CORTINAS DE VEDAÇÃO. There is no Glory Attached to the Foundations Karl Terzaghi

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1 CORTINAS DE VEDAÇÃO There is no Glory Attached to the Foundations Karl Terzaghi

2 IV.6- CORTINAS DE VEDAÇÃO Uma barragem de terra nunca fica apoiada sobre um maciço perfeitamente estanque, existindo sempre um fluxo de água subterrâneo. Em grandes extensões de área do sul do Brasil, os solos superficiais, até vários metros de profundidade são não saturados, apresentando um valor de porosidade e coeficiente de permeabilidade que possibilitam o fácil fluxo de água. Por exemplo, na região de Campinas - SP, encontram-se solos argilosos com 70% de porosidade ( Volume de vazios / Volume total ) até 6 metros de profundidade. Em cerca de 50% do interior do Estado de São Paulo, encontram-se solos arenosos com 50% de porosidade até pelo menos 6 metros de profundidade. Aliado a esse fato, o solo superficial, até certa profundidade, que pode chegar a metros, apresenta certa quantidade de matéria orgânica e presença de raízes. É comum também a presença de buracos de animais, que podem ser de canais menores, como o de formiga, a buracos maiores, como o de tatu, etc. Esta alta porosidade do solo superficial, aliada a presença de buracos, facilita a percolação de água sobre a barragem, podendo conduzir à sua ruptura, devido a subpressões e à erosão interna da fundação. Mesmo que a barragem seja apoiada em rocha, dependendo do grau de fraturamento da rocha, pode haver grande volume de fluxo sob a barragem. Também pode ocorrer a presença de solos de baixa resistência na fundação da barragem ( solos moles, como argilas orgânicas saturadas), exigindo sua remoção total ou parcial. Apresenta-se nas Figuras IV.6.1 a IV.6.4 cortes em terrenos onde pode-se observar o buraco de animais no subsolo. Apresenta-se na Figura IV.6.5, detalhes da rocha fraturada na fundação de uma barragem.

3 Havendo um fluxo de água sobre a barragem deve-se analisar pelo menos os aspectos: - A vazão, que significa uma perda de água do reservatório, cujo volume pode ser importante, dependendo da região do país de sua localização; - O gradiente hidráulico de saída que condiciona a pressão hidrodinâmica suscetível de provocar a erosão interna do subsolo; - As subpressões, que estão associadas à estabilidade do maciço de terra. - As ações físico-químicas, que dependendo do tipo de solo, podem condicionar a estabilidade do maciço. São exemplos destes solos, os solos colapsíveis (são solos que sobre a ação de carga e com variação de umidade sofrem colapso de sua estrutura), os solos expansivos ( com aumento da umidade sofrem aumento de volume), argilas dispersivas ( sobre a ação do fluxo perdem sua estrutura e são carreadas pela água), etc. É necessário garantir que esses quatro aspectos que estão associados ao fluxo subterrâneo sejam aceitáveis, já que a vazão determina a perda de água que condiciona a rentabilidade do aproveitamento, o gradiente e as subpressões estão diretamente associados à segurança, e as ações físico-químicas podem causar efeitos prejudiciais a longo prazo. De acordo com os tipos de problemas enfrentados, deve-se geralmente procurar modificar as condições de escoamento de fluxo subterrâneo. Isto pode ser feito através de um tapete impermeável à montante e/ou um sistema de drenagem à jusante e/ou uma cortina de vedação sob o corpo da barragem. A construção da cortina de vedação sob o corpo da barragem e a construção do tapete impermeável são objetos deste capítulo sendo a construção do sistema de drenagem objeto dos capítulos IV.7 (Drenagem Interna), IV.8 (Dimensionamento de Filtros), IV.9 (Filtro em Chaminé), IV.10 (Filtro Horizontal), IV.11 (Transições), IV.12 (Dreno de Pé) e IV.13 ( Poços de Alívio).

4 A cortina de vedação sob o corpo de uma barragem visa, portanto a interrupção do fluxo sob a mesma, através da construção de uma barreira impermeável. A cortina pode ser construída de diversas maneiras, das quais destacam-se: - Cortina preenchida com material argiloso compactado, conhecida como trincheira de vedação ( cut-off ); - Diafragama plástico; - Cortina de concreto; - Cortina de injeção. São apresentados nos itens IV.6.1 a IV.6.4 deste capítulo, detalhes deste elementos Também com o objetivo de diminuir a percolação de água através da fundação pode ser construído um tapete impermeável à montante conectado à seção impermeável da barragem. É apresentado no item IV.6.5, detalhes deste elemento. IV.6.1- TRINCHEIRA DE VEDAÇÃO ( CUT-OFF ) Mesmo para barragens pequenas e solo da fundação com baixa permeabilidade, sempre é importante a construção de uma cortina de vedação. Isto porque, sempre ocorre nesta camada a presença de material orgânico e buracos deixados por raízes e animais. A escavação de trincheiras atravessando as camadas superficiais, e o seu preenchimento com materiais argilosos compactados é a forma mais utilizada para interromper o fluxo de água sob a fundação da barragem. Apresenta-se nas Figuras IV.6.6 a IV.6.19 detalhes da construção de trincheiras de vedação.

5 A execução das trincheiras com solos argilosos compactados têm as seguintes vantagens: - permite uma inspeção visual das paredes de escavação, bem como do fundo da trincheira; - permite a boa execução de um preparo superficial da base da trincheira; - permite o preenchimento da trincheira por materiais impermeáveis selecionados, compactados em camadas sob controle tecnológico; - permite o uso dos equipamentos convencionais de escavação e terraplenagem; - é relativamente econômica principalmente quando os materiais escavados da trincheira são utilizáveis para a construção do maciço da barragem (Bordeaux, 1980). A trincheira de vedação deve ser posicionada sob a crista da barragem ou a montante da mesma, observando-se que: - em barragens em que há um núcleo impermeável, a trincheira deverá ser construída diretamente abaixo do núcleo, independentemente de onde este núcleo se localize; - em barragens homogêneas (construídas com um tipo apenas de solo), a trincheira geralmente é construída na parte central da mesma; - em situações em que a configuração das camadas permeáveis do subsolo é bastante variável, por razões econômicas, deve-se procurar construir a trincheira o mais próximo possível da superfície do terreno. A profundidade da trincheira vai depender do subsolo local, identificado através de sondagens, e da altura da lâmina de água do reservatório. Esta trincheira pode ter, desde pequena espessura, até a vários metros de profundidade, dependendo da condição do subsolo local. A profundidade fica limitada pela viabilidade da escavação ser executada mecanicamente, por

6 meio de tratores, escavadeiras, etc. A presença de nível de água no subsolo limita a facilidade de escavação, e caso seja necessário prosseguir a escavação e necessário realizar o rebaixamento do lençol freático, com seu conseqüente custo financeiro. Caso seja necessária a utilização de explosivos para remoção de materiais mais resistentes, isto só pode ser feito em casos especiais, por meio de fogo controlado, em pontos localizados, de forma a não danificar o maciço subjacente. A base da trincheira deve ter, no mínimo, a largura da lâmina do trator de esteira, devendo-se iniciar a escavação numa largura maior para levar em conta a inclinação do talude. Esta inclinação deve ser adequada à estabilidade do talude, sendo que nos casos que trincheira alcance profundidades maiores, um cálculo de estabilidade deve ser realizado. Não se recomenda a utilização de tabelas, que não considerem as condições do subsolo local e as características geométricas da barragem, para a determinação da largura da base, topo e profundidade da trincheira. A trincheira de vedação deve ser preenchida por aterro, compactado nas mesmas condições em que o núcleo impermeável da barragem, no caso de barragens zoneadas. No caso de barragens homogêneas, o material de preenchimento da trincheira deve ser compactado nas mesmas condições que o maciço compactado da barragem. IV.6.2- DIAFRAGMA PLÁSTICO O diafragma plástico tem a vantagem de poder ser construído até grandes profundidades, podendo ser construído abaixo do lençol freático. Também tem a vantagem de não ser um elemento rígido na fundação, o que poderia dar origem a tensões na zona do aterro sobre o topo da parede. Estas tensões podem ser provocadas por deslocamentos (recalques) diferenciais, entre o diafragma e a fundação. Camadas aluvionares de

7 fundação, de até 100 metros de espessura, já foram impermeabilizadas por paredes diafragama (Gaioto, 2003). Deve ser executado por empresa especializada e se constituí da escavação de uma vala com largura pré-determinada (por exemplo, 1 metro) e seu preenchimento com material plástico (solo-cimento). A estabilidade da escavação é mantida, pois fica cheia com uma suspensão de argila bentonítica denominada usualmente de lama de perfuração, com composição e dosagem especificada para cada caso. Esta lama é progressivamente introduzida dentro da trincheira para compensar o volume de material retirado bem como as perdas suscetíveis de se produzirem através das paredes e do fundo da escavação. O material é retirado juntamente com a lama através de corrente de suspensão que penetra pelas bordas do equipamento de perfuração (trépano) e sobe no interior de tubos de sucção. Uma vez transportado o material escavado para a superfície, ele é separado da lama de perfuração que é retificada e reenviada à trincheira. O material de preenchimento da trincheira deve ser especificado para cada caso, para que se conseguir uma mistura econômica, que deve ser essencialmente estanque para impedir a percolação, e deformável para acompanhar sem fissuração os movimentos verticais e horizontais do terreno encaixante. São apresentados nas Figuras IV.6.20 a IV.6.24 detalhes da execução de um diafragma plástico. IV CORTINA DE CONCRETO Cortinas de concreto podem ser utilizadas para a vedação da fundações de barragens. É importante que se faça as seguintes observações sobre sua utilização:

8 - a ligação de uma cortina de concreto apoiada sobre rocha sã, com o núcleo impermeável de uma barragem constitui uma condição delicada a ser examinada, pois ela é um elemento rígido que pode puncionar a base do núcleo e criar zonas de tração com eventuais fissuras dentro do mesmo; - para uma melhor distribuição das solicitações a que é submetida, uma cortina de concreto só é recomendável quando posicionada ao longo do eixo da barragem e quando não é muito profunda. Isto para não ser esmagada sob os esforços criados pelas deformações dos solos adjacentes devido ao efeito do peso da barragem; uma cortina de concreto construída fora do eixo da barragem irá ser submetida a momentos fletores de eixo horizontal capaz de rompe-la, a não ser que a mesma seja fortemente armada; - acima do lençol freático a cortina de vedação pode ser construía com facilidade, enquanto que abaixo do lençol freático deve-se recorrer a processos executivos mais sofisticados, com a utilização de concretagem submersa. IV.6.4- CORTINA DE INJEÇÃO Se abaixo da trincheira de vedação a fundação ainda apresentar permeabilidade elevada para determinado tipo de reservatório, o tratamento pode ser feito por meio de injeção de nata de cimento ou de outros materiais impermeabilizantes, tais como, silicatos ou resinas. A cortina de injeção deve ser realizada por empresa especializada e é constituída por uma ou mais linhas de furos, executados no maciço rochoso por meio de equipamento rotativo ou roto-percurssivo. O tratamento do maciço de fundação através de injeção consiste em introduzir sob pressão, em furos, um líquido capaz de se solidificar nas fissuras, fendas ou vazios do maciço. Forma-se assim uma cortina capaz de

9 provocar perda de carga hidrostática e reduzir a percolação d água. É importante ressaltar que uma cortina de injeção não é totalmente estanque, pois é praticamente impossível se conseguir preencher todos os vazios e/ou descontinuidades presentes em um maciço de fundação. As cortinas de injeções conseguem reduzir substancialmente as vazões de percolação, mas são, muitas vezes, pouco eficientes na redução das subpressões. Casagrandre, 1961, demonstra que as injeções realizadas em várias barragens de concreto não conseguiram reduzir substancialmente tais subpressões, chamando a atenção dos técnicos sobre a importância da drenagem em fundações de barragens, na luta contra as subpressões, e alertando-os, contra uma confiança demasiada nas cortinas de injeção. Portanto, é indispensável lembrar que as injeções e a drenagem são intimamente associadas quando se estuda o tratamento da fundação de uma barragem; a adoção de um tipo (injeções) ou de outro (drenagem) ou de ambos tipos de tratamento exige amplos conhecimentos teóricos e experiências práticas da equipe encarregada de estudos, bem como requer um domínio profundo do condicionamento geomecânico e geo-hidráulico do maciço a ser tratado e, principalmente, um percepção intuitiva das eventuais descontinuidades e anomalias presentes, as quais geralmente comandam toda a tratabilidade do maciço. Tendo em vista que a percolação em maciços rochosos ocorre através de fissuras e juntas, a eficiência de uma cortina de injeção dependerá da natureza do sistema de juntas (abertura, espaçamento, preenchimento) bem como das caldas utilizadas, dos tipos de equipamentos escolhidos e dos processos tecnológicos adotados. Existem numerosos fatores a serem levados em consideração na hora de se decidir se injeções são necessárias e, em caso positivo, até qual nível de intensidade as mesmas devem ser realizadas. Os principais fatores a serem analisados são: 1- natureza do maciço rochoso, suas fraturas e sua permeabilidade;

10 2- valor da água: a quantidade de água perdida por percolações representa um valor tal que justifica despesas de injeções para eliminar ou reduzir tal percolação? 3- erosão interna: existem riscos de piping pela fundação e/ou pelo material do núcleo em contato com o maciço de fundação, os quais devem ser eliminados? 4- no caso da barragem ser de terra e enrocamento, qual será o efeito das injeções sobre as pressões intersticiais dentro do núcleo argiloso? 5- se existe a probabilidade de ocorrência de eventuais defeitos construtivos dentro do núcleo e/ou dentro dos filtros de transição, deve se prever injeções na fundação para compensar tais deficiências? 6- quais são as preocupações a serem tomadas para impedir o eventual carreamento dos finos do núcleo através de fissuras do maciço da fundação? 7- 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 da fundação? As injeções são necessárias para consolidar e reforçar o maciço de fundação? 8- para uma barragem de enrocamento com face de concreto, os caminhos de percolação reduzidos sob o plinto exigem cuidados especiais? (Bordeaux, 1980). São apresentadas nas Figuras IV.6.25 e IV.6.28 a execução de injeções em fundações de barragens. IV.6.5- TAPETE IMPERMEÁVEL À MONTANTE O tapete impermeável à montante é construído com o objetivo de reduzir o gradiente hidráulico através da fundação, diminuindo assim a vazão, pelo aumento do caminho que a água tem que percorrer sob a barragem. Como é visto no Capítulo IX, referente a permeabilidade de solos: Q = K.i.A.i.A, sendo,

11 Q = vazão; A = área normal (secção) ao escoamento; i = gradiente hidráulico = H / L; representando a perda de carga que decorreu da percolação da água na distância L. Desta maneira, aumentando-se a distância L, diminui-se a vazão Q. Em geral, o tapete é construído com o mesmo material e nas mesmas condições de compactação da barragem, para barragens homogêneas e com o mesmo material do núcleo impermeável, para barragens zoneadas. A espessura e o comprimento do tapete dependem da sua permeabilidade, da estratificação e da espessura da camada permeável da fundação e da carga do reservatório. São freqüentes espessuras variando entre 0,60 e 3,00 metros, podendo alcançar maiores valores na região logo a montante do núcleo, para aumentar a sua eficiência. São apresentados nas Figuras IV.6.29 e IV.6.30 tapetes impermeáveis de 2 barragens.

12 Figura IV.6.1- Buracos de animais no subsolo

13 Figura IV.6.2- Buracos de animais no subsolo (MAGINO)

14 Figura IV.6.3- Buracos de animais no subsolo Figura IV.6.4- Buracos de animais (canalículos) dentro da trincheira de vedação (marcados em branco)

15 Figura IV.6.5- Rocha fraturada na fundação de uma barragem.(magino) CANALÍCULOS EM SOLO ELUVIAL (S1) - SP-99 - KM (VAZ,2011)

16 CANALÍCULOS EM SOLO ELUVIAL (S1) SPSP-255, KM 260, AVARÉ, SP (VAZ,2011) CANALÍCULOS EM SOLO ELUVIAL (S1) - SPSP-99 - KM (VAZ, 2011)

17 CAMADA DE SOLO ARGILOSO NA FUNDAÇÃO DE BARRAGEM

18 Canalículos na trincheira exploratória Dique 19B (UHE Belo Monte) Canalículos na trincheira exploratória Dique 19B (UHE Belo Monte)

19 Escavação de cava para ensaio Matsuo Dique 19B (UHE Belo Monte) Escavação de cava para ensaio Matsuo Dique 19B (UHE Belo Monte)

20 Injeção de canalículo com calda de cimento Dique 19B (UHE Belo Monte) Figura IV.6.6- Início da construção de uma trincheira de vedação. (MAGINO)

21 Figura IV.6.7- Trincheira de vedação em construção. Figura IV.6.8- Trincheira de vedação em construção.(magino)

22 Figura IV.6.9- Limpeza da base de uma trincheira de vedação.(magino) Figura IV Limpeza da base de uma trincheira de vedação.

23 Figura IV início do preenchimento com solo argiloso compactado.(magino) Figura IV Início do preenchimento com solo argiloso compactado.

24 Figura IV.13- Regularização de taludes negativos com concreto. Figura IV Preenchimento da trincheira com solo argiloso.

25 Figura IV Preenchimento da trincheira com solo argiloso. Figura IV Preenchimento de uma trincheira com solo argiloso.

26 Figura IV Construção de trincheira de vedação Figura IV Construção de trincheira de vedação.

27 Figura IV Construção de trincheira de vedação. Figura IV Construção de diafragma plástico

28 Figura IV Construção de diafragma plástico Figura IV Construção de diafragma plástico

29 Figura IV Construção de diafragma plástico PCH Garganta da Jararaca. Figura IV Construção de diafragma plástico PCH Garganta da Jararca Escavação em arenito.

30 Figura IV Execução de injeção na região do núcleo. Figura IV Execução de injeção.

31 Figura IV Execução de injeção de calda de cimento para vedação das fundações da barragem. Injeções sendo executadas de dentro da galeria de drenagem da barragem. Figura IV Cut 0ff executado na Barragem Porto Primavera através de injeção de calda de cimento (Sitema Rotocret)

32 Foto Terraplan TERRAPLAN

33 Figura IV Tapete impermeável na Barragem de Jupiá (SCGBAP, 1983).

34 Figura IV Tapete impermeável na Barragem de Porto Colombia (SCGBAP, 1983)

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39 CONCRETO DE REGULARIZAÇÃO