PROGRESSÃO DA EROSÃO INTERNA EM BARRAGENS DE ATERRO

Transcrição

1 PROGRESSÃO DA EROSÃO INTERNA EM BARRAGENS DE ATERRO Ricardo Santos Bolseiro de Doutoramento Departamento de Geotecnia Núcleo de barragens e obras de aterro Orientadores Laura Caldeira Emanuel Maranha das Neves

2 Relevância das barragens na sociedade Usos recreativos Produção de energia elétrica Controlo de cheias Múltiplos fins BARRAGENS Armazenamento de rejeitados Rega Abastecimento de água potável

3 Relevância das barragens na sociedade Perdas humanas Questões ambientais Problemas económicos Rotura BARRAGEM Problemas políticos Problemas sociais

4 Relevância das barragens de aterro Fonte: ICOLD

5 Relevância das barragens de aterro Fonte: ICOLD

6 Modos de rotura das barragens de aterro Instabilidade de taludes 4% Sismo 2% Erosão interna 48% Galgamento 46% Fonte: Foster, Fell e Spannagle (2000)

7 Fases do processo de erosão interna FASE 1 INICIAÇÃO Fuga de água a jusante do núcleo e início de erosão regressiva FASE 2 CONTINUAÇÃO/FILTRAGEM Continuação da erosão para montante do núcleo Ausência ou funcionamento incorrecto do filtro subvertical FASE 3 PROGRESSÃO PARA EROSÃO TUBULAR Progressão da erosão para a formação de um canal até ao paramento de montante FASE 4 FORMAÇÃO DE BRECHA Albufeira vazia Rotura da barragem B Corte transversal pela brecha B'

8 Fases do processo de erosão interna FASE 1 - INICIAÇÃO DA EROSÃO FASE 2 - CONTINUAÇÃO/FILTRAGEM FASE 3 - PROGRESSÃO PARA EROSÃO TUBULAR Erodibilidade do solo Capacidade do material permanecer com tubo aberto Limitação do caudal por materiais de montante FASE 4 - FORMAÇÃO DE BRECHA

9 Progressão para erosão tubular Tunbridge Dam, Tasmânia, Austrália, 11/28/2008 Fonte: Jeffery Farrar (2008)

10 Progressão para erosão tubular Fonte: Hanson e Hunt (USDA, 2007)

11 Ensaio de erosão por fuga concentrada Régua Piezómetro de montante Cota variável entre 300 mm e 1100 mm Tanque de montante abastecido por reservatório elevado de grande capacidade Dreno 200 mm Purga de ar Piezómetro de jusante Furo pré-formado Ø6 mm Purga de ar Câmara de Perspex de Montante Medidor de caudal electromagnético l/h Dreno Tanque de jusante Válvula de controlo Câmara de Perspex de Jusante Solo compactado no molde Proctor Cascalho uniforme limpo com particulas de 20 mm a 30 mm

12 Ensaio de erosão por fuga concentrada

13 Ensaio de erosão por fuga concentrada

14 Ensaio de erosão por fuga concentrada

15 Ensaio de erosão por fuga concentrada

16 Ensaio de erosão por fuga concentrada > Furo no final do ensaio

17 Ensaio de erosão por fuga concentrada > Evolução dos caudais nos ensaios com progressão da erosão Caudal (l/h) a a Ensaios HET 004a a a a tempo (s)

18 Ensaio de erosão por fuga concentrada > Mecânica dos fluidos Evolução do diâmetro do furo Estimativa do diâmetro do furo pré-formado, Dt (mm) Ensaio 008 Estimativa do diâmetro do furo, D t (mm) y= x x x 3 dd t /dt Tempo (s) ddt/dt (mm/seg) Tensão de corte Dt τ =ρ. gi.. 4 t w t Taxa de erosão ε & = t ρd 2 dd dt t

19 Ensaio de erosão por fuga concentrada > Estimação dos parâmetros de erodibilidade, I HET e τ c Ensaio 008 τ vs ε ε=k er (τ-τ c ), com I HET = -log(k er ) ε & = k ( τ τ ) t er t c ε (kg/m 2 /s) y= x K er Coeficiente de erosão τ c Tensão de corte crítica Índice de taxa de erosão I HET = log( k ) er τ c =153.5 N/m 2 k er =5.87x10-5 s/m; I HET = τ (N/m 2 )

20 Ensaio de erosão por fuga concentrada > Classificação da erodibilidade em função de I HET Grupo Índice de taxa de erosão, I HET Descrição da erosão através de uma fuga 1 <2 Extremamente rápida Muito rápida Moderadamente rápida Moderadamente lenta Muito lenta 6 >6 Extremamente lenta

21 Ensaio de erosão por fuga concentrada > Resultado de I HET nas curvas de compactação 21 Peso volúmico seco, γd [kn/m 3 ] Curva de saturação (G s =2.8) Energia de compactação Leve Pesada "Reduzida" Pesada (I HET >6) "Reduzida" (I HET >6) 4.70 S r =100% S r =90% S r =70% S r =80% Teor em água, w [%]

22 Ensaio de erosão por fuga concentrada > Resultado de τ c (N/m 2 ) nas curvas de compactação 21 Peso volúmico seco, γd [kn/m 3 ] Curva de saturação (G s =2.8) Energia de compactação Leve Pesada "Reduzida" Pesada (ND) "Reduzida" (ND) ND = Não foi possível determinar τ c, dado que o furo não erodiu S r =100% S r =90% S r =70% S r =80% Teor em água, w [%]

23 Limitação da progressão da erosão Influência de materiais a montante do núcleo > Restrição do caudal > Preenchimento do tubo de erosão Assentamento sucessivo do material com o arrastamento das partículas para o interior do tubo Poço Erosão tubular Preenchhimento com material de montante Filtro inexistente ou sem capacidade de reter as partículas do núcleo Partículas do material de montante são retidas pelo filtro Enrocamento Núcleo Enrocamento Material de montante

24 Limitação da progressão da erosão WAC Bennett Dam Canadá Fonte: Steve Garner, BCHydro (2007) Altura de aterro=186 m Comprimento= 2 km Produção de energia elétrica= 13 biliões kwh/ano

25 Ensaio de limitação da progressão da erosão Régua (mm) Piezometro de montante Tanque de montante 1250 mm a 2250 mm Piezómetro da interface Água proveniente de tanque elevado Tanque de jusante 200 mm Piezómetro de jusante Purga Furo pré-formado Purga 2 molas concéntricas Medidor de caudal electromagnético l/h 50 Válvula de controlo Válvula de controlo Câmara digital Placa de vidro acrílico Câmara de jusante Núcleo Material de montante

26 Ensaio de limitação da progressão da erosão > Etapas da assemblagem do equipamento > Compactação/furação da amostra de ensaio Núcleo Material de montante Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3 Etapa 4 Etapa 5 Etapa 6 Etapa 7

27 Ensaio de limitação da progressão da erosão > Célula de ensaio Material de montante Núcleo

28 Ensaio de limitação da progressão da erosão 100 #200 #100 #60 #40 Caracteristicas dos materiais de montante com finos com plasticidade #20 #10 #4 3 / 8 " 3 / 4 " 1" 1 1 / 2 "2" Percentagem acumulada passada em peso Tipo A - Zona de elevada permeabilidade (cascalho limpo) Tipo B - Material com 5% a 15% finos com plasticidade B1 - Material oriundo da barragem de Odelouca (material que passa peneiro de 2"), capaz de suportar um tubo aberto B2 - Material com curva descontinua (internamente instável) Tipo C - Material com >15% finos com plasticidade, capaz de suportar um tubo aberto C - Material B1 truncado ao peneiro 3/4" Curvas Granulométricas Tipo A Tipo B1 Ttipo B2 Tipo C Material Base Fronteira de 15% Fronteira de 5% Tamanho das partículas (mm)

29 Ensaio de limitação da progressão da erosão 100 #200 #100 #60 Caracteristicas dos materiais a montante com finos não plásticos #40 #20 #10 #4 3 / 8 " 3 / 4 " 1" 1 1 / 2 "2" Percentagem acumulada passada em peso Tipo D - Material com <15% finos não plásticos D2 - Material com curva granulometrica descontinua (internamente instável) Tipo E - Material com 15% a 30% finos não plasticos, capaz de suportar um canal E1 - Material oriundo da Barragem de Ribeiro Grande e Arco (< 2") E2 - Material E1 truncado ao peneiro 3/4" Tipo F - Material com >30% finos não plásticos, capaz de suportar um canal F - Material D1 truncado ao peneiro 3/8" Curvas Granulométricas Tipo E1 Tipo D2 Tipo E2 Tipo F Material base Fronteira de 30% Fronteira de 15% Tamanho das partículas (mm)

30 Ensaio de limitação da progressão da erosão > Resultados: Progressão da erosão sem restrição do caudal Caudal 180 Caudal (l/h) 1650 Pressão no piezometro a montante (cm) Pressão no piezometro na interface (cm) 165 Pressão no piezometro ia jusante (cm) Caudal (l/h) MONT INT Pressão piezometrica (cm) JUS Tempo (min)

31 Ensaio de limitação da progressão da erosão > Resultados: Progressão da erosão sem restrição do caudal Df=20mm Df= 48mm Núcleo Material de montante

32 Ensaio de limitação da progressão da erosão > Resultados: Restrição do caudal a montante Caudal (l/h) Pressão piez Montante (cm) 1600 Pressão no piezómetro da interface (cm) 150 Pressão no piezometro de jusante (cm) Caudal (l/h) MONT Água com baixa turvação no início Água aclara ao fim de 50 minutos Caudal começa a estabilizar nos 1350 l/h Caudal Pressão piezométrica (cm) 1200 INT 30 JUS Tempo (min)

33 Ensaio de limitação da progressão da erosão > Resultados: Restrição do caudal a montante Df= 26mm Df= 12mm Núcleo Material de montante

34 Ensaio de limitação da progressão da erosão > Resultados: Caudal cessa por completo MONT INT Caudal (l/h) 1000 Fecho da torneira do piezómetro intermédio Reabertura da torneira do piezómetro Alívio da pressão por remoção de água no piezómetro 400 Caudal (l/h) 80 Pressão no piezometro a montante (cm) Pressão no piezometro na interface (cm) Colmatação do furo Pressão no piezometro a jusante (cm) Pressão piezometrica (cm) JUS 0 Caudal Tempo (min)

35 Ensaio de limitação da progressão da erosão > Resultados: Caudal cessa por completo Df= 14mm Núcleo Material de montante

36 Ensaio de limitação da progressão da erosão > Resultados: Erosão diminui durante um período tempo Provável bloqueio do furo a montante do piezometro INT Caudal Caudal (l/h) Pressão piez MONT (cm) 1500 Pressão piez INT (cm) Pressão piez JUS (cm) 300 Caudal (l/h) Provável colapso progressivo do furo no material a montante Altura piezométrica (cm) 500 Formação de um novo caminho de erosão 100 MONT INT JUS Tempo (min)

37 Ensaio de limitação da progressão da erosão > Resultados: Erosão diminui durante um período tempo

38 Conclusões >O ensaio permite avaliar se existe restrição do escoamento e se a erosão cessa ou diminui devido à presença de um material a montante do núcleo. >A restrição do escoamento é influenciada por algumas características do material de montante (finos plásticos ou não plásticos, % finos, % cascalho, forma da curva granulométrica,...). >As condições de compactação do material de montante influenciam a capacidade de restrição do escoamento e de limitação da erosão.

39 PROGRESSÃO DA EROSÃO INTERNA EM BARRAGENS DE ATERRO Ricardo Santos Bolseiro de Doutoramento Departamento de Geotecnia Núcleo de barragens e obras de aterro Orientadores Laura Caldeira Emanuel Maranha das Neves