CURSO DE CAPACITAÇÃO EM ESTRUTURAS DE BARRAGENS: TERRA, ENROCAMENTO E REJEITOS

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1 CURSO DE CAPACITAÇÃO EM ESTRUTURAS DE BARRAGENS: TERRA, ENROCAMENTO E REJEITOS Tratamento de Fundações de Barragens em Rocha e Solos PROFESSOR: Dr. Sidnei Helder Cardoso Teixeira Curitiba, 22 de Março de 2017 Tratamento de fundações Tipos e Objetivo Os materiais de fundação que apresentam baixa resistência e elevada compressibilidade são geralmente removidos para a construção do maciço da barragem; Muitas vezes ocorrem também na área de fundação materiais ou horizontes muito permeáveis, mas com características aceitáveis quanto à sua resistência e compressibilidade; É o caso, por exemplo, de um maciço rochoso muito fraturado ou de um aluvião compacto. Esses tipos de fundação não apresentam problemas de instabilidade para o maciço da barragem, mas podem permitir fugas excessivas de água; Para reduzir estas fugas, a fundação deve ser interceptada por sistemas de vedação ou de impermeabilização. 1

2 Tratamento de fundações Erosão As superfícies de contato das zonas impermeáveis das barragens com o topo rochoso da fundação e com as estruturas de concreto nelas embutidas constituem caminhos preferenciais de percolação de água e precisam ser tratadas com atenção especial; Esta percolação pode provocar o carreamento de partículas do aterro e até o desenvolvimento de um "piping", ao longo desses caminhos; Os problemas serão tanto mais graves, quanto maior for o gradiente hidráulico de percolação e menores as pressões de contato do aterro nessas superfícies; A percolação de água através dos contatos com superfícies de concreto já trazia preocupações, desde 1910, quando Bligh (em Hsu, 1982) estabeleceu que a altura crítica da água a montante de vertedouros construídos sobre fundação de areias e siltes era igual a relação entre o comprimento do caminho de percolação ao longo dos contatos e o parâmetro denominado coeficiente de erosão ("creep ratio"). Este coeficiente podia variar entre 5 e 18, dependendo do tipo de material de fundação. Tratamento de fundações Erosão Mais tarde, em 1935, Lane, estudando rupturas hidráulicas de grande número de barragens, chegou à conclusão que a erosão no sentido vertical era mais difícil que no horizontal e estabeleceu um "coeficiente ponderado de erosão" ("weighted creep ratio"), Cw, através da expressão: Cw = Onde: B - comprimento de percolação na direção horizontal, t - comprimento de percolação na direção vertical, - altura máxima de água a montante. Os valores propostos por Lane (em Vargas, 1977), para Cw, foram: Material da fundação Cw Areia fina e silte 7 a 8,5 Areia média e grossa 5 a 6 Pedregulhos 3 a 4 Argila de consistência média 2 a 3 Argila dura 1,5 a 2 2

3 Tratamento de fundações Tipos e Objetivo O maciço natural constitui uma fundação que sofrerá alterações com a construção de uma obra de barramento, principalmente pela imposição de novas tensões, sejam efetivas, pelo peso da estrutura, sejam neutras pelo reservatório formado. Os métodos de tratamento de fundações pode ser agrupados em três tipos: Substituição das materiais da fundação; Injeção; Drenagem; Os objetivos são: Melhorar a resistência dos materiais de fundação; Reduzir a percolação da água através das fundações; Reduzir a sub-pressão na base da barragem. Tratamento de fundações Fatores condicionantes A caracterização da geologia do maciço rochoso é imprescindível antes de qualquer tratamento; Depois da escolha do local é feito um estudo geológico-geotécnico profundo para que seja tomado o conhecimento das propriedades do maciço; A caracterização da geologia resume-se ao entendimento do: Material rochoso Fraturas macroscópicas, microscópicas e poros; Diaclases Orientação, profundidade e consistência dos enchimentos e qualidade do maciço (rugosidade); Falhas Atitude; Condutividade hidráulica Permeabilidade. 3

4 Tratamento de fundações Substituição do material Independente do tipo de tratamento a ser aplicado em uma fundação de barragem, é necessário que seja retirado do trecho superficial do solo; Neste trecho esta incluído o top soil ou solo orgânico e o trecho imediatamente abaixo, onde existem canículos resultantes do apodrecimento de raízes mais profundas ou da ação de microrganismo, escoamento sub superficial ou qualquer outro agente degradador; A profundidade de 3m é suficiente, na maioria dos casos, para realizar esta retirada, porém há casos em que essa profundidade pode chegar localmente a 5m ou 6m, principalmente quando existem formigueiros; O material é removido e substituído pelo próprio material da barragem. Tratamento de fundações Trincheira de vedação Conhecido como Cut off é construída na fundação de barragens granulares ( terra ou enrocamento), geralmente na parte central dessa obra, ou para montante, sobretudo quando núcleo da barragem se encontra inclinado nesse sentido; Escava-se uma trincheira ao logo de todo o eixo barravel, substituindo o material retirado por um maciço de terra de baixa permeabilidade, compactada, de acordo com condições preestabelecidas para o controle de compactação; Algumas especificações definem para a base da trincheira largura mínima de 4m a 6m para possibilitar uma perfeita compactação; Raramente essa largura ultrapassa os 10m. 4

5 Tratamento de fundações Trincheira de vedação A profundidade da trincheira de vedação fica limitada pela viabilidade da escavação ser executada mecanicamente, por meio de tratores, escavadeiras, etc, sem o uso de explosivos. Estes últimos somente seriam utilizados em casos especiais, por meio de fogo controlado, em pontos localizados, de forma a não danificar o maciço subjacente. Tratamento de fundações Parede Diafragma Diafragma rígidos ou plásticos são formados pela substituição de uma estreita faixa da fundação por sucessivas painéis de concreto, formando um muro, geralmente localizado abaixo do eixo da barragem; Pode prolongar-se por toda a extensão desse eixo ou contemplar apenas partes dessa extensão; Para execução de um diafragma faz-se a escavação da fundação ao longo dos paineis ou trincheiras com extensão entre 5m e 20 m com largura entre 0,40m e 1,50m; A escavação é realizada com um equipamento de dotado de concha clam-shell ; Usar lama bentonítica para evitar desmoronamentos das paredes da escavação; Técnica utilizada para conter o excesso de percolação sob a barragem; Pode ser realizado abaixo do nível freático. 5

6 Tratamento de fundações Tapete impermeável à montante O controle de percolação de água através da fundação também pode ser realizado por um tapete impermeável construído a montante, conectado à seção impermeável da barragem, combinado com um sistema de drenagem a jusante. Economicamente, ele é interessante, quando o projeto requer o tratamento de uma camada permeável muito espessa da fundação, quando comparado com as alternativas de cortinas de injeção ou paredes diafragma profundas. O objetivo do tapete é o de reduzir o gradiente hidráulico através da fundação, pelo acréscimo do caminho de percolação da água sob a barragem; As barreiras impermeabilizantes, também conhecidas como liners, têm como função proporcionar uma barreira ao fluxo, provocando o acréscimo do caminho de percolação sob a barragem. As barreiras impermeabilizantes são capazes de reduzir as vazões e as cargas de pressão atuantes na fundação. Tratamento de fundações Tapete impermeável à montante Segundo o NATIONAL HIGHWAY INSTITUTE (1988), os principais tipos de materiais utilizados na construção de barreiras impermeabilizantes são: Camadas compactadas de argila; Concreto lançado; Concreto Asfáltico; Geomembranas outros materiais também podem ser empregados, como: Geocompostos argilosos e Geotêxteis impregnados com substância impermeabilizante. 6

7 Tratamento de fundações Injeções de Consolidação Existem essencialmente dois tipos de injeções que podem ser realizados em barragens com fundações em maciços rochosos: Injeções de consolidação Blanket Grouting e Consolidation Grouting; Injeções de impermeabilização Cortina de impermeabilização. As injeções de consolidação têm como principal objetivo aumentar a compacidade das rochas, melhorando a sua resistência mecânica e seu módulo de elasticidade. Emprega-se em rochas fraturadas de baixa resistência e refletem-se na sua impermeabilização; Os termos anglo-saxónicos blanket grouting e consolidation grouting são utilizados em português como sinónimos em relação ao tratamento de fundações de barragens em maciços rochosos. Tratamento de fundações Blanket Grouting Este tipo de injeções não ultrapassa em geral mais do que 6-9 m de profundidade (dependendo da espessura da zona permeável) e são destinados a reparar falhas na fundação, tal como rocha fraturada; Este termo deve ser reservado para definir injeções superficiais realizadas sob barragens em aterro, cujos objetivos são: Reduzir as perdas de água por percolação; Reduzir a infiltração; Limitar a velocidade de percolação em zonas relativamente permeáveis a pequena profundidade. Com a execução deste tratamento, essencialmente debaixo do núcleo da barragem, pretende-se que a probabilidade de arraste e perda de material do núcleo seja a mais reduzida possível. A execução deste tratamento, quando considerado apropriado, deve ser concluída antes da construção de uma barragem. 7

8 Tratamento de fundações Consolidationt Grouting O preenchimento de grandes fraturas para o ganho de resistência de uma grande zona de maciço rochoso é comumente referido como consolidation grouting; Neste caso, a designação em inglês deve ser utilizada quando se pretende referir a injeções realizadas sob barragens de concreto, onde a perda de materiais constituintes do núcleo não é um problema (Weaver e Bruce, 2007); O principal objetivo deste tratamento é o melhoramento da resistência mecânica da fundação, diminuindo a sua deformabilidade, fazendo com que a probabilidade de ocorrência de recalques, muito prejudiciais para as estruturas rígidas como são as barragens de concreto, seja a mais reduzida possível. Tratamento de fundações Cortina de impermeabilização Em barragens de terra/enrocamento, as cortinas de impermeabilização normalmente são feitas antes da construção da barragem; A exceção para que esta seja feita posteriormente à construção da barragem é quando a cortina se encontra localizada no pé do paramento de montante da mesma; Nas barragens de concreto, esta cortina é mais eficaz após a conclusão da barragem, numa altura, se tem instalado o peso próprio da barragem na fundação. Nestas condições, podem aplicar-se à calda pressões mais elevadas de modo a assegurar a máxima dispersão desta em todas as direções; Quando na presença de maciços rochosos menos competentes, geralmente é necessária a furação de linhas de injeção adicionais, devendo estas ser escalonadas entre si. A distância entre linhas pode variar de acordo com as características do terreno, mas geralmente não ultrapassa 1,5 m. 8

9 Tratamento de fundações Tratamento de fundações Jet Grouting A técnica é especialmente indicada para solos sensíveis, moles e de baixa resistência; No campo geotécnico, é aplicada na melhoria das propriedades dos solos, para contenções, reforços e reduções de permeabilidade dos solos. Obras portuárias, barragens e túneis também podem utilizar a tecnologia, que costuma ser relativamente cara em relação à técnica de injeção tradicional de cimento; Tecnologia permite melhoria e reforço do solo por meio de colunas de solo- - cimento executadas com: Perfuração; Jateamento e: Desagregação do solo com calda de cimento a altas velocidades (da ordem de 800 km/h) e grandes impactos. 9

10 Tratamento de fundações Jet Grouting A primeira etapa do jet grouting é fazer o furo, por meio de uma perfuratriz, até a cota final estipulada pelo projeto. Uma vez atingida esta cota, inicia-se o desmonte hidráulico do maciço, de baixo para cima, com jato de calda de cimento, associado a movimentos rotativos e ascendentes na haste. O jateamento da calda acontece por meio de uma motobomba (com tamanho aproximado de um contêiner de 20 pés) que bombeia a calda de cimento a uma pressão de aproximadamente 350kgf/cm², formando colunas cilíndricas com diâmetros que podem ultrapassar 2 m. 10