INVESTIGAÇÃO DE RUPTURAS GEOTÉCNICAS/GEOMECÂNICAS EM GRANDES OBRAS DE INFRA-ESTRUTURA UM IMPORTANTE CASO HISTÓRICO

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1 INVESTIGAÇÃO DE RUPTURAS GEOTÉCNICAS/GEOMECÂNICAS EM GRANDES OBRAS DE INFRA-ESTRUTURA UM IMPORTANTE CASO HISTÓRICO INVESTIGATION OF GEOTECHNICAL/GEOMECHANICAL FAILURES OF MAJOR INFRA-STRUCTURE PROJECTS AN IMPORTANT CASE HISTORY De Mello, Luiz Guilherme, Prof. Assist. da Escola Politécnica da USP; Consultor Geotécnico, Vecttor Projetos, São Paulo, RESUMO Investigações geológico-geotécnicas de situações de ruptura são de fundamental importância, por vezes até pelo caráter forênsico que pode ser imputada a um evento. Estas investigações ao postular sua causa / diagnóstico devem identificar o fator principal que deflagrou a ruptura, e seus agravantes. Tal tarefa usualmente não é fácil, seja porque a ruptura destrói ou mascara evidências, seja porque o próprio processo de análise requer uma abertura grande à postulação de modelos outros que o inicialmente antevisto e pode ter dirigido as investigações propriamente ditas. O presente artigo tem como objetivo apresentar as investigações especiais de laboratório realizadas após a ruptura da ombreira esquerda da barragem de Itapebi, sul da Bahia, Brasil durante período construtivo para entendimento do comportamento geomecânico dos anfibolitos e biotita xistos locais em distintos graus de alteração. Discute também a revisão do modelo geológico realizada para a incorporação de comportamento em condição de resistência residual desses materiais, sob espessas camadas de gnaisse são. ABSTRACT Geological-geotechnical investigations of failure situations are of crucial importance, sometimes even for the forensic characteristics that may be associated to an event. These investigations when postulating a cause / diagnosis have to identify the triggering factor and its aggravating factors. This task is usually not simple, as a failure destroys or disguises important evidence and the process itself requires a broad and open mind to the postulation of models other than those initially proposed, which may have conducted the investigations themselves. This technical paper aims to present the special laboratory investigations performed after failure of the left abutment of Itabebi dam, south of Bahia, Brazil, during construction for the

2 understanding of the geomechanical behaviour of local anfibolites and biotite schists, considering their distinct weathering conditions. The revised geological model proposed after failure in order to include the incorporation of behaviour on residual strength condition of these materials, under thick layers of sound gneiss, is also discussed. 1. INTRODUÇÃO A investigação de rupturas geotécnicas/geomecânicas em grandes obras de infra-estrutura é assunto sempre abordado, desde os primórdios da conceituação dos preceitos básicos da mecânica dos solos e das rochas, pois muito se aprende do estudo e interpretação da(s) causa(s) que levaram a uma situação limite, de ruína. Desenvolvimentos importantes de nossa área de atuação resultaram de interpretações amplas de situações de rupturas, como foi o caso das rupturas de Malpasset, Vajont, Lodalen, Fort Peck, Lower San Fernando, taludes urbanos de Hong Kong, etc, assim como do comportamento indesejado de Tarbela entre outros. Nestas situações, a partir da necessidade de se propor um diagnóstico, causa, para o comportamento que levou à ocorrência do evento sendo estudado, há também importante relação com o julgamento a posteriori de decisões tomadas previamente e que se demonstraram insuficientes, assim como a definição de responsabilidades. O caráter forensico deste tipo de análise é exacerbado quando a ruptura leva a fatalidades, com mortes de operários e/ou cidadãos comuns envolvidos no acidente. A ISSMGE vem se preocupando com o tópico e criou um Comitê Técnico especificamente dedicado ao assunto, o TC 40 - Forensic Geotechnical Engineering. Em evento recém havido, XII Asian Regional CSMGE em Calcutá, Day (2007) apresentou trabalho que discute o foco e a sistemática da coleta de dados em investigações forensicas no âmbito da engenharia geotécnica. Neste trabalho é claramente colocado que pelo fato de investigações forensicas serem retrospectivas, buscando explicar o que aconteceu, ao invés de prever comportamento futuro incorpora diferenças importantes em relação às campanhas de investigação de subsolo rotineiras para projeto de nossas obras. Idealmente, o conjunto de informações coletada deve ser o mais abrangente possível, aceito por todas partes envolvidas e estar disponível para inspeção a qualquer momento, de maneira a evitar setorização da informação. O diagnóstico da causa de uma ruptura deve incorporar o estudo das circunstancias e eventos que levaram ao evento. A seqüência dos eventos que culminam com a indesejada ruptura, no que é comumente chamado de linha do tempo, é fundamental para organizar as informações em sua evolução cronológica, associando ações tomadas a eventuais variações de comportamento, e permitindo hierarquizar sua relevância no tempo e, comumente, identificar o gatilho que deflagrou o processo. Consideramos ser indiscutível estarmos a priori cientes que uma ruptura ocorre pela simultaneidade de atuação de varias condições ou características adversas, quase sempre abrangendo uma multi-disciplinaridade bastante ampla. O fato que, em quase todos eventos, ocorre destruição de grande parte das evidencias que idealmente se gostaria e pretenderia estudar no processo de propor um modelo para explicar a ruptura, torna ainda mais complexa a tarefa de se postular a causa do comportamento vivenciado. Ao buscar o entendimento da(s) causa(s) que levou(aram) à condição de ruína sob o foco forensico, é importante que além do conhecimento especializado e rigoroso na área de

3 especialização da geotecnia, se entenda os procedimentos jurídicos associados ao(s) desdobramento(s) que o processo pode vir a ter. Identificar claramente qual é a causa principal de uma ruptura, e quais são os agravantes associados a esta causa principal, é tarefa extremamente complexa e de extrema relevância, na medida em que a identificação e separação da causa principal daquelas agravantes pode levar a avaliação das conseqüências da ruptura a avaliação diferenciada nos aspectos securitários e jurídicos. Comunicação pessoal recente com o Prof. Victor de Mello leva a posicionar que, infelizmente e como praticamente toda investigação de uma ruptura é feita a posteriori, existem sérias limitações com relação à disponibilidade de dados anteriores que balizem o comportamento préruptura, e, portanto, a própria interpretação da ruptura. A investigação se embasa em modelos pré-assumidos, buscando validá-los a partir da informação disponível coletada e estudos a ser realizados. Como praticamente em todos casos de investigação há necessidade de se interpretar valores associados a parâmetros cuja determinação pode ser praticamente impossível pósruptura, este passo também é dado em sintonia com um modelo pré-assumido, e, portanto, já está intrinsecamente associado ao modelo. Estes fatores tornam muito mais difícil a abertura para modelos ou idéias novas ou mais complexas, e, conseqüentemente, desenvolvimento do conhecimento. 2. INVESTIGAÇÃO DA RUPTURA DA OMBREIRA ESQUERDA DA UHE ITAPEBI A ruptura da ombreira esquerda da usina hidroelétrica de Itapebi, situada no sul do Estado da Bahia, Brasil, está amplamente discutida por de Mello, L. (2005); apresentamos em anexo algumas das importantes e impressionantes fotos da seqüência de ruptura propriamente dita (fotos 1 a 10). Camada G revestida com Concreto Projetado Foto 1 - Parede Lateral do Vertedouro, Lateral Hidráulica Direita, no Princípio do Deslizamento Camada G de BX/AF

4 Área Tratada com φ 32mm, Inclinadas 45º Galeria de Drenagem Foto 2 - Detalhe do Bloco Rochoso que será Acompanhado nas Fotos Região da Ogiva do Vertedouro Foto 3 e 4 - Seqüência da Ruptura

5 Foto 5 e 6 - Seqüência da Ruptura Foto 7 e 8 - Seqüência da Ruptura

6 Foto 9 - Vista Panorâmica da Ombreira Esquerda Pós Ruptura Foto 10 - Vista Panorâmica da Região da Ogiva do Vertedouro, Pós Ruptura Inclui-se também (fotos 11 e 12) foto da superfície do maciço rochoso exposta após a limpeza do entulho gerado pela ruptura. Esta superfície planar coincide com um dos estratos de biotita xisto / anfibolito identificados nas campanhas de investigação desde o inicio dos estudos do eixo do barramento. Sua orientação espacial e ângulo de mergulho eram conhecidos, aflorando na parede de corte gerado pela escavação do portal de saída dos túneis de desvio da barragem.

7 Fotos 11 e 12 - Superfície da Ruptura Exposta após Limpeza do Entulho Geometria Planar e Famílias de Descontinuidades A superfície espelhada, polida, com slickensides, exposta pela ruptura obviamente pode ser atribuída aos deslocamentos da própria ruptura, mas a investigação da causa da ruptura levou ao questionamento da origem dos baixos valores de ângulo de atrito atribuível à camada de biotita xisto / anfibolito alterado em sua condição natural inicial, pré-ruptura Modelo Geológico da Área do Vertedouro O mapeamento geológico realizado em diferentes fases do projeto da UHE Itapebi identificou o local da obra como sendo composto por espessura considerável de granito-gnaisses rosas précambrianos, injetado por um enxame de sills básicos subparalelos, posteriormente metamorfisados a anfibolitos durante tectonismo pré-cambriano. Durante eventos de compressão tectônica e dobramentos posteriores, os sills sofreram processos de hidratação e cisalhamento paralelo às camadas, resultando em bandas cisalhadas compostas principalmente por biotitas xisto (BX) com anfibolitos (AF). Ativações tectônicas ainda posteriores resultaram em diferentes fases de deformações frágeis finalizadas com efeitos de alivio de tensões e outros eventos geológicos associados com a erosão progressiva do vale do rio Jequitinhonha. As camadas de BX/AF apresentam espessura variável, de decímetros a poucos metros, vindo a constituir bandas pré-cisalhadas geomecanicamente fracas e de comportamento mais dúctil dentro de um maciço gnáissico mais são e competente, de comportamento bastante frágil. O mapeamento geológico em detalhe da área da ruptura e das faces de escavações, pós-evento, detectou estrias e superfícies espelho na BX intensamente decomposta, confirmando a presença de material micáceo, usualmente concentrado nas proximidades das interfaces das camadas. As estrias são interpretadas como tendo sido originadas durante a superimposição de deslocamentos tectônicos nas superfícies de foliação, em função do contraste de ductilidade entre o granito e as camadas de anfibolito/biotita xisto. O padrão de descontinuidades mapeado compreende 3 sistemas subverticais associado a uma família subhorizontal paralelo às camadas de BX/AF. O espaçamento dos sistemas subverticais é métrico, maior do que 5 e em média da ordem de 10 metros. Sistemas de descontinuidades subverticais servem de condutores d água, acelerando o processo de alteração das rochas, e reduzindo o confinamento lateral do maciço gnáissico. O fluxo vertical d água encontra as camadas BX/AF, mais impermeáveis, passa a se desenvolver também paralelo à foliação, promovendo a alteração destes materiais a grandes profundidades.

8 2.2. Descrição da Ruptura A ruptura de grandes proporções ocorreu segundo uma série de eventos cronologicamente descritos previamente (de Mello, 2005). No âmbito desta contribuição é importante colocar que pós-início das escavações e com a exposição, identificação e mapeamento das primeiras camadas BX/AF encontradas, ocorreram algumas instabilidades localizadas de blocos rochosos de grandes dimensões. Iniciou-se uma campanha de investigação por coleta de amostras indeformadas e ensaios especiais de laboratório em junho de Resultados iniciais desta campanha de ensaios mostraram uma grande dispersão nos resultados dos ensaios de resistência ao cisalhamento, sendo que as interpretações decorrentes os situaram em conceito de médias. Serviços de estabilização por incremento localizado de chumbadores isolados ou em feixe foram implementados tendo-se por base parâmetros resultantes destas interpretações em foco de médias. A enorme ruptura retrogressiva iniciou às 15 hrs do dia 7 de julho; a ruptura ocorreu em dois grandes eventos de aproximadamente 30 minutos cada, em um período de 1hr:15min, e envolvendo aprox m 3 de rocha Investigações de Campo e de Laboratório Realizadas Com a ocorrência da ruptura mencionada, uma abrangente campanha adicional de investigações do comportamento da BX/AF em ambas ombreiras da barragem iniciou em julho de 2001, incluindo aspectos geológicos e geomecânicos. A área da barragem originalmente havia sido bem investigada, com 37 sondagens rotativas perfuradas somente na ombreira esquerda, 10 delas na região do vertedouro. Estas sondagens haviam identificado a presença das camadas de BX/AF, mais alteradas a baixas profundidades até siltes argilosos, cinzas e plásticos, mesmo quando sob espessuras maiores de 15 metros de gnaisse são. Considerando a enorme dificuldade de se identificar a presença de estrias e de superfícies espelhadas em testemunhos recuperados de sondagens executadas através das BX/AF, mesmo quando as investigações fazem uso de barriletes triplos, ou duplos livres, não houve particular atenção na execução de sondagens adicionais. Toda a campanha de ensaios foi realizada a partir de amostras moldadas a partir de blocos indeformados (foto13). A classificação geológica dos blocos indeformados, em sintonia com os mapeamentos de campo, utilizou uma escala de alteração dos BX/AF com variação de C1 (material mais são) a C4 (material mais alterado dentre os encontrados). Ensaios especiais de laboratório focaram as características fisico/mecânicas das amostras. A caracterização completa de cada bloco indeformado foi complementada por ensaios de difratometria de Raios-X, ensaios de expansão em anel edométrico, cisalhamento direto em amostras de diferentes dimensões (função da homogeneidade dos blocos e compreendendo amostra de 40x40cm a 10x10cm) e, quando possível, ensaios triaxiais drenados.

9 Foto 13 - Coleta de Blocos Indeformados em BX Os ensaios de difratometria Raios-X, realizados em amostras na umidade natural, calcinadas ou glicoladas previamente, mostraram presença de montmorilonita, biotita/dickita, clorita, goethita, quartzo, ilita, hematita, muscovita e gibsita. Figura 1 - Série de Ensaios de Diafratometria Raios-X Amostra Típica de BX-C3 Os ensaios de resistência ao cisalhamento foram sempre executados em amostras orientadas para que a ruptura se desenvolvesse paralela à foliação das estruturas geológicas. Considerando o objetivo de investigar as características de comportamento residual dos materiais, ensaios específicos de investigação da influencia da velocidade de aplicação da carga axial para se garantir condições drenadas de ensaio e do deslocamento necessário para se atingir tal condição de resistência, foram realizados. Para o melhor conhecimento da influência da

10 velocidade de aplicação da carga axial foram executados ensaios em velocidades distintas para garantir obtenção de parâmetros em termos de tensões efetivas, a serem interpretados conjuntamente com os resultados de ensaios triaxias lentos; a interpretação destes ensaios levou à utilização de velocidade de deslocamento imposto de 0.013mm/min. No caso do número de ciclos de deslocamento no cisalhamento direto foi determinado, figura 2, que 2 ciclos de deslocamento eram suficientes para se atingir condições residuais. Figura 2 - Curvas Tensão Deformação em Material AF-C4 em Diferentes Ciclos de Deslocamento A interpretação da campanha de 75 ensaios de resistência ao cisalhamento leva às seguintes observações: Os dados de caracterização completa, incluindo densidade natural, teor de umidade, curva granulométrica, índice de vazios e os Limites de Atterberg, posiciona os materiais de decomposição rochosa como solos plásticos; Montmorilonitas estão presentes como o argilo-mineral predominante tanto nas BX quanto nos AF. Comportamento expansivo não foi detectado nos ensaios edométricos; A maior parte das amostras, especialmente dos materiais mais alterados, mostrou comportamento tensão-deformação sem caracterizar um pico. Figura 3 - Diagramas Tensão Deformação Típicos de Material BX em Diferentes Níveis de Tensão Normal 1º Ciclo a Esquerda, e 2º Ciclo a Direita Os ensaios de cisalhamento direto mostraram diagramas tensão-deformação bastante diferenciados daqueles dos ensaios triaxiais, em amostras moldadas do mesmo bloco.

11 Figura 4 - Diagramas Tensão Deformação Típicos de Material BX - Mesma Amostra Ensaio Cisalhamento Direto a Esquerda e Ensaio Triaxial Drenado a Direita Uma enorme variação de comportamento de resistência ao cisalhamento está associada aos AF, e também para as BX em seus distintos estágios de alteração; Os AF/BX quando ligeiramente alterados (C1 e C2) apresentam comportamento tensãodeformação dilatante, e a diferença entre os parâmetros de ruptura em condições de pico são somente 50% superiores àqueles em condição residual. O comportamento passa a ser contractivo para tensões confinantes superiores a 0,2 MPa. Amostras remoldadas de ambos materiais, moldadas no mesmo índice de vazios das amostras indeformadas, geraram parâmetros de resistência ao cisalhamento superiores, uma indicação de que a orientação das partículas dos argilo-minerais no alinhamento da foliação das amostras indeformadas da BX/AF tem relevância. SHEAR STRENGTH - MPa SHEAR STRENGTH - MPa REMOLDED samples PEAK STRENGTH MATERIAL AF RESIDUAL STRENGTH MATERIAL AF NORMAL STRESS σ (MPa) Figura 5 - Envoltória de Resistência ao Cisalhamento Material AF em distintos Graus de Alteração Valores Pico NORMAL STRESS σ (MPa) Figura 6 - Envoltória de Resistência ao Cisalhamento Material AF em distintos Graus de Alteração Valores Residuais

12 REMOLDED samples SHEAR STRENGTH - MPa SHEAR STRENGTH - MPa PEAK STRENGTH MATERIAL BX RESIDUAL STRENGTH MATERIAL BX NORMAL STRESS σ (MPa) Figura 7 - Envoltória de Resistência ao Cisalhamento Material BX em distintos Graus de Alteração Valores de Pico NORMAL STRESS σ (MPa) Figura 8 - Envoltória de Resistência ao Cisalhamento Material BX em distintos Graus de Alteração Valores Residuais A saturação previa das amostras não levou a mudança significativa de comportamento. NATURAL MOISTURE SATURATED NATURAL MOISTURE SATURATED NATURAL MOISTURE SATURATED NATURAL MOISTURE SATURATED SHEAR STRENGTH - MPa SHEAR STRENGTH - MPa PEAK STRENGTH SATURATED VS NATURAL Moisture Content RESIDUAL STRENGTH SATURATED VS NATURAL Moisture Content NORMAL STRESS σ (MPa) Figura 9 - Resistência ao Cisalhamento Material AF Umidade natural e saturado Condição Pico NORMAL STRESS σ (MPa) Figura 10 - Resistência ao Cisalhamento Material AF Umidade natural e saturado Condição Residual A interpretação de todos os resultados disponíveis leva a postular resistência ao cisalhamento com angulo de atrito variando entre φ = 12 to 14 o, e intercepto de coesão nulo como representativos das condições prevalecentes na camada de BX/AF condicionante da ruptura. Estes parâmetros são significativamente inferiores àqueles interpretados segundo modelo geológico/geomecânico no qual se valida uso de conceito de médias para a resistência ao cisalhamento.

13 Figura 11 - Envoltórias de Resistência ao Cisalhamento Sugeridas antes da Ruptura, Desprezando Valores Atípicos 2.4. Discussão do Comportamento das Biotitas Xisto e Anfibolitos de Itapebi A interpretação do conjunto de resultados de ensaios obtidos, à luz de modelo geológico/geotécnico realista e abrangente proposto após a ruptura, levou a colocar que a baixa resistência ao cisalhamento, disponível nos BX/AF em condições in situ advinha das seguintes causas: Uma xistosidade ou anisotropia textural muito impositiva; relacionada a um achatamento dos grãos de quartzo com relação X/Y mínima de 2:1 e forte orientação laminar das micas; Dissolução seletiva dos grãos de quartzo intersticial da matriz rochosa gerada pela alteração diferencial. 3. CONCLUSÕES A influência de camadas de biotita presentes em granitos, gnaisses, migmatitos, xistos e seus saprolitos é conhecida (Horn e Deere, 1962; Knill e Jones, 1965; Jaeger 1973a e b, Sjoeberg, 1993). A fragilidade dos contatos geológicos entre rochas ricas em biotitas e capas de gnaisses mais duros, quando durante sua evolução geológica são tectonicamente submetidas a dobramento flexural com cisalhamento e deslocamento relativo, chama a atenção. As biotita xisto ensaiadas apresentam a peculiaridade de ser de granulometria fina e sua alteração seletiva, associada a dissolução e decomposição dos componentes duros (feldspatos e quartzos), gerando uma estrutura homogeneamente porosa. As estrias mapeadas coincidem com a orientação do mergulho real das camadas, N40E, podendo ter sido reativadas em conseqüência de eventos neo-tectônicos, associados ou não à erosão do canal do rio. A enorme variabilidade geométrica das camadas BX/AF é clara. Especificamente na camada de base da ruptura, seu angulo de mergulho foi mapeado apresentando valores de 23 o em desenvolvimentos de 50m, e de até 28 o em desenvolvimentos mais curtos de 15m, valores estes consideravelmente superiores ao ângulo de atrito in situ determinado.

14 Os resultados obtidos na abrangente campanha de investigações realizada nos materiais de Itapebi, associados ao modelo geológico/geotécnico interpretado pós-ruptura e a características de intemperismo particulares em relação ao universo de dados anterior, contribuem para o alargamento da fronteira do conhecimento. AGRADECIMENTOS Para importante destes estudos foram desenvolvidos com os colegas Prof. George R. Sadowski e Engenheiro Carlos M. Nieble, a quem ficam os merecidos agradecimentos. BIBLIOGRAFIA Brown, J. L Landmarks in American Civil Engineering History: Fort Peck Dam Civil Engineering ASCE, Vol. 72, No. 11, pp Carlier, M. A Causes of the Failure of the Malpasset Dam Foundations for dams, California, ASCE pp de Mello, L.G Geotechnical Failures 4th Jennings Lecture South African Institute of Engineers de Mello, L.G.; Sadowski, G.R e Nieble, C.M Shear resistance of biotite schists; peak and post-peak behaviour Advances in Geotechnical Engineering; the Skempton Conference, ICE, London Gu, W. H. et al Progressive Failure of Lower San Fernando Dam Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 119, No. 2, pp Horn, H.M. e Deere, D.U Frictional characteristics of minerals Geotechnique 12, pp Jaeger, C 1973a Engineering problems and rock mechanics; some problems QJ Engineering Geology, 7, pp Jaeger, C. 1973b Rock mechanics and engineering Cambridge University press Knill, J.L e Jones, K.S The recording and interpretation of geological conditions in the foundations of the Roseires, Kariba and Latiyan dam Geotechnique 15, pp Petley, D. N The Vajont (Vaiont) Landslide Geo Institute of ASCE, Vol. 6, No. 2, pp Sadrekarimi, A. and Olson, S. M. Review of the October 9, 1963 Failure of the Vajont Reservoir Slope Soejeberg, J Design methods for slopes and still pillars with application in the Zinkgruvan Mine, Central Sweden Rock Mechanics and Rock Engineering 3, pp Thompson, M. H Some Construction Aspects of Tarbela Dam Journal of the Construction Division, Vol. 100, No. 3, pp