ESTIMATIVA DA INTENSIDADE DE VIBRAÇÕES GERADAS EM ESCAVAÇÃO DE ROCHAS COM EXPLOSIVOS EM OBRAS DE BARRAGENS DE CONCRETO

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1 ESTIMATIVA DA INTENSIDADE DE VIBRAÇÕES GERADAS EM ESCAVAÇÃO DE ROCHAS COM EXPLOSIVOS EM OBRAS DE BARRAGENS DE CONCRETO Everton Santa Catharina (Graduando Engenharia de Minas UFRGS) Douglas Ribeiro Loureiro (Graduando Engenharia de Minas UFRGS) Jair Carlos Koppe (Engenheiro de Minas, Professor DEMIN UFRGS) - jkoppe@ufrgs.br Enrique Munaretti (Engenheiro de Minas, Professor DEMIN UFRGS) - enrique@ufrgs.br João Felipe Coimbra Leite Costa (Engenheiro de Minas, Professor DEMIN UFRGS) - jfelipe@ufrgs.br Ricardo Daniel Silva (Engenheiro de Minas BRITANITE/IBQ) - ricardo.silva@britanite.com.br RESUMO A escavação de rochas com a utilização de explosivos é ainda hoje a maneira mais rápida e econômica na abertura de estradas, túneis e canais. Entretanto, associado ao uso de explosivos, é inerente a perda de energia para o meio vizinho à escavação na forma de vibrações elásticas em todas as direções, o que em alguns casos pode causar danos a estruturas próximas ao local de escavação. A possibilidade de se estimar adequadamente a intensidade das vibrações que possam ser geradas em uma detonação é um importante aspecto para minimizar possíveis danos às estruturas vizinhas. Nesse sentido, esse estudo fez uma análise de 23 monitoramentos sismográficos realizados nas escavações do canal de fuga da Usina Hidroelétrica Passo São João Roque Gonzales - RS, com o objetivo de se estabelecer uma equação de atenuação das vibrações que permitisse compreender o comportamento das ondas elásticas no local, de modo a evitar danos durante a concretagem da barragem, bem como a prédios ou outras estruturas vizinhas. Palavras chave: monitoramento sísmico, desmonte de rochas, explosivos, atenuação. ABSTRACT Blasting in rock excavation is still nowadays the fastest and economical method to be used in roads, tunnels and channels construction. Nevertheless, during blasting in rock excavation is inherent the energy loss to the environment through elastic vibration in all directions, and in some cases it can cause damage in the nearby structures. The possibility of estimate the vibration magnitude generated during blasting is an important aspect to minimize the possibility to cause structural damages. Based on 23 seismographic monitoring data carried out during the channel excavation of the Hydroelectric Plant Passo São João Roque Gonzales RS, the aim of this study was to define an attenuation equation of the ground vibrations that allows to understand the behave of elastic waves in the site to avoid possible damages to the concrete dam, as well buildings or nearby structures. Key Words: seismographic monitoring, blasting, explosives, attenuation.

2 INTRODUÇÃO O uso de explosivos em escavações para obras civis ainda é a maneira mais rápida e de menor custo para quebrar, fragmentar e mover rochas. As vibrações geradas nos desmontes de rocha com utilização de explosivos são causadas pela perda de parte da energia dos explosivos para o meio (maciço rochoso). Parte da energia é empregada na fragmentação da rocha e depende do plano de fogo adotado e da interação com as características geológicas do meio. A energia não aproveitada é inerente ao processo de desmonte em rocha com utilização de explosivos, dispersando-se em maior ou menor grau em todas as direções no terreno na forma de ondas elásticas. Esse movimento de ondas, conhecido, também, como vibrações no terreno, é transmitido de acordo com as diversas características do meio, entre elas a densidade, descontinuidades do maciço rochoso, a espessura de solo ou rocha alterada encontrada no local e presença de água. Técnicas para monitorar os impactos provocados pelo uso de explosivos por intermédio de medições com sismógrafos de engenharia são mundialmente utilizadas com sucesso. A determinação da magnitude das vibrações num terreno medindo-se as velocidades de pico de partícula geradas por uma determinada carga explosiva a uma determinada distância permite se compreender a atenuação das ondas sísmicas no terreno. Sabendo-se que a transmissão de uma onda sísmica sofre atenuação com o incremento da distância (Dowding, 1985), é possível se prever a partir de monitoramentos com vários geofones e da definição de uma particular equação de atenuação de ondas sísmicas os picos máximos de velocidade de vibração e as cargas máximas por espera que podem ser utilizados num determinado local. Esse trabalho apresenta um estudo de caso para auxiliar a compreender a atenuação das ondas sísmicas geradas pelo desmonte com explosivos em um local onde está sendo implantada uma barragem de concreto de uma hidrelétrica. Nesse tipo de projeto há demandas que incluem escavações de túneis e canais comuns em rocha e as obras são geralmente feitas simultaneamente com a concretagem da barragem. Para que as vibrações geradas nessas escavações não abalem as estruturas vizinhas (barragem, obras auxiliares, casas) o monitoramento sismográfico é fundamental, auxiliando na determinação das máximas vibrações admissíveis que podem ocorrer no canteiro de obras sem que haja chance de promover danos no concreto que está sendo curado. Em geral nesse monitoramento mede-se deslocamento, velocidade, aceleração e freqüência das vibrações geradas no desmonte com explosivos. A determinação máxima dos níveis de vibração leva em conta principalmente o tempo de cura do concreto, que inicialmente é suscetível a vibrações de baixa amplitude. Com a finalidade de atender esse objetivo foi implantada uma metodologia de monitoramento sismográfico acompanhando o desenvolvimento inicial da obra e, posteriormente, a definição de uma equação de atenuação para auxiliar na continuidade do restante da obra.

3 LOCALIZAÇÃO, ASPECTOS GEOLÓGICOS E METODOLOGIA EMPREGADA Esse trabalho foi realizado durante as escavações do canal de fuga da Usina Hidroelétrica Passo São João RS, no trecho onde passa o rio Ijuí (Figura 1). Figura 1 Mapa de localização da hidroelétrica Passo São João no Rio Ijuí. Antes do início do trabalho de escavação modelos geológicos foram montados a partir de dados de testemunhos de sondagem. Na Figura 2 apresenta-se um esboço geológico da região. A rocha basáltica não é homogênea e no afloramento são notadas a presença de estruturas maciças e micro-amigdaloidais, além de depósitos aluvionares. Estas informações são importantes, pois as rochas apresentando diferentes características estruturais transmitem as vibrações heterogeneamente. Na Figura 3 observa-se o perfil do canal escavado, com os diferentes tipos de basalto.

4 Figura 2 Esboço geológico na área de escavação.

5 Figura 3 Vista lateral parcial da área de escavação. A coleta dos dados para a construção de uma equação de atenuação das ondas sísmicas, específica para as condições geológicas locais, foi feita com monitoramento sísmográfico, registrando-se as vibrações produzidas pelas detonações nas áreas de escavação. Procedeu-se ao monitoramento dos níveis de vibração em diferentes distâncias (D) ao longo do canal escavado e se efetuou o registro das cargas máximas por espera (Qme). Os equipamentos utilizados foram sismógrafos do tipo Instantel Minimate Plus, Mini Seis da White Seis e Geosonics, sendo os transdutores de velocidade de vibração de partícula (geofones) fixados com a utilização de uma pasta de gesso na superfície rochosa não alterada (Figura 4), buscando-se obter o melhor acoplamento possível. Figura 4 Acoplamento de geofone com gesso.

6 Os geofones captam velocidades de vibração de partícula nas três direções perpendiculares: longitudinal, vertical e transversal. Os dados registrados foram armazenados na memória interna dos aparelhos, sendo posteriormente analisados nos softwares Blastware 8, WhiteSeis e Geosonics Seismics Analysis. Foi definido, inicialmente, que seriam dispostas linhas de sismógrafos partindo-se do local das detonações em direção a estrutura de concreto (Casa de Força da UHE). À distância (D) da carga máxima por espera (Qme) foi definida como a linha que possui a maior carga quando paralela aos sismógrafos e como a primeira linha de carregamento quando o posicionamento era perpendicular aos sismógrafos. As equações de atenuação de onda sísmica foram obtidas a partir dos dados do monitoramento sismográfico (velocidades de pico de partícula) registrados em uma tabela contendo as cargas máximas por espera (Qme) e as respectivas distâncias (D). Foram realizadas 23 amostragens de leituras sísmicas com a utilização de até cinco sismógrafos alinhados segundo as direções pré-determinadas. Foi realizado, inicialmente, um tratamento estatístico preliminar com os 23 valores de velocidades de partícula coletados, para a ambientação dos dados e a localização de possíveis valores anômalos. Os dados obtidos estão sumarizados na Tabela 1, onde foram incluídos, também, os valores correspondentes de distância escalonada (DE = D/Qme 1/2 ), NBR 9653 (ABNT, 2005). Tabela 1- Sumário estatístico dos dados do monitoramento sismográfico. VR = velocidade de vibração de partícula resultante de pico e DE = distância escalonada Mínimo Máximo Média Desvio Padrão Mediana VR 6,22 130,00 35,46 35,89 25,10 DE 3,27 36,99 17,25 4,25 10,25 Para possibilitar a previsão de atenuação das vibrações no terreno ou decaimento das velocidades de partícula pode ser feito o tratamento gráfico dos dados. O procedimento consiste essencialmente na geração de um gráfico log-log com os dados de velocidades coletados (mm/s) e as distâncias escalonadas calculadas (D/Qme 1/2 ). Nos casos onde não se teria possibilidade de monitoramento sismográfico, a distância escalonada poderia ser utilizada para definição de critérios de limites de danos. Por exemplo, quando a DE fosse maior do que 12 esse valor era considerado como limite para geração de uma vibração segura, com pouca probabilidade de causar danos e quando DE fosse menor do que 6 poderiam causar sérios dados as estruturas. Determinação da Equação de Atenuação No presente estudo, optou-se pela utilização da velocidade de vibração de partícula resultante de pico (VR) para determinação da equação de atenuação tendo em vista que esse é o parâmetro utilizado como critério para limite de danos ao concreto pela construtora da obra (Eletrosul). Com a VR obtida no monitoramento sismográfico, a distância (D) e a carga máxima por espera (Qme) extraídos das atividades de campo e sabendo-se que a velocidade

7 de vibração em um ponto no maciço rochoso depende, entre outros fatores, da distância escalonada (DE) foi possível relacionar os valores de VR e DE graficamente (Figura 5). Figura 5 Gráfico da distribuição dos eventos relacionando VR e DE. A forma geral da equação de atenuação de onda sísmica, definida pelo método dos mínimos quadrados, é dada pela interpolação desses pontos: u = a (X) m Onde: u, o eixo y, é a velocidade de partícula e X, o eixo x, é a distância escalonada quadrada (D/Qme 1/2 ). As constantes da equação referem-se a características estruturais do maciço que é detonado. Utilizando-se os logarítmos das variáveis de campo pode-se aproximar a equação por uma reta (Figura 6).

8 Figura 6 Gráfico em escala log-log para os eventos sismográficos relacioando VR e DE e o coeficiente de correlação obtido (r). Assim, utilizando o gráfico em escala log-log da equação de atenuação de onda sísmica é obtida na forma logarítmica pelo método da regressão linear: log u = log a + m log X O resultado tem a forma y = b + mx, onde m é o ângulo de inclinação da reta e b é a intercessão com o eixo y. Calculando-se 10 log u e 10 log a se obtém a forma descrita inicialmente. Na Figura 7 apresentam-se os dados obtidos nesse estudo de caso com a determinação da equação de atenuação.

9 Figura 7 Equação de atenuação média obtida para o estudo de caso. A qualidade das medições pode ser avaliada pelo coeficiente de correlação das medições e pelo desvio padrão da reta. O primeiro refere-se ao alinhamento das amostras no gráfico loglog, ou seja, o nível de relação entre os eventos de campo. O coeficiente de correlação, além de confirmar este comportamento da onda (se próximo de -1), pode indicar falhas de acoplamento dos equipamentos de sismografia ou até mudanças estruturais significativas no maciço conforme as diferentes posições de instalação dos sismógrafos, em outras palavras, parte dos eventos destoa do comportamento esperado graficamente, se este valor for considerado baixo para o levantamento. Já o desvio padrão ( ) mostra em média o quanto uma amostra se desvia de seu valor esperado e, como a distribuição das velocidades é da forma log-normal, o resultado de 10 é o valor correspondente ao erro padrão de estimativa (SE) deste conjunto de amostras. Linhas de Confiança As linhas de confiança são anexadas juntamente com a reta já existente, ou seja, a reta que representa a mediana (50%) dos dados, constituindo retas deslocadas em relação a esta e que representam maior confiabilidade e conservadorismo na previsão dos valores de velocidade de partícula. Faz-se necessário esse tipo de ajuste para evitar a subestimação de algum valor de velocidade, os valores de campo normalmente devem ficar abaixo do previsto. Assim, é comum a construção de curvas com intervalos de confiança de 84% e 95%. O procedimento mais usual para a construção destas retas utiliza o erro padrão de estimativa e a mediana dos valores previstos pela equação média. Para encontrar a mediana da reta com intervalo de confiança de 84% multiplica-se a mediana desses valores por SE (SE = 10 ). Multiplicando este valor por, da tabela da distribuição T de student, encontra-se a (, n 2)

10 mediana da reta com 95% de confiança. Os procedimentos para a construção das curvas são encontrados em (Dowding, 1985). Para o presente caso: Linha de confiança de 84%: Mediana 50% das estimativas de velocidade = 18,44 mm/s; Desvio Padrão = 0,135; Mediana 84% dos dados de velocidade = 10 0,135 x 18,44 = 25,16 mm/s. Linha de confiança de 95%: Mediana 50% das estimativas de velocidade = 18,44 mm/s; Desvio Padrão = 0,135; = 1,721; ( / 2, n 2) Mediana 95% das estimativas de velocidade = 10 0,135 x 18,44 x 1,721 = 43,31 mm/s. Com os valores das novas medianas é possível a geração das linhas de confiança de 84% e 95%, ou seja, a reta onde, em média, 84 e 95% dos valores reais estão abaixo do esperado, elevando o grau de conservadorismo na previsão das velocidades de partícula (Figuras 8 e 9). Figura 8 Equação com intervalo de confiança de 84%.

11 Figura 9 Equação com intervalo de confiança de 95%. Comparação da Carga pela Distância para a Obtenção de um Limite de Vibração Além da previsão dos níveis de vibração em estruturas ou áreas vizinhas às detonações, é possível se estimar, para os limites de vibração das especificações técnicas para a obra, as cargas por espera para um intervalo de distâncias onde as estruturas alvo das vibrações se encontram. No caso da UHE Passo São João, as estruturas de interesse são as armações de concreto da casa de força, que estão sendo erguidas concomitantemente com as escavações. Para este levantamento foi escolhida a equação com intervalo de confiança de 95%, pois será esta a equação usada nas estimativas de velocidade de vibração de campo. A partir da especificação da vibração permitida feita pela Eletrosul foram estimadas as cargas máximas possíveis para diferentes distâncias da obra à zona de detonação. Esses valores estão inseridos na Tabela 2.

12 Tabela 2 Estimativas de Carga máxima por espera com 95% de confiança para as especificações técnicas do concreto definidas pela empresa Eletrosul para a obra da UHE Passo São João Tempo de cura do concreto < 8 horas 8 a 24 horas 1 a 7 dias 7 a 28 dias >28 dias Vibração permitida 50 mm/s 15 mm/s 50 mm/s 70 mm/s 100 mm/s Distância (m) QME (Kg) 20 2,02 0,24 2,02 3,64 6, ,53 0,55 4,53 8,18 15, ,06 0,98 8,06 14,55 27, ,60 1,52 12,60 22,73 42, ,14 2,19 18,14 32,73 61, ,69 2,99 24,69 44,55 83, ,24 3,90 32,24 58,19 108, ,81 4,94 40,81 73,64 137, ,38 6,09 50,38 90,92 169, ,72 9,52 78,72 142,06 265, ,36 13,71 113,36 204,56 382, ,30 18,66 154,30 278,43 520, ,53 24,38 201,53 363,66 679,92 CONCLUSÃO O monitoramento mostra que as diferenças nas litologias que compõem o maciço não influenciaram o comportamento da velocidade de partícula em torno da escavação. Fato este confirmado pela boa correlação dos dados no gráfico VR vs DE. Esta afirmativa abriu a possibilidade de se usar uma equação com menor intervalo de confiança, ficando a escolha a cargo dos responsáveis técnicos da empresa a utilização de uma ou outra equação de atenuação. Com as técnicas utilizadas na coleta de dados e a aplicação das fórmulas apresentadas é possível efetuar escavações em áreas adjacentes a aplicação de concreto sem que haja risco de danificar as mesmas com uma boa margem de confiança na aplicação da carga de explosivos, desde que respeitados os limites definidos pelas estimativas de carga máxima por espera. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS - ABNT, (2005). NBR 9653 Guia para avaliação dos efeitos provocados pelo uso de explosivos nas minerações em áreas urbanas, 9 páginas. - Dowding, C.H., (1985). Blast Vibration Monitoring and Control, Prentice-Hall. Northwestern University. 297 pages.