BARRAGENS DE TERRA E DE ENROCAMENTO – AULA 4 Prof. Romero César Gomes Departamento de Engenharia Civil Universidade Federal de Ouro Preto Compactação do Aterro • equipamentos de pequeno porte (soquetes e placas vibratórias) • rolos estáticos: rolos lisos, rolos de pneus; rolos tipo pé-de-carneiro • rolos vibratórios Compactação do Aterro Soquetes (“sapos”) e placas vibratórias • classificação: pressões de contato placa-solo (10 a 15 kPa) • eficiência: trabalhos de compactação em áreas localizadas • podem ser utilizados em quaisquer solos • aplicações mais comuns: compactação de valas, trincheiras, etc. Compactação do Aterro Rolo Liso • classificação: peso total por unidade comprimento do rolo (30 a 110 kgf/cm) de • área efetiva de compactação: 100% • Eficiência: reduzida para compactação em profundidade (limitados a camadas de espessuras finais de até 15 cm) • solos mais indicados (solos menos indicados): solos granulares, enrocamentos (solos coesivos, principalmente solos de elevada plasticidade) • aplicações mais comuns: obras rodoviárias (bases, subleitos e capas de rolamento). Compactação do Aterro Rolo pé-de-carneiro • classificação: pressões de contato (1400 a 7000 kPa) • área efetiva de compactação: 8% ~ 12 % • eficiência: para evitar as superfícies de laminação nas camadas compactadas • solos mais indicados (solos menos indicados): solos argilosos ou granulares com mais de 20% de finos (solos muito granulares) • aplicações mais comuns: aterros, barragens de terra Compactação do Aterro Rolo Pneumático • classificação: pressão de compactação (função do peso do rolo e da pressão de ar nos pneus) • área efetiva de compactação: 80% • eficiência: compactação mais rápida e econômica em relação à compactação com os rolos pé-decarneiro • solos mais indicados (solos menos indicados): solos granulares, solos finos (solos coesivos, principalmente solos de elevada plasticidade) • aplicações mais comuns: obras rodoviárias, aterros, barragens de terra. Compactação do Aterro Rolo de Grelha • classificação: pressões de contato (1400 a 6200 kPa) • área efetiva de compactação: 50% • eficiência: aumentada quando associado a um equipamento de vibração • solos mais indicados (solos menos indicados): solos granulares, areias com pedregulhos (solos argilosos) • aplicações mais comuns: barragens de terra e enrocamento. Compactação do Aterro Rolo Vibratório • classificação: podem ser dos três tipos anteriores, possuindo um vibrador acoplado ao rolo compactador • área efetiva de compactação: variável • eficiência: função da freqüência de vibração e da velocidade de compactação do rolo (comumente inferior a 5 km/h) • solos mais indicados (solos menos indicados): solos granulares, desde siltes a enrocamentos (solos coesivos) • aplicações mais comuns: aterros, barragens de terra e enrocamento Equipamentos de Compactação - Síntese equipamentos tipo de compactação Equipamentos de Compactação - Síntese Variáveis da Compactação – Características dos Solos • distribuição granulométrica; • forma das partículas sólidas; • Gs • natureza e porcentagem dos finos presentes Variáveis da Compactação – Procedimentos de Campo • número de passadas do rolo • freqüência de vibração • espessura da camada • velocidade de compactação • os efeitos da compactação tendem a ser reduzidos para mais do que 5 passadas do rolo Variáveis da Compactação – Procedimentos de Campo • número de passadas do rolo • freqüência de vibração • espessura da camada • velocidade de compactação o aumento da amplitude das vibrações induz maior efeito de compactação que o aumento da freqüência das vibrações e, uma vez atingida a condição de ressonância, induz-se elevadas densidades para o solo. Variáveis da Compactação – Procedimentos de Campo • número de passadas do rolo • freqüência de vibração • espessura da camada • velocidade de compactação • para um dado número de passadas, obtém-se uma maior compactação quanto menor for a velocidade do rolo. Compactação no Campo x Compactação no Laboratório • Dificuldades de uma simulação adequada entre ensaios de campo e de laboratório • Tendência geral: valores menores de wot em ensaios de laboratório. • Problemas da correlação entre ensaios estáticos em laboratório x ensaios dinâmicos em campo Curvas 1, 2,3,4: compactação em laboratório Curvas 5, 6: compactação no campo Controle da Compactação em Campo • Objetivo: promover a estabilização do solo, mediante a melhoria do seu comportamento geotécnico. • Metodologia: medidas sistemáticas dos valores da massa específica (ou peso específico) do solo seco e do teor de umidade do solo ⇒ correlação direta com as propriedades geotécnicas de interesse. • Especificações Técnicas: (i) pelo produto final: fixação das condições limites para a aceitação da obra (não importa o como, interessa o resultado). Ex.: obras rodoviárias. (ii) pelo método construtivo: fixação das variáveis de compactação pela caracterização expressa dos procedimentos de campo ( interessa o como e o resultado em si). Ex.: barragens de terra. Controle da Compactação em Campo • Execução de ensaios de compactação em laboratório dos solos de todas as áreas de empréstimo: determinação de γdmax e wot ⇒ optar pelo solo de maior γdmax e, para valores próximos de γdmax, optar pelo solo com curva de compactação mais achatada • Retirada do solo da área de empréstimo, lançamento e distribuição uniforme do solo sobre a praça de trabalho, efetuando-se operações de molhagem (aspersão por carropipa) ou de secagem (revolvimento com grades de discos). • Execução de aterros experimentais para seleção dos equipamentos de compactação e das variáveis de compactação (espessuras de camadas, número de passadas do rolo, etc) • Controle de campo dos parâmetros de compactação: GC (grau de compactação) e Δw (desvio de umidades em relação à umidade ótima). Parâmetros de Controle da Compactação Grau de Compactação GC = γ d − campo γ d max − laboratório × 100% Desvio de Umidade Δ w = w − w ot Especificações de Referência • GC ≥ 95% ; Δw = ± 2% Determinação de γd Métodos Diretos (a) Métodos (a) Frasco de areia (b) Balão de ar (c) Método da água (ou óleo) (d) Cilindro amostrador (b) Procedimentos • valores conhecidos: Ms ; Vt • calcula-se γd campo e w • compara-se γd campo com γd max-lab • calcula-se o grau de compactação GC (c) Determinação de w - Métodos Diretos Métodos ρd • método da estufa: prazos incompatíveis com o cronograma da obra • ‘método da frigideira’ • ‘garrafa de Speedy’ As propriedades geotécnicas podem ser bastante diferentes entre amostras compactadas para umidades acima ou abaixo da ótima. GC = 90% ρd max 1 2 3 Aumento de EC w1 w2 w Densímetro Nuclear (a) Princípios do Ensaio Densidade As radiações gamas emitidas pelo dispositivo (fonte de rádio ou isótopo radiativo de césio) são dispersadas pelas partículas do solo e a magnitude desta dispersão é proporcional à densidade do solo. (b) Teor de Umidade O teor de umidade é determinado em função da dispersão de nêutrons emitidos pelo dispositivo (fonte de isótopos de amerício - berílio) pelos átomos de hidrogênio presentes na água do solo. • Principal desvantagem: necessidade de calibrações contínuas (c) (Holtz and Kovacs, 1981) Controle da Compactação em Campo Controle da Compactação em Campo Produtividade da compactação p= BEvt . 1000 n p – volume de solo compactado por unidade de tempo (m3/h); B- largura (diâmetro) do rolo (m); E – eficiência da compactação (entre 75% e 85%) v – velocidade do rolo (km/h); t – espessura da camada de solo a ser compactada (m); n – número de passadas do rolo Controle da Compactação em Campo (Método de HILF) ‘peso específico convertido’ γ = W V γd = ; γi = W + ΔW V zi = ΔW W γi γc (γc max , zot) Curva de Hilf w w ‘parâmetro das umidades’ W + ΔW = V γ ic = γ 1+ w γi 1 + zi ∴ w W(1 + z i ) = = γ (1 + z i ) V z ∴ γ i = γ d . (1 + w)(1 + z i ) γ ic = γ d (1 + w ) γ (1 + w ) GC = d − campo . γ d max − lab (1 + w ) ∴ γ γ c max − lab c − campo γ C − campo GC= γ= GC c max − lab Controle da Compactação em Campo (Método de HILF) w = Ww Ws ; wi = Ww + ΔWw wW s + W s (1 + w)zi = Ws Ws ∴ w i = w + (1 + w) zi para z = zot ou 1 + w i = (1 + w) (1 + z i ) ⇒ w = wot ∴ 1 + wot = (1 + w) (1 + zot ) (pequena influência de erro de wot) e z Δwi = w i − wot = (1 + w i ) − (1 + wot ) ∴ Δwi = − ot .(1 + wot ) 1 + zot mas γ dmax = e 23,57 ± 0,5 (kN/m 3 ) 1 + 1,26 wot (hipérbole de Kucsinski para solos brasileiros) γ imax = γ icmax (1 + zot ) = γ dmax (1 + w).(1 + zot ) = γ dmax .(1 + wot ) para 10% ≤ wot ≤ 35% : γ imax = 2,36 − 1,69 wot Levando wot na expressão de Δwi , vem : z Δwi i==− − zot ot. (2,4 . (2,4 −imax 0,6) γ i max Δw − 0,6γ 1 +1 z+ot zot ) (relação empírica) Controle da Compactação em Campo (Método de HILF) Controle da Compactação em Campo (Método de HILF) Proteção dos Taludes n F= ∑ x ⋅ cosα i 1 n ∑ cosα 1 i i • Fetch efetivo A estimativa da magnitude da onda máxima do reservatório depende da distância a ser percorrida pela mesma, chamada fetch. O parâmetro de cálculo é o chamado fetch efetivo, que é função também da forma do reservatório e da direção do vento. • Sobreelevação das águas É a elevação das águas induzida pela ação do vento, chamada de maré. São maiores em reservatórios rasos e de fundo irregular. v 2w ⋅ F zw = 63.200 sendo zw - sobreelevação das águas (m) vw - velocidade do vento (km/h) F - fetch efetivo Proteção dos Taludes • Elevação da onda sobre o talude Quando a onda atinge o talude da barragem, ela se eleva a uma certa altura (zr), que depende da inclinação e rugosidade do talude, da altura e do comprimento da onda, o qual é dado por: λ = 0,166 ⋅ vw0,88 ⋅ F 0,56 sendo: λ − comprimento de onda, vw − velocidade do vento F − fetch efetivo estimativa da borda livre da barragem Proteção dos Taludes • Taludes de Montante Os taludes de montante sofrem a ação permanente das ondas do reservatório e, ocasionalmente, das chuvas. São protegidos com "rip-rap" ou solo-cimento e, em geral, é construída uma berma para apoio do "rip-rap". O dimensionamento do "rip-rap" é feito com base em critérios hidráulicos que permitem determinar a granulometria média do enrocamento. Em seguida uma transição entre o "rip-rap" e o aterro é determinada de forma semelhante ao dimensionamento de filtros. Proteção dos Taludes • Taludes de Jusante Os taludes de jusante sofrem a ação permanente das chuvas que tendem a erodir a sua superfície. Normalmente, são adotadas as seguintes medidas para impedir os efeitos erosivos das precipitações: - construção de bermas - construção de canaletas e descidas de água - cobertura vegetal (plantio de grama) Tratamento das Fundações • fundações em solos: redução da permeabilidade por meio de trincheiras de vedação (cut off) ou de cortinas de injeção (rígidas ou plásticas) A trincheira constitui uma continuidade do aterro compactado da barragem ao longo de uma dada profundidade dos solos de fundação. Neste caso, uma redução significativa das vazões somente é alcançada mediante uma penetração total da trincheira através da camada permeável de fundação e esta solução é particularmente indicada no caso de fundações com permeabilidades decrescentes com a profundidade. A cortina constitui uma escavação estreita (comumente 0,80m de largura) com equipamentos mecânicos e com uso de lama bentonítica, posteriormente preenchida com solo-cimento (diafragma plástico) ou com concreto (diafragma rígido).As cortinas rígidas são mais susceptíveis a fissuras ou trincas (principalmente no contato aterro – topo da cortina) devido aos recalques diferenciais da barragem. Tratamento das Fundações • fundações em rochas fraturadas: injeções de calda ou nata de cimento As injeções de calda de cimento são feitas através de furos de sondagem rotativa em diferentes malhas, visando-se obter uma certa estanqueidade (ou uma melhor homogeneização) do maciço rochoso fraturado. A eficiência do procedimento depende das pressões aplicadas e da magnitude e geometria das fraturas. As caldas devem ser relativamente grossas (fator água – cimento inferior a 2) e penetrar em distâncias superiores a 2m ou 3m sem a necessidade de aplicação de pressões muito elevadas. Tratamento das Fundações ¤ Critério de Granulometria d 15 (solo) GR = > 20 d 85 (calda) GR: grau ou relação de injetabilidade da calda d15: diâmetro correspondente a 15% passante da mistura de solo a ser tratado-calda d85: diâmetro correspondente a 85% passante da calda de injeção ¤ Domínio de penetração da calda ⎛ λgt ⎞ r = 0,62 ⎜ ⎟ ⎝ n ⎠ 1 3 r: raio da zona de penetração da calda (ft) λ: relação viscosidade da água / viscosidade da calda g: aceleração da gravidade (ft/s2) t: tempo de início de pega da calda de injeção (min) n: porosidade do solo (Kravetz, 1958) Tratamento das Fundações Injetabilidade em Solo GR = (D15)solo (D85)calda Injeção com cimento se GR > 11 e mais indicado se GR > 24 Injeção com cimento e bentonita se GR > 5 Injetabilidade em Rocha (largura da fissura) GRR = (D95)calda Injeção com cimento se GRR > 2 e mais indicado se GRR > 5 Mitchell & Katti (1981) Fases de um Projeto de Auscultação de Barragens (i) inspeções visuais periódicas e especiais da barragem, extravasor, estruturas auxiliares e reservatório. (ii) instrumentação geotécnica da barragem (maciço e fundações), compreendendo comumente a instalação dos seguintes instrumentos: • medidores de NA, para medidas do nível d’ água no maciço e na fundação da barragem; • piezômetros, para medidas de poropressões (cargas piezométricas) em diferentes pontos do maciço e da fundação da barragem; • marcos superficiais, para medidas de deslocamentos verticais (recalques) da barragem; • medidores de vazão, para medidas das vazões efluentes dos sistemas de drenagem interna e/ou das ombreiras da barragem; • réguas linimétricas, para medidas do nível d’ água no reservatório. (iii) monitoramento ambiental das águas efluentes da barragem e/ou das águas subterrâneas (análises físico-químicas, compreendendo medidas de turbidez, pH, natureza e teores das substâncias químicas dissolvidas, presença de substâncias tóxicas e/ou radioativas, etc). Instrumentação Convencional de Barragens Medidores de Vazões Medidas de vazões constituem um dos parâmetros de correlação direta com a análise do desempenho de uma barragem. Com efeito, as características de locação, quantidade e qualidade da água de percolação ao longo da barragem ou da sua fundação e, particularmente, variações bruscas destas características, podem indicar problemas associados à obstrução dos drenos, erosão interna e aumento de poropressões. Isto é particularmente evidente na fase operacional, a partir da caracterização dos valores de referência das vazões de percolação. O procedimento típico para a medida de vazões é promover a concentração do fluxo em caixas ou galerias de concreto, às quais se incorporam vertedores de seção triangular ou trapezoidal ou calhas Parshall. Instrumentação Convencional de Barragens Medidores de Deslocamento Superficial São instrumentos destinados à determinação dos deslocamentos verticais (e também horizontais) dos maciços da barragem. Tipicamente, os marcos de superfície são construídos com vergalhões de aço CA50 1½” de diâmetro e 1,1 m de comprimento. Na parte superior do vergalhão é instalada uma semiesfera de 15 mm de diâmetro. Esta estrutura é então chumbada com um bloco de concreto com 0,3 m de diâmetro e 1,2 m de profundidade, nas regiões da crista, bermas e talude de jusante. Os deslocamentos são medidos de forma bastante simples, através de levantamentos topográficos periódicos, em relação a marcos fixos (marcos de referência) instalados em locais ou pontos indeformáveis fora da região de influência da barragem. Instrumentação Convencional de Barragens Medidores do Nível D’água A determinação da posição exata da linha freática no interior do maciço compactado de uma barragem constitui subsídio de grande relevância nas análises de sua estabilidade ou na interpretação dos resultados de sua piezometria. O princípio geral dos instrumentos para a medição do nível consiste basicamente em se acessar diretamente a água em profundidade (por meio da simples execução de furos de trado ou sondagem, por exemplo) e medir a cota da sua superfície por meio de um dispositivo qualquer. Na prática de barragens, o medidor é constituído por um tubo de PVC perfurado que é instalado no furo de sondagem, envolvido por material filtrante (geotêxtil) e drenante (areia).Uma camada selante é utilizada para vedar o espaço anular superior entre o tubo e o furo e uma estrutura de concreto de proteção é executada em superfície. Instrumentação Convencional de Barragens Medidores do Nível D’água Instrumentação Convencional de Barragens Piezômetros A avaliação das condições de segurança de barragens depende, em larga escala, da magnitude e da evolução das poropressões que se desenvolvem nos maciços, fundações e ao longo do depósito de rejeitos acumulados. No corpo da barragem e nas fundações, as poropressões são geradas pelas tensões crescentes oriundas do próprio processo de construção. No caso das fundações, as poropressões são geradas tanto pelas tensões de carregamento impostas pela construção do próprio maciço e pelos acréscimos das cargas hidráulicas oriundas da subida do nível do reservatório. Os instrumentos convencionalmente utilizados para a medida de poropressões em obras geotécnicas são os piezômetros. Estes instrumentos podem ter diferentes naturezas e princípios de funcionamento, compreendendo tanto a medição direta das poropressões (expressa, por exemplo, pela altura da coluna d’ água no interior de um tubo de pequeno diâmetro, nos chamados piezômetros de tubo aberto ou de Casagrande) como a medição indireta através da correlação com medidas de outras grandezas (por exemplo, através das medidas das deformações de uma membrana elástica inserida no interior de um elemento poroso, nos chamados piezômetros de membrana). Instrumentação Convencional de Barragens (i) Piezômetros de Tubo Aberto (Tipo Casagrande) Estes piezômetros são constituídos por tubos de PVC, em cujas extremidades inferiores se acopla uma célula (trecho perfurado de tubo envolvido com geotêxtil). A célula fica inserida em um bulbo de material drenante e confinada num trecho limitado (usualmente de 1,0 a 1,5 m) por uma camada selante (usualmente bentonita ou solo-cimento), utilizada para vedar o espaço anular entre o tubo e o furo. Em superfície, o instrumento deve ser devidamente protegido. A pressão da água na região do bulbo é convertida diretamente em uma altura d’ água equivalente. Os procedimentos de leitura são essencialmente similares àqueles descritos anteriormente para os medidores de nível d’água. Instrumentação Convencional de Barragens (ii) Piezômetros Hidráulicos Os piezômetros hidráulicos são constituídos por uma pedra porosa, conectada a um painel de leitura externo por meio de dois tubos flexíveis de nylon revestidos de polietileno, que são completamente saturados com água destilada e deaerada. Por meio da pedra porosa, a água contida nos solos fica em contato direto com a água no interior da tubulação e no painel de leituras. Assim, qualquer variação de poropressão junto à célula piezométrica será automaticamente registrada no indicador externo de pressões (manômetros mecânicos ou de mercúrio, transdutores elétricos de pressão, etc). As medidas de pressões são feitas mediante a abertura dos registros que conectam cada um dos tubos provenientes do piezômetro hidráulico ao medidor externo, aguardando-se a completa estabilização das mesmas. Instrumentação Convencional de Barragens (iii) Piezômetros Pneumáticos Os piezômetros pneumáticos, como o próprio nome identifica, efetuam as medidas das poropressões a partir de um processo pneumático (expresso em termos da injeção de um gás, geralmente nitrogênio) que tem por objetivos propiciar um regime de equalização de pressões internas na célula piezométrica e forçar a deflexão de um diafragma associado à mesma. A célula piezométrica é conectada a um medidor externo de pressões através de dois tubos flexíveis, designados como ‘tubo de alimentação’ e ‘tubo de retorno’. Através do tubo de alimentação, injeta-se gás comprimido com pressão conhecida até a célula piezométrica.Quando a pressão de gás torna-se maior que a pressão da água, o diafragma se abre, permitindo o fluxo de gás pela tubulação de retorno, que é detectado pelo operador em superfície Instrumentação Convencional de Barragens Réguas Linimétricas São réguas graduadas inseridas em pontos estratégicos e de fácil acesso do reservatório para permitir a leitura direta do nível da água e/ou dos rejeitos acumulados. Em alguns casos, estas medições são complementadas por meio de levantamentos batimétricos efetuados periodicamente ao longo do reservatório de rejeitos. Instrumentação Convencional de Barragens Exemplo de Projeto de Instrumentação Geotécnica de uma Barragem PB: piezômetros hidráulicos instalados no maciço da barragem; PN: piezômetros hidráulicos instalados na fundação da barragem; PG: piezômetros de tubo aberto; MN: medidores de nível d’ água. Exemplo de ‘Check List’ de Auscultação de uma Barragem Barragem: X Rio de Peixe Tipo de Inspeção: X Mensal Parâmetros de Qualidade da Água Amostras Nível do Reservatório Especial Ítens a Serem Verificados 01 Acessos 752.724 1 2 X E 03 Processos erosivos nas margens X R 04 Canaletas de drenagem superficial X I 06 Limpeza e conservação dos taludes X S 07 Limpeza e conservação das ombreiras X 08 Galeria de extravasão e vertedouro X 09 Deslocamento da crista X M 10 Alterações no enrocamento de montante X A 11 Trincas e/ou rachaduras no maciço X C 12 Presença de pequenos animais X I X Ç 14 Água nas ombreiras ou talude de jusante X O 15 Recalques nos taludes e/ou à jusante X 16 Ineficiência ou falta de cobertura vegetal X 17 Erosão na superfície de concreto X E 18 Trincas e fissuras nas estruturas X X 19 Deslocamento entre os blocos X T 20 Danos na bacia de dissipação de energia X R 21 Descarga sólida na galeria extravasadora X A 22 Percolação nas paredes da galeria X Legenda: Vazões dos Filtros Medidores Vazão (m³/h) Filtro Efluente Ombreira Direita Filtro Ombreira Direita Ombreira Esquerda Filtro Ombreira Esquerda Extravasor Extravasor 40,31 SECO SECO Barragem Descrição da Anomalia Detectada Ação Corretiva Medidor de vazão foi limpo, e canal de escoamento do filtro foi dragado parcialmente. Fazer limpeza com retroescavadeira. Dique 01 Tulipa encontra-se com duas janelas abertas Inspeção mensal. Presença de muitos animais de pastagens e pessoas estranhas. Manter vigilância da Barragem. Presença de erosão em estágio inicial no corpo da Barragem devido ao trânsito de pessoas. Incluido solução no Projeto da GAINS. Recuperar estrada de acesso ao pé da Barragem e galeria de escoamento da água do extravasor. Incluido solução no Projeto da GAINS. X A 05 Conservação da instrumentação 23 Percolação nas paredes do extravasor Turbidez Efluente X G 02 Assoreamento generalizado 13 Água entre a barragem e o extravasador 3 PH X 1 - Situação ou condição normal Responsável pela Inspeção: Visto GAGHS: Ação Corre 2 - Situação ou condição anormal que requer maior observação 3 - Situação ou condição crítica que requer ação corretiva imediata Rogério_____________________19/03/2003 ________________ ____/___/___ _______ Desvio do Rio Desvio do Rio Desvio do Rio Desvio do Rio Desvio do Rio Desvio do Rio