COMPARATIVO ENTRE MÉTODOS DE DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE PERMEABILIDADE DE SOLOS GRANULARES À CARGA CONSTANTE

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1 COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS XXVII SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS BELÉM - PA, 03 A 07 DE JUNHO DE 2007 T0 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 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 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

2 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 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 cm/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/m 3 [1]. 2. PRINCIPAIS DIFERENÇAS ENTRE MÉTODOS A Tabela 1, a seguir relaciona as principais diferenças entre os dois métodos: Procedimento/Norma Permeâmetros (Dimensões) Corpo de Prova (Dimensões) Saturação do Corpo de Prova (cm) KAPETSKI (PTCTM-ME-0401) L (cm) Método de Ensaio Relação L/ (cm) NBR-13292/95 (Permeâmetro Tipo 1) L (cm) Relação L/,441 12,929 1,2 13,776 30,000 2,2,441 12,929 1,2 13,776 16,400 1,2 Adição de água com auxílio de mangueira ligado na base do CP elevando a carga até surgência de água no topo. Aplicação de bomba de vácuo gradativamente até atingir 67 KPa (50cm Hg), conforme norma. Ligação dos Tubos Manométricos no Corpo de Prova Tubo inferior, abaixo da base do corpo de prova e o superior acima do topo dele aproximadamente 2,5cm. Tubo inferior, acima da base do corpo de prova e o superior abaixo do topo dele aproximadamente 2,8cm. TABELA 1: Principais diferenças entre métodos de ensaio XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 2

3 3. PROGRAMAÇÃO DO ESTUDO 3.1 MÉTODOS DE ENSAIOS UTILIZADOS - Preparação para Ensaios de Compactação e Ensaios de Caracterização, NBR- 6457; - 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 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. Peneiras N 1" 3/4" 1/2" 3/8" 4 º 16 Areia Media (%) Passante Porcentagem que Passa Areia 0 Fina (%) Passante Pedrisco (%) Passante 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 99,8 0,0 0,0 99,2 98,3 0,0 71,8 96,7 99,6 37,0 94,9 98,6 27,6 PORCENTAGEM QUE PASSA (%) PORCENTAGEM QUE PASSA (%) PENEIRAS (ASTM) Nº Massa Específica dos Grãos 2,650 g/cm 3 2,670 g/cm 3 2,773 g/cm /8" 1/2" 3/4" 1" 11/2" 2" 3" 4" 6" 0 Faixa Especificada UHE Tucuruí PORCENTAGEM RETIDA(%) ,4 91,6 16,7 44,1 72,5 11, ,001 0,01 0, ,6 31,6 7,4 Diâmetro dos grãos (mm) Areia Média Natural Dragada do Rio Tocantins Areia Fina da Jazida do Breu Branco Pedrisco (Areia Artificial) ,6 9,1 4,5 1,5 2,8 2,9 USCS SILTE AREIA PEDREGULHO FINA MEDIA GROSSA FINO GROSSO FIGURA 1: Curvas granulométricas das areias ensaiadas XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 3

4 3.3 PROCEDIMENTOS DE PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS, MOLDAGENS DOS CORPOS DE PROVA E EXECUÇÃO DOS ENSAIOS - 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 Montagem dos equipamentos conforme NBR A Figura 2, a seguir, apresenta foto e detalhe esquemático da montagem dos equipamentos de ensaio conforme prescrição da NBR XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 4

5 FIGURA 2: Aparelhagem conforme NBR XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 5

6 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. 13 B C A h Câmara inferior; 2. Cilindro do corpo-de-prova; 3. Cabeçote; 4. 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;. 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 XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 6

7 4. RESULTADOS DOS ENSAIOS 4.1 FÓRMULA PARA CÁLCULO DO COEFICIENTE DE PERMEABILIDADE À CARGA CONSTANTE (K20ºC cm/s). H i = (1) L 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). V Q= (2) t Onde: Q é a vazão (cm 3 /s); V é o volume escoado (cm 3 ); t é o tempo gasto (s). Q Vt = (3) A Onde: Vt é a velocidade de fluxo (cm/s); Q é a vazão (cm 3 /s); A é a área do corpo de prova (cm 2 ). Vt 20º C K 20º C = (4) i 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

8 Velocidade de Fluxo ( cm/s) (V0 C.) 0,060 0,055 0,050 0,045 0,040 0,035 0,030 0,025 0,020 0,015 0,0 LEGENDA: Permeâmetro NBR-13292/95 Tipo 1 Permeâmetro Convencional (Kapetski) Pontos de Leituras do Ensaio CR = 40% K20 C = 2,93 X cm/s CR = 60% K20 C = 2,60x cm/s CR = 40% K20 C = 1,32 X cm/s 0,005 CR = 60% -3 K20 C = 9,39 X cm/s 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 4: Areia fina Velocidade de Fluxo ( cm/s) (V0 C.) 0,060 0,055 0,050 0,045 0,040 0,035 0,030 0,025 0,020 0,015 0,0 LEGENDA: Permeâmetro NBR-13292/95 Tipo 1 Permeâmetro Convencional (Kapetski) Pontos de Leituras do Ensaio CR = 40% K20 C = 5,86 X cm/s CR = 60% K20 C = 4,73 X cm/s CR = 40% K20 C = 2,44 X cm/s CR = 60% K20 C = 1,84 X cm/s 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 XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 8

9 Velocidade de Fluxo ( cm/s) (V0 C.) 0,130 0,120 0,1 0,0 0,090 0,080 0,070 0,060 0,050 0,040 0,030 0,020 LEGENDA: Permeâmetro NBR-13292/95 Tipo 1 Permeâmetro Convencional (Kapetski) Pontos de Leituras do Ensaio CR = 25,0% -1 K20 C = 3,53 X cm/s CR = 51,6% -1 K20 C = 2,80 X cm/s CR = 25,0% -1 K20 C = 1,15 X cm/s CR = 51,6% -1 K20 C = 1, X cm/s 0,0 0,000 0,00 0,06 0,12 0,18 0,24 0,30 0,36 0,42 Gradiente ( i = h / L ) 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 Massa Específica Aparente Seca e CR NBR NBR Condições de Moldagem γs máx. (g/cm³) γs mín. (g/cm³) 1,831 1,552 γs mold. (g/cm³) CR (%) Método NBR Permeâmetro Tipo - 1 (K20 C cm/s) Coeficiente de Permeabilidade Método Kapetski Ref.: PTCTM ME-0401 (K20 C cm/s) Razão NBR KAPETSKI 1,653 40,0 2,93 x 1,32 x 2,2 1,708 60,0 2,60 x 9,39 x -3 2,8 Areia natural média Areia grossa artificial (Pedrisco) 1,865 1,583 2,015 1,616 1,685 40,0 5,86 x 2,44 x 2,4 1,741 60,0 4,73 x 1,84 x 2,6 1,700 25,0 3,53 x -1 1,15 x -1 3,1 1,800 51,6 2,80 x -1 1, x -1 2,5 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 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

10 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. Permeabilidade, Permeâmetro, Areia. 7. PALAVRAS-CHAVE 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Consórcio Engevix-Themag (1998) - Especificações Técnicas DT-TUC-015 Anexo VI Barragem de Terra e Enrocamento, UHE Tucuruí - Projeto Executivo. XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens