EROSOES A MONTANTE E JUSANTE DA BARRAGEM DE BOM RETIRO, RS Geol. Martinho R. C. Rottmann HIDROSERVICE Engenharia Ltda. RESUMO A Barra gem de Bom Retiro, sobre o Rio Taquari, junto a cidade de mesmo nome, a aproximadamente 12 km de Porto Alegre, RS, foi construida seguindo a diretriz de um projeto modificado, que praticamente eliminou o dente da bacia de dissipacao. Desta forma, foi langada sobre o dabil argilito da Formagao Rosario do Sul, logo a jusante, a dissipagao de toda energia provinda do extravasor. Como consequencia, iniciou-se um profundo processo de erosao regressiva que ameagou a estabilidade de toda obra. problema ampliou-se quando ocorreu um acidente com um barco que naufragou junto ao paramento de montante da barragem, ocasionando interrupgao do fluxo normal da agua atraves dos vaos centrals do extravasor. Esta ma distribuigao das vazoes provocou nao somente fortes erosoes no enrocamento de protegao a montante como tambem um descalgamento significativo das fundagoes com a formagao de cavernas sob as estruturas de concreto da barragem e sob o muro direito da eclusa, a jusante da barragem. As obras de reparo executadas, garantiram a estabilidade das estruturas afetadas e o processo de erosao a jusante, por sua vez, foi controlado a contento atraves da construgao de um macigo de protegao de enrocamento coberto por blocos ccbicos de concreto. 1. INTRODuCA A Barragem de Bom Retiro possibilita, atraves de uma camara de eclusagem com desnivel de 12 m de altura, a navegagao ate ao porto da cidade de Estrela. A obra foi iniciada em maio de 1958. Apbs varias paralisagoes, foi finalmente concluida em abril de 1977, dando-se o inicio do enchimento do reservalorio. 2. CONHECIMENTO DO PROBLEMA A obra concluida a constituida pelas seguintes estruturas em concreto (ilustragao n 1): 1 Camara de eclusagem com 17 m de largura e 12 m de altura. 1 Muro guia da eclusa com 4 m de largura. 1 Extravasor em 6 vaos de 17 m de largura com comportas planas tipo guilhotina para a regulagem do nivel. E uma estrutura aliviada onde as fundagoes se dao atraves de septos longitudinais, paralelos as fundagoes dos pilares. 1 Vertedouro livre com 38,46 m de largura. 9 Pilares de 4 m de largura. Estas estruturas foram fundadas sobre os argilitos da Formagao Rosario do Sul. Na fase de construgao foi executado um ensaio de cisalhamento "in situ" a 2 m a montante da barragem. ensaio foi do tipo rapido pre-adensado, com quatro estagios de pressao normal (J1 = 2; 4; 8 e 12 kg/cm2. As curvas tensao x deformagao obtidas indicaram que o argilito a pouco deformavel uma vez que as rupturas ocorreram com deformagoes nominais especificas inferiores a 1% (valor de,7 cm para CP de,7 m x,7 m x,35 m). A equagao de resistencia obtida no ensaio foi: r = 1,7 + tj tg 23 kg/cm2 - (Tecnosolo, 1974.) Apbs o primeiro perlodo de cheias do inverno de 1977, foram executadas segues batimetricas a jusante da obra que detectaram o desenvolvimento de um forte processo erosivo a jusante do dissipador de energia ameagando a integridade das fundagoes da bacia de dissipagao. Com a finalidade de garantir a estabilidade da obra, foi entao realizada, no perlodo de estiagem fevereiromaio de 1978, uma concretagem submersa numa extensao de 25 2 m em toda largura do rio. Este concreto formou uma laje que cobriu o argilito nesta faixa. - XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS - - 131 -
Em fins de 1978 ocorreu um acidente com o barco Porto Viamao que permaneceu naufragado junto ao paramento montante da barragem, obstruindo os vaos centrais entre os pilares P5 e P8 do extravasor. Este fato causou profunda perturbagao no escoamento da agua ocasionando a destruigao do enrocamento de montante, erosoes e descalgamentos importantes nao s6 das fundagoes da estrutura do extravasor em sua parte de montante (ilustragao n 2) como tamb6m do muro direito da eclusa a jusante da barragem. As fundagoes descalgadas foram reparadas atrav6s de injegoes de calda de cimento e areia e preenchimento das cavernas com concreto em sacos de nylon trangado e poitas de concreto de 1,2 t. As erosoes alcangaram em seu ponto mais profundo a cota -9, m, nfvel inferior ao da cortina (muro) de impermeabilizagao de montante, colocando em cheque a efetividade da mesma. Nestes locais foi langado concreto submerso. Levantamentos batim6tricos executados a jusante da bacia de dissipagao nos anos de 1981 e 1984, por sua vez, indicaram o efetivo avango do processo de erosao regressiva (ilustragao no 3) identificando duas fossas de aproximadamente 15 m de profundidade separadas por um septo de argilito remanescente aproximadamente no meio do rio. Com a confirmagao desta tendencia e a consequente possibilidade de ameaga a estabilidade das estruturas, a Portobras abriu Iicitagao publica para o estudo, diagn6stico e solugao do problema. A HIDROSERVICE Engenharia Ltda. foi contratada para tal em dezembro de 1985. 4. INVESTIGAcOES REALIZADAS 4.1 Controle Cinematico da Barragem Para o controle dos possfveis deslocamentos horizontais da barragem, foram instalados pelo CIENTEC (Porto Alegre, RS), quatro marcos de referencia dentro de abrigos pr6prios, 2 em cada margem. Para possfveis movimentos verticais existem 2 "Bench Marks", um em cada margem. Em cada um dos pilares (P3 a P9) ha 2 pinos de referencia, instalados tamb6m pelo CIENTEC, na cota 14, m, um a montante e outro a jusante de cada pilar. Foram solicitadas ao CIENTEC medigoes atualizadas para verificagao das condigoes de estabilidade das estruturas. resultado inicial indicava deslocamentos alarmantes, da ordem de 5 mm, em um dos pilares. CIENTEC solicitado a verificar estes dados, constatou que na realidade o deslocamento havia se dado em urn dos marcos de referencia, reduzindo-se o deslocamento real a valores desprezfveis. Desta forma, a perspectiva de risco iminente estava eliminada. Foi instalada pela HIDROSERVICE uma nova rede de pinos e marcos de referencia e foram dadas recomendagoes para controles futuros. 4.2 Estudos Geol6gico - Geotacnicos 4.2.1 Erosaes a Montantes e CondigOes das Fundagoes Pr6ximas Levando-se em consideragao os dados relativos as erosoes havidas pelo lado montante da barragem de Bom Retiro por ocasiao do acidente corn o barco Porto Viamao, decidiu-se programar investigagoes geol6gicas nas areas onde elas haviam sido mais intensas. objetivo foi o de obter informagoes das condigoes em que se encontram atualmente as fundagoes, qual a extensao real das erosoes havidas, em que condigoes se encontram atualmente as obras de reparo realizadas e detectar/avaliar as possfveis subpressoes existentes. Em duas etapas de trabaiho foram executadas, nesta area, ao todo 16 sondagens rotativas (ilustragao no 1). No vao P5-P6, as sondagens indicaram que o contato entre o concreto e o argilito 6 fechado, sem sinais de erosao da rocha. Sob a laje de concreto (soleira do extravasor) foi identificado cascalho de basalto, silica e arenito que esta parcialmente consolidado por injegao de calda de cimento. Durante a execugao da SR-13 observou-se uma surgencia de agua logo a jusante da guia direita da comporta, aproximadamente na cota 9, m. Aparentemente deveu-se a percolagao de, 6gua ao longo de falhas de concretagem, que foram conectadas atrav6s do furo da sondagem. fenomeno estancou imediatamente ap6s a obturagao do furo da sondagem. No vao P6-P7 foi detectado sob a laje um vazio de 2,87 m. Abaixo existe um material extremamente mole, nao recuperado, com uma espessura de 1,63 m; segue uma camada de brita (2,5 m) com algum vestfgio de cimento e argila cinza. Logo abaixo encontra-se o argilito. Quatro sondagens perfuraram os septos de fundagao. As duas de jusante (SR-34 e SR-35) indicaram um perfeito contato entre a rocha de fundagao e o concreto. Ja as sondagens de montante (SR-36 e SR-37) evidenciaram a existencia de erosoes do argilito, reparadas na ocasiao. A SR-36 identificou um vazio de,49 m posteriormente preenchido por uma argamassa friavel de cimento e areia. Na SR-37, atravessou-se um antigo vazio com,67 m de altura, preenchido corn areia que apresenta apenas vestfgios de cimento. No pilar P7, foi executada a sondagem SR-21 que mostrou uma profunda caverna de erosao com 4,56 m na linha vertical da sondagem. Os primeiros,31 m sob o concreto permanecem vazios. Seguem-se 2,66 m de ar- - 132 - - XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS -
gamassa injetada em sacos de nylon trangado, corn teor de areia variado, depositados sobre 1,55 m de concreto submerso, na sua malor pane desagregado, restando apenas a brita com vestfgios de calda de cimento. No vao P4-P5, o concreto dos septos esta assentado sobre um cascaiho lavado que apresenta uma espessura de,75 m, assente sobre a argila. A agua de perturagao foi integralmente absorvida pelo cascalho, conduzida seguramente para jusante pelo sistema de drenagem da barragem. Os septos de fundagao do vao P7-P8 estao perteitamente assentados sobre o argilito. -4.2.2 Piezometria A analise de estabilidade da estruturas indicou que uma possfvel subpressao seria fatal, especialmente para o extravasor, pois as estruturas que o formam sao estruturas aliviadas e independentes. Assim sendo, 6 imprescindfvel o perfeito funcionamento do conjunto cortina de impermeabilizagao-sistema de drenagem. Tendo em vista esta premissa, foram instalados 5 piezometros tipo Casagrande nas quatro lajes situadas entre as pilares P4 e P8, a jusante das comportas, nas sondagens SR-27, 3, 31, 35 e 38. Os resultados obtidos evidenciaram este perfeito funcionamento. As leituras dos piezometros indicaram um vfnculo constante e pr6ximo ao navel de jusante do rio. A titulo ilustrativo se apresenta o resultado da SR-35 (ilustragao no 4). Da mesma forma nenhurn dos piezometros registrou qualquer reagao ap6s a perfuragao da sondagem de montante da respectiva soleira que colocou o nfvel de fundagao da mesma ern conexao direta corn a coluna d'agua do reservat6rio. Confirma tamb6m este resultado, o fato de que na SR-21, uma vez conclufda a sondagem, o NA no furo baixou rapidamente para niveis similares aos de jusante, conduzido pelo sistema de drenagern da barragem. 4.2.3 Eros6es a Jusante do Dissipador Atrav6s durna analise do processo construtivo da obra, chega-se a uma causa que possivelmente tenha facilitado o infcio do processo erosivo a jusante da bacla de dissipagao. Para as ensecadeiras foram utilizadas estacas prancha tipo Larssen que no processo de cravagao e posterior arrancamento perturbararn o argilito, cujas caracterfsticas geomecanicas por si s6 ja sao d6beis. A jusante da bacia de dissipagao, area onde se desenvolveu este forte processo erosivo, cuja evolugao pode ser observada na ilustragao no 3, ocorre um argilito castanho-avermelhado, por vezes concrecionado e corn consist6ncia entre RO e R1 (ISRM, 1981) ou seja, 6 possfvel de ser marcado com a unha. Ensaios mineral6gicos por difragao de raio-x, indicararn que a rocha 6 formada por argilo-minerais do grupo das ilitas e esmectitas, estas ultimas de carater nitidamente expansivo. Nao foram necessarios ensaios de ciclagern para constatar a extrema fragilidade da rocha. Com apenas urn ciclo de secagem o material se desagregou totalmente sob o aperto dos dedos, fato devido a presenga das esmectitas. Foram executados na bacia de dissipagao e a jusante urn total de 5 sondagens rotativas (ilustragao no 1). A sondagern SR-6 foi locada pr6ximo a borda da laje de concreto submerso langado sobre o argilito em principios de 1978. Os resultados obtidos confirmararn as suspeitas de que o processo de erosao regressiva nao havia parado desde o ultimo levantamento realizado ern 1984. A espessura da laje no local foi de,68m. Seguiu-se a caverna de erosao corn 4,32 m de vazio detectado pela sondagern ate tocar o argilito no (undo do rio. Pode-se observar que, na verdade, entre 1984 e 1986, ao longo da segao C-C (ilustragao no 3) o avango das erosoes foi justamente no sentido regressivo, ern diregao as estruturas e ja nao mais no aprofundamento. pr6prio mapeamento e caracterizagao ffsica e geol6gica do (undo (ilustragao no 4) indicou que em profundidade a erosao havia alcangado seu limite, iniciando-se o processo de deposigao de cascalhos no fundo das fossas. A extensao maior do piano horizontal da cavern de erosao sob o concreto submerso, foi medida em 6,3 m no mapeamento de subsuperffcie. A maior altura, desde a borda da laje ate ao fundo do rio, 6 de 8,3 m. Seu contorno se encontra indicado na ilustragao no 5. Ao longo do muro direito da eclusa ocorreram igualmente erosoes no argilito das fundagoes que provocararn urn deslocamento relativo de tombamento de 3 cm entre urn bloco e outro do muro. Junto a este local foi realizada a sondagern SR-8. resultado mostrou que o concreto submerso esta sotoposto ao concreto estrutural o que indica que houve erosao sob a fundagao do muro e que esta foi posteriormente preenchida. No ponto sondado a erosao atingiu 3,5 m de altura. recalque diferencial que provocou o tombamento referido, provavelmente ocorreu no perfodo em que as fundagoes estavam solapadas. Observa- se nos testemunhos da sondagem que os contatos concreto estrutural-concreto submerso-argilito sao fechados, sera indfcios de perturbagao. Nota-se, contudo, que entre o concreto submerso e o argilito existe uma camada de seixos rolados de at6 5 cm de diametro, aparentemente limpos. Nao se dispunha de informagao se esta camada, obviamente de alta permeabilidade, estava restrita ao local onde houve a erosao ou se ela se estende sob toda fundagao do muro. argilito na base da fundagao apresenta-se normal e suas fraturas sao de faces lisas, porem, sem estrias. - XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS - - 133 -
4.3 REFERENCIAS SOBRE PROBLEMA HIDRAULICO Nao 6 o objetivo deste trabaiho a apresentagao dos estudos hidraulicos realizados. Indica-se, aqui, apenas, d guisa de informagao, as causas que foram diagnosticadas como geradoras dos processos erosivos bern como a indicagao esquematica da 1 a etapa da solugao do problema de jusante, obra alias ja licitada e executada. Alteragoes no projeto Inicial da bacia de dissipagao, elevando o navel da mesma da cota, m para +,8 m (ilustragao no 6), eliminaram quase totalmente o dente no seu final, com o que a dissipagao da energia se transfere para jusante. Como o leito do rio nesta area a constitufdo por um argilito de caracterfsticas geomecanicas debeis e perturbada pela cravagao e arrancamento das estacas, iniciou-se e avangou o processo erosivo descrito neste trabalho. acidente com o barco Porto Viamao alterou, por sua vez, as condigoes de aproximagao do fluxo de agua ao extravasor provocando altas velocidades sobre o enrocamento de montante ocasionando, nao somente o arraste das pedras, mas tambem a formagao de profunda erosao no argilito, que descalgou as fundagoes, alcangando a cota -9, m. Alem disto, com a obstrugao de tres vaos centrals, as descargas, durante urn perfodo completo de cheia, concentraram-se nos vaos extremos, provocando correntes de recirculagao na regiao central, ja anteriormente afetada e ao longo do muro da eclusa onde provocaram o descalgamento do mesmo. problema hidraulico foi estudado em detalhe pela equipe tecnica da HIDROSERVICE atraves da construgao de modelo reduzido executado no INPH, Rio de Janeiro. 5. CONCLUSOES E RECOMENDAcOES 5.1 Situagao a Montante As investigagoes executadas pela HIDROSERVICE comprovaram que o tratamento parcial das fundagoes das estruturas pelo lado montante nao foram realizadas com perfeigao pois ainda permaneceram vazios sob o concreto das fundagoes. Contudo, o resultado do monitoramento cinematico destas estruturas e a comprovada eficacia do binomio cortina de impermeabilizagao-sistema de drenagem, indicam que a obra esta estavel. Recomendou-se a continuidade do controle cinematico das estruturas, de forma ordenada e sistematica, alem da reconstrugao do enrocamento de protegao de montante. 5.2 Situagao a Jusante As obras realizadas para a contengao do processo erosivo a jusante da bacia de dissipagao, foram realizadas de acordo corn o esquema indicado na ilustragao no 7 em anexo. projeto adotado, na verdade, corresponde a uma solugao de emergencia ou a 18 etapa de uma possfvel solugao definitiva. A batimetria e vistoria subaquatica realizada apbs a primeira cheia ap6s a construgao, que teve caracterfsticas severas, indica que a solugao "emergencial" adotada, teve um bom desempenho. As recomendagoes a PORTOBRAS inclufram uma regra rfgida de operagao das comportas e a execugao sistematica de levantamentos batimetricos em toda a area crftica; o resultado destes levantamentos indicara a necessidade ou nao da complementagao da obra de contengao, cujo custo em relagao a obra atual, devera ser bastante elevado. 6. AGRADECIMENTOS Agradecemos a HIDROSERVICE Engenharia Ltda. a autorizagao para a publicagao do presente trabalho. Da mesma forma agradecemos aos colegas das varias areas tecnicas que participaram do estudo. trabalho em conjunto conduziu ao diagnbstico correto e a'solugao racional e otimizada do problema. 7. BIBLIOGRAFIA Coulon, F.K.: Mapa Geotecnico das Folhas de Morretes e Montenegro, AS. Instituto de Geociencias UFRGS, P.A. 1974. Gamermann, N.: Formagao Rosario do Sul. Pesquisas 2:5-35. Instituto de Geociencias UFRGS, P.A. 1973. HIDROSERVICE ENGENHARIA LTDA.: Barragem de Bom Retiro - Projeto das Obras de Contengao do Processo Erosivo - Relatorio Final HE1142-R6-488 S.P. 1988. ISRM: Ed. Brown E.T.: Rock Characterization, Testing and Monitoring. Pergamon Press, 1981. TECNOSOLO: Ensaio de Cisalhamento in situ" na Barragern de Born Retiro. Relatorio RS-31/74, 1974. - 134 - - XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS -
P2 I ECLUSA MURe p 3 ^.m O SR a O s+ -zs @ SR-27 SR-2 O ^R-s 3RD O SR-31 w U m 7`rl _ P8 BARRAGEM BOM RETIRO Ilustrogao N2 1 - Indlcocao dos estruturos e plonto dos sondogens executodos - XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS - -135-
E U w E z a N g 1 C> a, U, a, a, C c E o O W N Q O N U- N N E ZO W tr N fn _Q ao w w > Z N Z (n W u to a N U a z Z U. O Q U O) U) U J IQ Z a U- Q F- H W z O Z w v) rn O w a oa = ac a a C. w c o J J J U. w a w w w o a a z - 136 - - XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS -
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OTAS (m) 5 4 73 h 12Oh 173h 73h 12.h 17.3h 73h 12h 173h 17/6/87 18 /6 /87 19/6/87 2/6/87 21/6/87 A COTAS (m) 4 73h 12.OOh 173h 12. h 17.3h 3 22/6/87 23/6/87 24/6/87 25/6/87 26/6/87 BARRAGEM BOM RETIRO Ilustropao N 4- Piezometrio SR-35 e NA do rio Toquori a jusonte do barrage m - 138 - - A A SEM P.4;;-S NA-,OVAL DE GRANDES BARRAGENS -
1 ) -- - -- j,.gvn MAW CASCALHO LEGENDA CAVERNA DE EROSAO ------ FRENTE DE EROSAO ARGILITO LL^j l CONCRETO SUBMERSO BARRAGEM BOM RETIRO llustracoo N9 5- Mopo peolopico e fisico do fundo a jusante do bocia de dissipacoo - XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS - -139-
(a) Projeto do bacia original LEITO ORIGINAL (b) Projeto do bacia alterado conforme construido Ilustrasao W-6 r Esquema BARRAGEM BOM RETIRO do processo de erosoo a jusante.14- - XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS -
i Da ' Is Y. 176.1 x. 56 Y. a 76.1 (^ -,i' C-' - Y. 1 155. 1 X. 5 x.5 P, I } PLANTA BARRAGEM BOM RETIRO Ilustracao N 7- Esquemo do solusao a jusonte ( 19 Etopa ) - XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS - -141-
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