, sem conviver com
baixa eficiência decorrente de trincas surgidas
na fase de construção, optou-se pela utilização
de uma geomembrana de PEAD.
Dentre os aspectos mais relevantes do
projeto, destacam-se a necessidade de um
transpasse lateral do tapete com a trincheira
de vedação utilizada no restante da barragem,
para evitar um by-pass lateral; e a proteção
contra ondas prevista no fechamento da
ombreira, visando previnir o carreamento do
material de proteção do PEAD. Além deste
aspectos nos parece mais indicado o uso de
manta texturizada para dificultar a instalação
de um eventual caminho de percolação em
razão da maior aderência solo/membrana.
Passado um ano do enchimento do
reservatório, as leituras do medidor de vazão
instalado na região em questão, comprovam o
comportamento adequado do tratamento,
ficando a vazão medida extremamente
próxima à prevista nos modelos matemáticos.
ANÁLISE DO DESEMPENHO
O desempenho da impermeabilização vem
sendo acompanhado através do medidor de
vazão MV-01 instalado na estaca 2 + 5,30m
da barragem, que coincide com o fim do
trecho impermeabilizado pelo tapete de
montante.
Gráfico de acompanhamento do medidor de
vazão MV-01.
Após um ano desde o término do enchimento
do reservatório, as leituras indicam uma vazão
de percolação estabilizada com valor, no
trecho
tratado,
de
aproximadamente
100 l/min., resultando em uma vazão
específica, de 0,5 l/min./m. Tal valor situa-se
muito próximo do valor obtido dos modelos
numéricos de 0,48 l/min./m.
Os poços de alívio instalados a jusante do
barramento até o presente momento
apresentam-se secos.
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REFERÊNCIAS
[1] – Cruz, P. T. – “100 Barragens
Brasileiras – Casos Históricos, Materiais
de Construção e Projeto”, Oficina de
Textos, 1995;
CONCLUSÕES
Os estudos realizados durante o projeto da
barragem de terra da margem direita da UHE
São Salvador, mostraram que num
determinado trecho da fundação situado
próximo ao fechamento da ombreira direita
(cerca de 250 m de extensão), o maciço
rochoso apresenta-se
extremamente
heterogêneo e permeável, com um manto de
alteração muito profundo que desencorajava
o emprego de soluções mais convencionais de
tratamento
de
impermeabilização
da
fundação, como trincheira vedante tipo cut-off
e cortina de injeções, que certamente seriam
[2] – Cedergren, H. R. – “Seepage,
Drainage, and Flow Nets”, John Wiley
and Sons, Inc, 1967;
[3] - 0125-SS-RT-412-30-001 – UHE São
Salvador Relatório Técnico
Barragem de Terra da Margem Direita
– Solução Proposta -Estacas 0+00,00 a
2+50,00 – Consórcio Energético São
Salvador.
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