ESCAVABILIDADE DE UM TRECHO DO RIO DOURO EXCAVABILITY OF A DOURO RIVER BRANCH

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2 ESCAVABILIDADE DE UM TRECHO DO RIO DOURO EXCAVABILITY OF A DOURO RIVER BRANCH DINIS DA GAMA, CARLOS* BERNARDO, PEDRO MARQUES** RESUMO Neste trabalho descrevem-se os trabalhos de campo e de gabinete executados pela equipa do Núcleo de Rochas do Centro de Geotecnia do Instituto Superior Técnico, por solicitação do Instituto de Navegabilidade do Douro, assim como os resultados da avaliação da escavabilidade dos solos e rochas localizados no interior do canal de navegação previsto para o trecho entre Alegria Velha e Malvedos, numa extensão de 6,8 km. Foi efectuado um estudo geológico in situ da margem direita do Rio Douro e uma campanha de ensaios de compressão pontual, visando determinar por correlação a resistência à compressão uniaxial, para as litologias presentes no leito do Rio Douro. A determinação dos volumes de escavação é realizada de modo a distribuílos pelos vários métodos de desmonte a aplicar em cada domínio, atendendo ao critério de escavabilidade de maciços rochosos de Franklin, permitindo assim prever as quantidades e os locais onde cada processo de escavação tem o seu campo de aplicação preferencial. ABSTRACT The selection of excavating methods for rock masses is analyzed with the help of a case study. The paper provides a description of the tasks concerning field geology, rock mechanics laboratory and data processing, as well as the results of the evaluation of the soils and rocks located in a 6.8 km navigation canal foreseen for a specific branch of Douro River (North of Portugal) between Alegria Velha and Malvedos. This work was accomplished by the Rock Mechanics staff of Geotechnical Center - Instituto Superior Técnico (Technical University of Lisbon), after request from Instituto de Navegabilidade do Douro. A detailed geological study was achieved in situ, on the right bank of the river. Also a series of point load tests were performed, aiming the correlation of these values with the uniaxial compressive strength for each rock type observed in situ. The determination of excavation volumes is made to classify these volumes in several excavation methods to be applied in each geological domain, using the rock mass excavability criterion of Franklin, therefore allowing the prediction of quantities and places where each excavation method is recommended. (*) Presidente do Centro de Geotecnia do Instituto Superior Técnico, dgama@ist.utl.pt (**) Investigador do Núcleo de Rochas, Centro de Geotecnia do IST, pedro.bernardo@ist.utl.pt

3 1. METODOLOGIA O estudo refere-se à determinação da escavabilidade de um trecho do Rio Douro com 6.8 km de extensão, localizado entre Alegria Velha e Malvedos, visando a sua futura escavabilidade. Aquando da realização do levantamento geológico pormenorizado, in situ, da margem direita do Rio Douro, ao longo do percurso com interesse, foram recolhidas amostras consideradas representativas dos onze domínios geológicos observados (designados por D1 a D11), e das suas variações internas de litologia (quando estas existiam), para determinação de parâmetros físico-mecânicos indispensáveis à consecução do objectivo proposto. Esta fase de recolha atendeu ao número suficiente de amostras a serem submetidas ao ensaio de compressão pontual em laboratório, visando determinar a resistência à compressão uniaxial ( n ), correlacionada com o índice de compressão pontual (I s50 ) resultante desse ensaio, para cada litologia presente no leito do rio. Paralelamente, foram feitas in situ numerosas determinações com o esclerómetro de Schmidt, nos vários domínios. De entre os ensaios geomecânicos possíveis de aplicar neste caso escolheram-se os anteriormente referidos, por serem os mais expeditos com vista à obtenção do parâmetro de resistência pretendido ( n ). Ambos fornecem resultados que permitem correlações com a resistência à compressão uniaxial, e foram usados em paralelo no sentido de aferir os resultados a considerar no cálculo subsequente dos volumes de rocha a desmontar usando os vários métodos de escavação. Os três parâmetros referidos ( n, I s50 e o número de Schmidt) são os necessários na abcissa do ábaco de Franklin (Figura 1), que em ordenada considera o espaçamento entre fracturas, o qual foi medido in situ aquando do estudo geológico [1]. Espaçamento médio entre fracturas [m] 6 EE 2 ME 0,6 E 0,2 M 0,06 Desmonte com EXPLOSIVOS EXPLOSIVOS para desagregar C P Pequeno P A ESCARIFICAÇÃO 0,02 MP Muito pequeno MP ESCAVAÇÃO B 0,006 MECÂNICA MP P M E ME EE 0,03 0,1 0, Índice de resistência a cargas pontuais Is 50 [MPa] Figura 1 - Classificação da escavabilidade de maciços rochosos, segundo Franklin [1] D Resistência à compressão uniaxial [MPa] Número de Schmidt EE Extremamente elevado ME Muito elevado E Elevado

4 Observando o ábaco da figura anterior, observam-se claramente quatro zonas distintas onde são recomendados métodos de desmonte específicos, permitindo classificar as várias massas rochosas sujeitas a escavação, de acordo com os seguintes processos: A - Escavação mecânica, B - Escarificação, C - Explosivos para desagregar e D - Desmonte com explosivos. 2. ENSAIOS GEOMECÂNICOS 2.1 Ensaio de compressão pontual Foram ensaiadas as amostras colhidas recorrendo ao ensaio de compressão pontual, em equipamento da marca ELE Internacional Ltd., modelo com a referência (Point Load Apparatus). Os ensaios foram realizados em conformidade com as Normas propostas pela International Society for Rock Mechanics (ISMR) [2], sendo observadas todas as suas recomendações no que respeita à preparação de amostras e procedimentos de ensaio. O ensaio consiste resumidamente na compressão de uma amostra por dois cones opostos, registando-se a carga de rotura - F (kn) e a distância entre os cones (mm) no momento de rotura. Com os valores obtidos no ensaio determina-se o índice de resistência pontual Is, constituindo um parâmetro mecânico do material, além de poder ser correlacionado com a resistência à compressão uniaxial ou outros parâmetros mecânicos. Trata-se de um ensaio bastante versátil, dado que permite ensaiar provetes de sondagens sem qualquer preparação, bem como amostras irregulares de rocha, o que neste caso constituiu uma grande vantagem dada a dimensão do lote das amostras colhidas no campo (mais de 300). Apresentam-se de seguida, em linhas gerais, as principais anotações relativas a este ensaio: a) O número mínimo de amostras a ensaiar, por domínio geológico, superior a 10 amostras. b) A carga foi convenientemente imposta, aumentando-a de forma progressiva e cadenciada, de modo que a rotura se verificou entre 10 a 60 segundos depois do início de cada ensaio. c) Após a rotura registou-se na folha de registo os valores da carga de rotura (kn) e a distância entre os pontos de carga (mm). d) Quando possível, o provete foi reconstituído com a ajuda de fita gomada, usando os pedaços remanescentes da rotura, de forma a possibilitar a posterior análise de veios ou outra situação mineralógica explicativa de anomalias eventualmente verificadas. e) Foram considerados válidos todos os ensaios cujas superfícies de rotura passaram pelos pontos de carga e que observaram o segundo ponto antes referido. Para tratamento dos resultados foram usadas as expressões presentes na norma, conducentes ao cálculo de I s50, depois de aplicadas as necessárias correcções geométricas com vista à obtenção do diâmetro equivalente a 50 mm (De), para o qual o ensaio de carga pontual é calibrado. Foram considerados dois critérios para correlação com a resistência à compressão uniaxial - n (equações 1 e 2) e feita a média entre esses. As correcções referidas foram aplicadas, independentemente do grau de anisotropia e da direcção de carregamento. n 1 =(14+0,175*De)*I S [MPa] (eq. 1) n 2 = 22 * I s(50) [MPa] (eq. 2)

5 Domínio Nº de ensaios Ensaios válidos O Quadro seguinte resume os resultados médios obtidos para os domínios ensaiados. Quadro 1 - Resultados dos ensaios de compressão pontual realizados Amostra Resultados do ensaio Correlação com a resistência à compressão uniaxial - n Litologia F (kn) I S I S (50) n 1 eq. 1 n 2 eq. 2 Média D1 Filitos D2 Filitos verdes Vários xistos Filitos D3 Xistos / filitos Brecha (falha) Pegmatito Filitos (Filito, pegm, D4 argilito) Filão Aplito pegmatitico Aplito D5 Granito / Aplito D6 Filão Quartzoso D7 Granitos D8 Granitos D9 Granitos D10 Corneana D11 Xistos felíticos Nº total de ensaios O número total de amostras consideradas para efeitos de cálculo da resistência à compressão pontual foi de 320, obtido pelo somatório da quarta coluna do Quadro 1, corresponde a 89% do total de ensaios realizados (361).

6 Para além dos critérios anteriormente definidos com vista à definição de ensaios válidos (alíneas b] e e] das anotações relativas ao ensaio de compressão pontual), foi necessário ainda eliminar os ensaios cujos resultados foram considerados anómalos, do ponto de vista da carga de rotura (F) obtida, isto é, quando as amostras apresentavam valores extremos (muito baixos ou muito altos) da carga de rotura, relativamente à média dos restantes resultados. 2.1 Ensaio de Schmidt O Quadro 2 resume os resultados médios obtidos para as determinações realizadas usando o esclerómetro de Schmidt [3], ao longo dos onze domínios observados, correspondentes a 681 ensaios realizados in situ (dos quais 593 foram considerados válidos). Quadro 2 Resultados dos ensaios de Schmidt realizados in situ Domínio Litologia Nº de ensaios Nº de Schmidt RCU- n 1 Filitos Filitos verdes Filitos Xistos Ambos Filitos Pegmatito Ambos Granitos Filão Quartzo Granitos Granitos Granitos (9.1) Granitos (9.3) Corneana Xistos felíticos A analise dos resultados, da correlação do parâmetro obtido neste ensaio (nº de Schmidt) com a resistência à compressão ( n ), revela que se apresentam, de forma geral, compatíveis com os anteriormente obtidos através do ensaio de compressão pontual (Quadro 1). Esta correlação foi conseguida mediante a aplicação da expressão devida a Barton & Choubey (equação 3) [4]. Log ( n ) = (Densidade da rocha) (Nº de Schmidt) MPa (eq. 3) 3. CÁLCULO DOS VOLUMES DE ESCAVAÇÃO Foram consultadas quatro cartas (à escala 1/2000) elaboradas pelo Instituto Hidrográfico (I.H.), em Dezembro de 1987 [5], onde aparecem representados 153 perfis transversais de intersecção da batimetria do leito do rio com a secção trapezoidal invertida, constituindo o canal de navegação pretendido. Para cada um dos perfis foi consultado o valor da área de rocha dentro

7 Espaçamento entre as fracturas F (m) do canal, obtido por aplicação de software do próprio I.H. e a distância ao perfil anterior. Foram identificados os perfis contidos em cada domínio e usado o valor da secção média ponderada, relativamente às distâncias entre perfis, para calcular o volume de rocha existente dentro de cada litologia/domínio, conforme sugerem o esboço (Figura 2) e a expressão seguintes. d 1 d 2 d 3 d 4 d 5 d n Leito do rio Secção média ponderada Domínio j Domínio j+1 i i+1 i+2 i+3 n k 1 ( Secção noperfil n k 1 k Distânciaao perfil anterior (Distânciaao perfil anterior Figura 2 Cálculo da secção média ponderada O estudo geológico caracterizou cada litologia, in situ, em termos do espaçamento médio entre fracturas (F), e os ensaios mecânicos permitiram obter valores de resistência à compressão uniaxial. Assim, foi possível representar, cada domínio geológico, no ábaco de Franklin de modo a caracterizar a escavabilidade (Figura 3). i+4 k ) i+5 k ) i+n Legenda: n - Perfil n 6 EE 2 ME 0,6 E 0,2 M 0,06 P 0,02 MP 0,006 A B RCU - n [MPa] Figura 3 Classificação de cada domínio pela sua escavabilidade D C Domínio

8 O gráfico da figura anterior mostra os pontos correspondentes aos vários domínios lançados no ábaco de Franklin. Pela sua proximidade no gráfico torna-se algo difícil a leitura dos vários pontos. Contudo, para cada determinação efectuada é indicado no Quadro 4, usando um asterisco (*), a classe de escavação a que cada domínio/litologia corresponde. Os dois pontos surgidos na classe de escavação mecânica (A), devem-se ao facto de serem zonas de deposição de rocha solta (no domínio 9) e sedimentos (no domínio 10), que de certo constituem zonas de escavação muito brandas pelo seu carácter desagregado. O domínio 11, por não ter qualquer perfil (realizado pelo IH) ao longo da sua extensão, foi tratado de forma distinta relativamente aos anteriores. Usou-se a batimetria (curvas de nível do leito do rio) para determinar a cada hectómetro a secção de rocha que ocorria dentro do canal de navegação, sabendo que a cota da razante se situa aos 67.8 metros. Assim, sabendo que a extensão desse domínio são cerca de 600 metros, calculou-se para seis secções a área de rocha que ocorria dentro do canal de navegação (conforme ilustra o esboço da Figura 4) e foi feita a média dessas, que deu origem ao volume apresentado no Quadro 4 [6]. Cota da razante = 67.8 m Área de rocha dentro do canal de navegação 72.4 m 72.1 m * * 69.7 m 70.1 m * * 71.1 m * Leito do Rio Legenda: Secção a escavar Canal de navegação Figura 4 Determinação da área de rocha no 1º hectómetro (dos 0.1 aos 0.2 km) O Quadro 4 reúne todas as informações convenientes à determinação do volume de rocha a escavar em cada domínio, assim como a distribuição desses mesmos volumes por método de desmonte a aplicar, que são resumidos no Quadro 3. Quadro 3 Classificação dos volumes a desmontar, por método de escavação a aplicar Sem explosivos Com explosivos Escavabilidade A - Desmonte mecânico B Por escarificação C - Para desagregar D - Para desmontar Totais Totais ( m 3 ) ( % ) 1, ,55 50,97 100

9 Domínio Quadro 4 - Volumes de Escavação ao longo do rio Douro (entre Alegria Velha e Malvedos) Extensão (km) Litologia n F (m) Perfis do I.H. (nº) Secção de rocha no canal (m 2 ) Volume (m 3 ) Escavabilidade A B C D Filitos a * Filitos verdes a * Filitos a * Xistos a * Xistos / Filitos e * Filitos a * 4.2 (10m) Pegmatito * (10m) Fil./Apl./ /Pegm. Granito/ /Aplito Filão quartzo a * a * * Granito a * Granito a * Granito a 40T * Rocha solta * Granito a * Corneanas a * Sedimento a * Xistos filíticos Legenda do Quadro: Sub-totais Nenhum * Totais n : Resistência à compressão uniaxial (por correlação a partir do ensaio de compressão pontual) F: Espaçamento médio entre fracturas (caracterizado in situ pelo estudo geológico) Secção no Canal: A secção média ponderada de rocha dentro do canal, foi calculada usando todos os perfis do I.H. (Figura 2), nos domínios 1 a 10. No domínio 11, a secção média foi calculada recorrendo à batimetria (Figura 4). A- Esc. mecânica / B- Escarificação / C- Explosivos (desagregar ) / D- Explosivos (desmonte)

10 4. CONCLUSÕES Os resultados dos estudos empreendidos sobre o trecho em causa do Rio Douro, baseados em levantamentos de campo, ensaios laboratoriais e interpretações subsequentes, permitiram atingir os objectivos pretendidos, uma vez que caracterizaram os volumes a escavar dos diferentes tipos de rocha existente no leito, depois de classificados em função do processo de escavação mais aconselhável. Relativamente ao estudo levado a cabo pelo I.H. em 1987, que apenas determinou o volume total de rocha a escavar sem classificar os diferentes tipos litológicos em função de distintos métodos de escavação a aplicar, podem comparar-se os valores dos volumes totais então calculados ( m 3 ), com os que resultaram do presente trabalho. Considerando que em 1987 não foi incluído no cálculo, em termos da realização de perfis, o trecho de canal correspondente ao domínio 1 (dos 0.0 a 0.6 km), ao qual corresponde um volume de escavação de m 3, resulta uma quantidade igual a m 3 (subtotal do Quadro 4), valor muito próximo dos m 3 (correspondendo a um desvio de 0.48%). Por outro lado, assinala-se que, em termos percentuais, as rochas apresentam-se quase na totalidade, isto é, 98,5%, com elevado grau de resistência, exigindo recurso a explosivos, seja para desmonte convencional, seja para as fragmentar, seguindo-se a dragagem. AGRADECIMENTOS Os autores expressam o seu reconhecimento ao IND (INSTITUTO DE NAVEGABILIDADE DO DOURO), pela autorização concedida na divulgação dos dados do presente trabalho. REFERÊNCIAS [1] López Jimeno, C.; Díaz Méndez, B. (1997). Classificación de los Terrenos según su Excavabilidad. Manual de Túneles y Obras Subterráneas. Ed. C. López Jimeno. Entorno Grafico, S.L.Madrid, pp [2] ISRM - Commission on Testing Methods (1985). Suggested Method for Determining Point Load Strenght. Pergamon Press, pp [3] ISRM - Commission on Testing Methods (1977). Suggested Method for Determination of the Schmidt Rebound Hardness. Pergamon Press, pp [4] Barton, N.A. & Choubey, V. (1977). The Shear Strenght of Rock Joints in Theory and Practice. Rock Mechanics, Vol. 10, pp [5] Gabinete de Navegabilidade do Douro (1987). Canal de Navegação entre Alegria Velha e Malvedos: Cálculo dos Volumes de Escavação, Anexo II. [6] Centro de Geotecnia do IST (2000). Escavabilidade do Leito do Rio Douro entre Alegria Velha e Malvedos.