COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS
XXVII SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS
BELÉM - PA, 03 A 07 DE JUNHO DE 2007
T100 – A06
COMPARATIVO ENTRE MÉTODOS DE DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE
PERMEABILIDADE DE SOLOS GRANULARES À CARGA CONSTANTE
Fabio de Oliveira PENNA Neto
Engenheiro Líder do Laboratório de Materiais de Construção da UHE Tucuruí Eletronorte
Diyoiti SHINOHARA
Técnico Especializado do Laboratório de Materiais de Construção da UHE Tucuruí Eletronorte
João Benedito Ribeiro de FARIAS
Técnico Especializado do Laboratório de Materiais de Construção da UHE Tucuruí Eletronorte
Raimundo de Jesus Santos PINHEIRO
Técnico Especializado do Laboratório de Materiais de Construção da UHE Tucuruí Eletronorte
RESUMO
Este trabalho apresenta os resultados de um estudo realizado pelo Laboratório de
Materiais de Construção da Eletronorte, situado na UHE Tucuruí, onde foram
determinados os coeficientes de permeabilidade de solos granulares, utilizados na
execução de filtros, em barragens de terra e enrocamento. O estudo foi realizado
com o objetivo de verificar se uma mesma amostra, nas mesmas condições físicas
e, submetidas aos mesmos gradientes hidráulicos, apresentaria o mesmo coeficiente
de permeabilidade, quando ensaiada conforme NBR-13292 da ABNT e pelo método
“KAPETSKI” tradicionalmente utilizado pela Eletronorte, durante a construção da 1ª
Etapa e parte da Etapa de Expansão da UHE Tucuruí, para controle da
permeabilidade de filtros.
ABSTRACT
This paper presents the results of a study drawn up by the Construction Material
Laboratory of Eletronorte, located in Tucuruí power plant, where were carried out the
permeability test of soils used in the filters of the earth rockfiil dam embankment. The
study was accomplished with the objective of verifying if a given sample, in the same
physical conditions , submitted to the same hydraulic gradient, would present the
same permeability coefficient when tested by NBR-13292 of ABNT standard and by
method “KAPETSKI”, traditionally used by the soil laboratory of Eletronorte, during
the construction of the first stage and part of the second stage of extension works of
Tucuruí power plant for the control of the permeability of filters.
XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens
1
1.
INTRODUÇÃO
A Usina Hidrelétrica Tucuruí foi executada em duas etapas distintas. A 1ª Etapa de
construção se deu no período de 1975 a 1992 e a etapa de expansão, no período de
1998 a 2006.
Somente a partir de 1995 é que a ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas
publicou a NBR-13292, normalizando o método para a determinação do coeficiente
de permeabilidade de solos granulares à carga constante.
Desta forma, durante todo o período construtivo da 1º Etapa da UHE Tucuruí e parte
da Etapa de Expansão, até que fossem disponibilizados no mercado e implantados
no Laboratório de Materiais de Construção, os permeâmetros e demais
equipamentos necessários para atender a NBR-13292, o controle da permeabilidade
dos filtros foi executado conforme método “KAPETSKI”, metodologia esta vigente à
época nos Laboratórios da CESP - Centrais Elétricas de São Paulo e IPT - Instituto
de Pesquisas Tecnológicas, entre outros laboratórios.
Conforme especificação da obra, os filtros deveriam ser construídos com areia
natural média, coeficiente de permeabilidade 10-2cm/s e compacidade relativa 42% <
CR Mensal < 65% para filtros inclinados e verticais e CR > 65% para filtros
horizontais [1].
A areia artificial (pedrisco) foi utilizada na execução das transições e tinha como
parâmetro de controle a obtenção de peso específico seco >1,7 t/m3 [1].
2.
PRINCIPAIS DIFERENÇAS ENTRE MÉTODOS
A Tabela 1, a seguir relaciona as principais diferenças entre os dois métodos:
Método de Ensaio
Procedimento/Norma
Permeâmetros
(Dimensões)
Corpo de Prova
(Dimensões)
KAPETSKI
(PTCTM-ME-0401)
NBR-13292/95
(Permeâmetro Tipo 1)
∅
(cm)
L
(cm)
Relação
L/∅
∅
(cm)
L
(cm)
Relação
L/∅
10,441
12,929
1,2
13,776
30,000
2,2
10,441
12,929
1,2
13,776
16,400
1,2
Saturação do
Corpo de Prova
Adição de água com auxílio de mangueira Aplicação
de
bomba
de
vácuo
ligado na base do CP elevando a carga até gradativamente até atingir 67 KPa (50cm
surgência de água no topo.
Hg), conforme norma.
Ligação dos Tubos
Manométricos no
Corpo de Prova
Tubo inferior, abaixo da base do corpo de Tubo inferior, acima da base do corpo de
prova e o superior acima do topo dele prova e o superior abaixo do topo dele
aproximadamente 2,5cm.
aproximadamente 2,8cm.
TABELA 1: Principais diferenças entre métodos de ensaio
XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens
2
3.
PROGRAMAÇÃO DO ESTUDO
3.1 MÉTODOS DE ENSAIOS UTILIZADOS
- Preparação para Ensaios de Compactação e Ensaios de Caracterização, NBR6457;
- Grãos de Solos que Passam na Peneira de 4,8mm. Determinação da Massa
Específica, NBR-6508;
- Análise Granulométrica, NBR-7181;
- Determinação do Índice de Vazios Máximo de Solos Não-coesivos, NBR-12004;
- Determinação do Índice de Vazios Mínimo de Solos Não-coesivos, NBR-12051;
- Determinação do Coeficiente de Permeabilidade de Solos Granulares à Carga
Constante, NBR-13292;
- Determinação do Coeficiente de Permeabilidade em Materiais Granulares - Carga
Constante (Kapetski) - Método de Ensaio da Eletronorte - PTCTM-ME-0401.
3.2 MATERIAIS UTILIZADOS NA PESQUISA
Além da areia média natural dragada do rio Tocantins, utilizada na construção dos
filtros (vertical e horizontal) da UHE Tucuruí, foram também ensaiadas amostras de
areia natural fina, de jazida do município vizinho do Breu Branco e areia artificial
(pedrisco), fabricado na Central de Britagem e utilizado na execução de transições.
Essa escolha foi feita com o objetivo de verificar se, com características
granulométricas diferentes e, areia natural ou artificial, os resultados teriam as
mesmas tendências.
A Figura 1 a seguir mostra as curvas granulométricas de cada amostra e respectivos
resultados de ensaios.
Areia
Areia
Pedrisco
Media 100 Fina
(%)
(%)
(%)
Passante
Passante Passante
´
PENEIRAS (ASTM) Nº
90
90
1"
100,0
3/4"
100,0
1/2"
100,0
100,0
100,0
80
100,0
100,0
99,8
100,0
99,2
Porcentagem que Passa
70
3/8"
100,0
4
98,3
10
96,7
16
94,9
30
81,4
60
50
100,0
71,8
99,6
37,0
98,6
27,6
91,6
16,7
40
30
PORCENTAGEM QUE PASSA (%)
PORCENTAGEM QUE PASSA (%)
80
100,0
60 50
72,5
20
16
10 8
4
3/8" 1/2"
3/4"
1"
11/2" 2"
3"
2
3
4
60
14,6
31,6
7,4
100
4,6
9,1
4,5
5
20
30
60
40
Faixa Especificada
UHE Tucuruí
50
50
40
60
30
70
6 7 8 91
0,01
6"
10
70
80
Areia Média Natural Dragada do Rio
Tocantins
Areia Fina da Jazida do Breu Branco
Pedrisco (Areia Artificial)
90
100
2
3
4
5
6 7 8 91
0,1
2
3
4
5
6 7 8 91
1
2
3
4
5
6 7 8 91
10
2
3
4
5
6 7 8 91
100
Diâmetro dos grãos (mm)
PEDREGULHO
AREIA
USCS
SILTE
FINA
2,8
4"
0
0
1
0,001
1,5
30
11,7
0
200
40
10
10
44,1
10080
Massa Específica
dos Grãos
2,650 g/cm3
2,670 g/cm3
2,773 g/cm3
20
20
40
200
100
PORCENTAGEM RETIDA(%)
Peneiras
Nº
´
MEDIA
GROSSA
FINO
GROSSO
2,9
FIGURA 1: Curvas granulométricas das areias ensaiadas
XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens
3
3.3 PROCEDIMENTOS DE PREPARAÇÃO
PROVA E EXECUÇÃO DOS ENSAIOS
DAS
AMOSTRAS, MOLDAGENS
DOS
CORPOS
DE
- Secagem e homogeneização dos materiais em quantidades suficientes para a
realização do estudo.
- Moldagem do corpo de prova no cilindro do permeâmetro, calculando a massa
seca necessária para preenchimento do volume, visando a obtenção da massa
específica programada. Para o molde do método NBR-13292, foram feitas com 11
(onze) camadas iguais de 2,0cm cada e para o molde Kapetski, 4 (quatro) camadas
iguais de 3,23cm. A amostra correspondente a cada camada foi umedecida e
homogeneizada numa bandeja. Cada porção foi colocada no interior do molde e
compactada com o soquete de madeira, controlando a altura de cada camada com
régua milimetrada.
- A execução do ensaio foi feita aumentando-se a carga hidráulica de 1,0cm em
1,0cm, de modo a estabelecer adequadamente a região do fluxo laminar.
- Foi utilizada água destilada nos ensaios.
3.4 ESQUEMAS DOS EQUIPAMENTOS ENVOLVIDOS NOS ENSAIOS
3.4.1 Montagem dos equipamentos conforme NBR-13292
A Figura 2, a seguir, apresenta foto e detalhe esquemático da montagem dos
equipamentos de ensaio conforme prescrição da NBR-13292.
XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens
4
FIGURA 2: Aparelhagem conforme NBR-13292
XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens
5
3.4.2 Montagem dos equipamentos conforme método “KAPETSKI”
A Figura 3, a seguir, apresenta foto e detalhe esquemático da montagem dos
equipamentos de ensaio, conforme prescrição do método “KAPETSKI”.
B
13
C
A
12
09
10
03
16
∆h
15
02
11
06
14
07
09
05
01
04
1.
2.
3.
4.
Câmara inferior;
Cilindro do corpo-de-prova;
Cabeçote;
Disco de chapa metálica perfurada
(furos com diâmetro de 1/16");
5. Flange;
6. Parafusos;
7. Anel metálico;
8. Saída inferior para a bureta
piezométrica (C);
9. O-ring;
08
10. Saída superior para a bureta piezométrica (B);
11. Tubo de regulagem para medir a vazão do
corpo-de-prova;
12. Ladrão do cabeçote;
13. Alimentação d'água;
14. Proveta;
15. Controle de altura do suporte;
16. Suporte;
A Painel de leitura;
B Bureta piezométrica;
C Bureta piezométrica
FIGURA 3: Aparelhagem conforme método Kapetski - PTCTM-ME-0401
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6
4.
RESULTADOS DOS ENSAIOS
4.1 FÓRMULA PARA CÁLCULO DO COEFICIENTE DE PERMEABILIDADE À CARGA CONSTANTE
(K20ºC cm/s).
i=
H
L
(1)
Onde:
i é o gradiente hidráulico;
H é a diferença nos níveis dos tubos piezométricos (cargas) (cm);
L é a altura do corpo de prova (cm).
Q=
∆V
∆t
(2)
Onde:
Q é a vazão (cm3/s);
∆V é o volume escoado (cm3);
∆t é o tempo gasto (s).
Vt =
Q
A
(3)
Onde:
Vt é a velocidade de fluxo (cm/s);
Q é a vazão (cm3/s);
A é a área do corpo de prova (cm2).
K 20º C =
∆Vt 20º C
∆i
(4)
Onde:
K20ºC é o coeficiente angular da reta, que corresponde ao coeficiente de
permeabilidade (cm/s);
∆Vt20ºC é a velocidade de fluxo à 20°C (cm/s);
∆i é o gradiente hidráulico dentro do regime laminar.
4.2 VELOCIDADE DE FLUXO X GRADIENTE HIDRÁULICO.
Nas Figuras 4 a 6 estão os gráficos da relação: velocidade de fluxo versus gradiente
hidráulico para determinação do coeficiente angular da reta, que corresponde ao
coeficiente de permeabilidade, K20ºC.
XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens
7
0,060
Velocidade de Fluxo ( cm/s) (V-20°C.)
0,055
LEGENDA:
Permeâmetro NBR-13292/95 – Tipo 1
0,050
Permeâmetro Convencional (Kapetski)
0,045
Pontos de Leituras do Ensaio
0,040
0,035
CR = 40%
-2
K20°C = 2,93 X 10 cm/s
0,030
CR = 60%
-2
K20°C = 2,60x10 cm/s
0,025
0,020
CR = 40%
-2
K20°C = 1,32 X 10 cm/s
0,015
0,010
0,005
0,000
0,00
CR = 60%
-3
K20°C = 9,39 X 10 cm/s
0,06
0,12
0,18
0,24
0,30
0,36
0,42
0,48
0,54
0,60
0,66
0,72
0,78
0,84
0,90
0,96
1,02
Gradiente ( i = ∆ h / L )
FIGURA 4: Areia fina
0,060
Velocidade de Fluxo ( cm/s) (V-20°C.)
0,055
LEGENDA:
Permeâmetro NBR-13292/95 – Tipo 1
Permeâmetro Convencional (Kapetski)
0,050
Pontos de Leituras do Ensaio
CR = 40%
K20°C = 5,86 X 10 -2 cm/s
0,045
0,040
0,035
CR = 60%
-2
K20°C = 4,73 X 10 cm/s
0,030
CR = 40%
-2
K20°C = 2,44 X 10 cm/s
0,025
0,020
0,015
CR = 60%
-2
K20°C = 1,84 X 10 cm/s
0,010
0,005
0,000
0,00
0,06
0,12
0,18
0,24
0,30
0,36
0,42
0,48
0,54
0,60
0,66
0,72
0,78
0,84
0,90
0,96
1,02
Gradiente ( i = ∆ h / L )
FIGURA 5: Areia média
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8
0,130
Velocidade de Fluxo ( cm/s) (V-20°C.)
0,120
LEGENDA:
Permeâmetro NBR-13292/95 – Tipo 1
0,110
Permeâmetro Convencional (Kapetski)
0,100
Pontos de Leituras do Ensaio
0,090
CR = 25,0%
-1
K20°C = 3,53 X 10 cm/s
0,080
CR = 51,6%
-1
K20°C = 2,80 X 10 cm/s
0,070
0,060
0,050
CR = 25,0%
-1
K20°C = 1,15 X 10 cm/s
0,040
0,030
CR = 51,6%
-1
K20°C = 1,10 X 10 cm/s
0,020
0,010
0,000
0,00
0,06
0,12
0,18
0,24
Gradiente ( i = ∆ h / L )
0,30
0,36
0,42
FIGURA 6: Areia artificial (pedrisco)
4.3 COEFICIENTES DE PERMEABILIDADE OBTIDOS
A Tabela 2, a seguir, apresenta os resultados obtidos, em função do método
utilizado.
Amostra
Areia
natural fina
Areia
natural média
Areia grossa
artificial
(Pedrisco)
Massa Específica Aparente Seca e CR
NBR
NBR
Condições de
12051
12004
Moldagem
Coeficiente de Permeabilidade
Método
Método
Razão
Kapetski
NBR-13292
Ref.: PTCTM
Permeâmetro
NBR-13292
ME-0401
Tipo - 1
KAPETSKI
γs máx.
γs mín.
γs mold.
(g/cm³)
(g/cm³)
(g/cm³)
CR
(%)
(K20°C cm/s)
(K20°C cm/s)
1,653
40,0
2,93 x 10-2
1,32 x 10-2
2,2
1,708
60,0
2,60 x 10
-2
9,39 x 10-3
2,8
5,86 x 10
-2
2,44 x 10
-2
2,4
4,73 x 10
-2
1,84 x 10
-2
2,6
3,53 x 10
-1
1,15 x 10
-1
3,1
2,80 x 10
-1
1,10 x 10
-1
2,5
1,831
1,552
1,685
1,865
1,741
1,700
2,015
40,0
1,583
60,0
25,0
1,616
1,800
51,6
TABELA 2: Resultados obtidos
5.
CONCLUSÕES
Fica evidente que, tanto para areia fina e areia média natural ou, areia artificial tipo
pedrisco, a determinação do coeficiente de permeabilidade em quaisquer condições
de moldagem, quando executado pelo método NBR-13292 apresenta valores de 2 a
3 vezes superiores aos obtidos através do método “KAPETSKI”.
Essa variação pode implicar na liberação ou não de um material não coesivo
utilizado na construção de filtros, dependendo dos limites especificados.
XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens
9
É provável que as causas que contribuíram para essas diferenças, estejam
relacionados aos procedimentos de cada método: dimensões diferentes dos
permeâmetros e corpo de prova, saturação e ligação dos tubos manométricos no
corpo de prova, etc.
6.
AGRADECIMENTOS
À Eletronorte - ETC - Gerência das Obras da Expansão da UHE Tucuruí, pelo
incentivo e apoio dado à elaboração deste trabalho.
À Equipe do Laboratório de Materiais de Construção da Eletronorte - ETCCM, pela
realização dos ensaios apresentados neste trabalho, e ao técnico Adelmar M. Pinto
pela elaboração gráfica do mesmo.
Ao Engenheiro Oscar Machado Bandeira pela versão para o inglês do resumo do
trabalho.
7.
PALAVRAS-CHAVE
Permeabilidade, Permeâmetro, Areia.
8.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]
Consórcio Engevix-Themag (1998) - “Especificações Técnicas DT-TUC-015
Anexo VI Barragem de Terra e Enrocamento”, UHE Tucuruí - Projeto Executivo.
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