VII ENEC Rio de Janeiro - RJ 3 a 6 de abril de 2018

3 a 6 de abril de 2018

FILTRAGEM EM OBRAS DE TERRA

Francisco Roger Carneiro Ribeiro ([email protected]) Vanda Tereza Costa Malveira ([email protected])

Resumo: A Erosão Interna tem importância na segurança de barragens como também suas principais consequências no meio geotécnico de barragem, devido à possibilidade de colapso iniciado por este processo. Os problemas de erosão interna ocorrem quando as partículas de um solo, no maciço de uma barragem ou em sua fundação, são carreadas pelo fl uxo da percolação existente, consequência da falta ou funcionamento inadequado de fi ltros. Os fi ltros são estruturas empregadas para paralisar processos de erosão interna, retendo as partículas carreadas no interior de seus vazios. Desta forma, faz-se necessário que tais estruturas estejam dimensionadas adequadamente. Estudos realizados em 1964, dando continuidade aos estudos de Terzaghi (1926) sendo o primeiro critério largamente adotado em projetos de fi ltros granulares, desenvolveu uma teoria para determinação da distribuição dos vazios, a partir da qual é possível simular o carreamento das partículas de um solo. Tal metodologia permite determinar as distâncias percorridas pelas partículas do solo. Em 1999 estudos realizados sobre fi ltração com base em produtos geotêxtil que cresceu acentuadamente nas últimas décadas. Assim este trabalho tem como objetivo apresentar a sistemas de fi ltragem realizados por autores, diante os estudas iniciados por Terzaghi, mostrando a importância dos trabalhos no dimensionamento de drenos efi cientes, garantindo sua segurança contra erosão interna.

Palavras-chave: Erosão interna. Filtros. Percolação.

INTRODUÇÃO

Em barragens de terra, um dos principais cuidados a serem tomados durante a fase de projeto e operação é o controle do fl uxo de percolação de água. Quando uma barragem é submetida a fl uxos de grande intensida-de, partículas de solo podem ser removidas e carreadas pela água, gerando problemas na estrutura que podem ocasionar uma ruptura. Esse processo de remoção e carreamento de solo é denominado de erosão interna, este fenômeno representa a causa de quase metade dos casos de rupturas de barragens observadas no mundo, sendo associados a estruturas que não possuem sistemas de drenagem interna como fi ltros ou, mesmo possuindo, este atua de forma inefi caz na paralisação do transporte de solo, quando mal dimensionados.

Como o solo é formado por partículas de inúmeras dimensões, que se dispõem de acordo com o grau de compacidade ou de consistência que se encontram, podendo ser fofo ou denso. Os critérios para a projeção de fi ltros granulares, praticados na Engenharia, são baseados em relações entre um ou mais diâmetros caracterís-ticos dos solos e dos materiais granulares para fi ltros, a fi m de obter fi ltros efi cientes, relacionados aos aspectos físicos e geométricos, sendo estabilizado, ou seja, numa condição na qual sua distribuição de vazios não permi-te que ocorra carreamentos relevanpermi-tes de partículas do solo base (solo do maciço compactado).

Já os fi ltros sintéticos teve um crescimento acentuado nas últimas décadas. Esta aplicação vem se esten-dendo também a um número crescente de obras de proteção ambiental.

Como visto que os processos de erosão interna representem cerca de metade das rupturas de estruturas de barragem ocorridas no mundo, seu estudo é de primordial importância no âmbito geotécnico no quesito ava-liação de segurança dessas estruturas. Assim o dimensionamento de fi ltros corretamente é de extrema impor-tância para seguras as partículas causada pela percolação existente no maciço.

A pesquisa foi realizada com base em uma revisão bibliográfi ca a respeito o sistema de fi ltragem em obras de terra.

1. MATERIAIS E MÉTODOS 1.1 Materiais

A pesquisa é desenvolvida com base em revisão bibliográfica, tendo como objetivo verificar o dimen-sionamento de drenos eficiente, observando a contribuição dos autores estudados a partir da contribuição de Terzaghi na primeira metade do século passado.

1.2 Métodos

A pesquisa consiste na organização cronológica das metodologias desenvolvidas em pesquisas diversas, para dimensionamento e verificação de eficiência de filtros em obras de terra.

2. TIPOS DE FILTROS

Filtro Granular

Os filtros naturais são constituídos por agregados minerais permeáveis, ou seja, materiais porosos, nor-malmente solos de granulometria arenosa e/ou pedregulhosa.

O filtro pode ser constituído por uma só camada de material bem graduado, e moderadamente permeá-vel, quando se trata de remoção de fluxos pequenos, ou por camadas de granulometria diferentes, quando se trata de percolação maiores, viando melhor atender as funções de filtração e drenagem.

Filtro Sintético

Os filtros sintéticos, também denominados geotêxteis, são mantas permeáveis, flexíveis e finas produ-zidas a partir de fibras sintéticas. São produtos manufaturados a partir de diferentes polímeros e de variadas formas de fabricação.

O material constituintes das mantas de geotêxteis são polímeros, aos quais são acrescentados aditivos para melhorar as propriedades do produto final.

Os polímeros mais utilizados na fabricação de geotêxteis, são os do grupo termoplásticos, uma vez que é capaz de sofrer amolecimento e endurecimento sob ação do calor ou resfriamento.

A estrutura do geotêxtil é determinada pela técnica adotada na fabricação do produto, ou seja, no proces-so de combinação das fibras, o qual dar origem a três tipos: tecidos, não-tecidos e tricotado. A Figura 1 mostra exemplo da estrutura de um geotêxtil de tecido de monofilamentos e a Figura 2 mostra a estrutura de um geo-têxtil tecido de laminete.

Figura 1. Tecido de monofilamento Fonte: Spada (1991).

Figura 2.

Tecido de laminetes Fonte: Gourc e Faure (1990) - Spada (1991). A durabilidade pode ser definida como a capacidade que o geotêxtil possui de guardar ao longo do tem-po o nível de integridade desejado. Vale ressaltar que, a maior ou menor susceptibilidade do tem-polímero de so-frer alterações face a produtos químicos ou condições ambientais ao qual ficará exposto, afeta diretamente a durabilidade do geotêxtil.

3. O PROBLEMA DE EROSÃO INTERNA

A erosão interna é uma das principais causas de acidentes e de roturas em barragens de aterro. Os mo-dos de rotura deste tipo estão associamo-dos ao arrastamento de partículas de solo através da percolação no ater-ro da barragem ou na sua fundação. A figura mostra o pater-rocesso de eater-rosão interna em uma barragem de terra, em dois momentos: antes do início da percolação de água no solo compactado e no momento após o esta-do cuja percolação apresenta energia suficiente, para separar as partículas vulneráveis presentes no solo e transportá-las no sentido e e impedir o desenvolvimento do processo.

Figura 3.

Processo de erosão interna Fonte: Ladeira (2005).

Recentemente, o grupo europeu de trabalho (EWG - European Working Group), criado pela ICOLD pa-ra o estudo da temática da erosão interna em barpa-ragens de aterro e suas fundações, estabeleceu uma linha de orientação para a realização de análises de riscos relativas a processos de erosão interna que conduzam à rotura de barragens de aterro (DTK, 2007). Na Figura identificam-se as oito etapas fundamentais.

Figura 4. Etapas para a realização de análise de riscos de erosão interna em barragens de aterro

Foster et. al. (1998), determinou que existe quatro fases de erosões internas.

y Início: etapa a partir da qual o processo é engatilhado, podendo ter sua causa relacionada a escoa-mentos concentrados, erosão regressiva, erosão de contato ou sufusão – ou a mais de um desses fatores simul-taneamente.

y Continuação: etapa posterior ao início do processo, no qual a erosão não foi paralisada pela ação de um filtro ou simplesmente pelo fato de as partículas erodidas não terem sido retidas por nenhum material.

y Progressão: estágio no qual o “tubo” é efetivamente formado e a percolação e/ou as poro-pressões na porção de jusante da barragem ou fundação se estabilizam ou tem suas intensidades aumentadas.

Nos casos de erosões regressivas, o estágio de progressão se caracteriza pelo início da formação do “tu-bo”, ou seja, a erosão passa a não atuar apenas superficialmente na face de jusante da barragem.

y Fratura (“breach”): estágio de formação da brecha, no qual eflui uma vazão descontrolada do reser-vatório e não se tem mais controle sobre o processo. Até esta etapa do processo, geralmente todas as interven-ções possíveis já devem ter sido efetuadas.

4. ESTUDO DE AUTORES PARA DIMENSIONAMENTO DE FILTROS GRANULARES

Os estudos a seguir mostra sobre o carreamento de partículas através de materiais granulares, levando em consideração a configuração dos vazios existentes no interior destes materiais.

Terzaghi

O “Critério clássico de Terzaghi”, como é conhecido, foi proposto por Terzaghi (1926) e foi o primeiro critério largamente adotado em projetos de filtros, tendo sido utilizado como base para inúmeros estudos poste-riores. Em projetos de barragens, os filtros devem ser dimensionados para atender aos seguintes critérios básicos: y Critério de retenção: as dimensões dos vazios existentes entre os grãos do filtro devem ser suficien-temente pequenas de forma a possibilitar a retenção de partículas do material protegido. Inicialmente, tal pre-missa era referida como “critério de estabilidade” ou “critério de piping”;

y Critério de permeabilidade: O filtro deve apresentar condutividade hidráulica suficiente para prover à estrutura condições para drenagem das águas provenientes do interior do maciço.

Caso ocorra carreamento de finos do solo base, esse processo deve se estabilizar de modo que o filtro ainda apresente espessura íntegra (não colmatada) satisfatória para atender às premissas de vazões de água a ser percolada, conforme previsto em projeto.

O critério de Terzaghi é válido para solos não coesivos e uniformes. As equações apresentam os critérios de retenção e de permeabilidade, de acordo com o critério de Terzaghi, os quais definem limites e um intervalo

de aceitação, baseados na curva granulométrica do solo base, dentro do qual a granulometria dos filtros pro-jetados deve estar compreendida.

Critério de Retenção (Eq. 1)

Critério de Permeabilidade (Eq. 2)

Silveira e Cedergren

Segundo Silveira, Cedergren foi o primeiro a encarar o problema dos filtros de proteção sob o ponto de vista de dimensionamento de espessura, e não apenas da granulometria dos materiais. No entanto, Cedergren (1960) avaliou a questão apenas visando atender às questões hidráulicas relacionadas à percolação, por meio de análise de redes para filtros inclinados e tapetes horizontais de barragens. O professor Dr. Araken Silveira, da USP/São Carlos, em sua tese de doutorado (SILVEIRA, 1964), foi o primeiro a propor a análise de filtros de proteção com base na distribuição de vazios (porosimetria).

Silveira

O trabalho desenvolvido por Araken Silveira, em sua tese de doutorado (SILVEIRA, 1964), teve como objetivo principal a proposta de iniciar um estudo sistemático sobre o dimensionamento dos filtros, visando ob-ter não apenas a granulometria mais adequada, mas procurando também estabelecer a espessura necessária dos filtros em função da distribuição dos vazios e do carreamento das partículas, assunto que até então não contava com nenhum procedimento ou base teórica aprofundada.

Em resumo, a análise de Silveira (1964) buscou simular o caminho percorrido por uma determinada par-tícula do solo-base, de diâmetro equivalente d, através dos vazios formados pelos grãos de um filtro.

A contribuição de Silveira foi o método para determinação da distribuição dos vazios para o estado den-so do filtro e método para análise de carreamento. Os diâmetros dos vazios no estado denden-so (Figura 3), deter-minado por Silveira (1964), a partir da Equação 3:

Figura 5. Fonte: Silveira (1964). [(di + dj + dk) • di • dj • dk] 1/2 = [(di + dj + dvd) • di • dj • dvd] 1/2 + [(di + dvd + dk) • di • dvd • dk] 1/2 + [(dvd + dj + dk) • dvd • dj • dk] 1/2 (Eq. 3) De Mello

Indica considerações dos métodos de Silveira (1964 e 1966), na determinação da granulometria do fil-tro em termos de massa, para filfil-tros bem graduados. Propõe avaliação da granulometria em termos de núme-ros de partículas. Para que um material seja estável internamente, o diâmetro D15g de sua fração mais gnúme-rossa deve ser, no máximo, quatro a cinco vezes maior que o d85f da fração fina do mesmo solo. A verificação, faz-se necessária a divisão da curva granulométrica do material em duas, a partir de um ponto de descontinui-dade arbitrário.

Indraratna e Raut

Determinação do Dv95: diâmetro dominante dos vazios. Em vista das dimensões características estabe-lecidas para os vazios de um filtro e para as partículas de um solo qualquer, e considerando-se que as partículas do solo maiores que dv95 não influenciam no processo de filtragem, Raut e Indraratna (2008) estabeleceram que, para uma combinação solo-filtro eficaz, dv35 deve ser menor que d*85 para assegurar que pelo menos 15% das partículas do solo sejam retidas no início do processo, de modo a permitir a estabilização do filtro Equação 4 (Fonte: Pimenta, 2013):

(Eq. 4)

onde d*85 é o diâmetro d85 da curva granulométrica do solo ajustada, desconsiderando-se as partículas maiores que dv95. Destaca-se, o fato de este levar em consideração alguns parâmetros fundamentais no pro-cesso de filtragem, como os diâmetros das partículas e o coeficiente de uniformidade Cu dos materiais, e a dis-tribuição dos vazios e o índice de densidade do filtro.

5. FILTROS SINTÉTICOS

5.1 Propriedade dos Filtros Sintéticos

Os filtros sintéticos precisam deve exercer duas funções básicas: a de filtro e a de dreno, garantindo que a sua permeabilidade e apresente mais alta do que a do solo protegido, cumprindo a função drenante, ao mes-mo tempo deve ser provido de abertura de poros suficiente pequenas de forma a proporcionar a retenção das partículas do solo protegido.

O gradiente hidráulico sob o sistema solo/geotêxtil provoca um fluxo d’água formando um rearranjo de partículas que identifica dois mecanismos responsável pelo fenômeno, que são autofiltração e a formação de rede de arranjos. A autofiltração ocorre onde o fluxo é unidirecional, sendo a atuação do filtro não fica restrita ao geotêxtil, e sim, propaga-se ao solo adjacente onde é formado o filtro natural. Como mostra a figura.

Figura 6. Filtro graduado

desenvolvido dentro do solo adjacente ao geotêxtil

Uma rede de arcos pode se desenvolver em função das aberturas do geotêxtil e do tipo de solo, como ilustra a figura:

Figura 7.

Arco de solo sobre os poros do geotêxtil

A capacidade de infiltração está associado a porometria, porosidade e tamanho dos poros. A porosidade é uma propriedade dos geotêxtis não-tecido podendo ser calculada de acordo com a seguinte equação 5:

(Eq. 5)

onde: V = Volume total;

Vs = Volume dos sólidos (fibras) = peso (γ / peso específico do material (γf); µ = gramatura do geotêxtil = massa do geotêxtil por unidade de área; Tg = espessura do geotêxtil;

Ρf = massa específica da fibra.

A porometria do geotêxtil é a medida das dimensões dos poros e a sua distribuição, sendo determinada a sua abertura aparente que é de fundamental importância no seu comportamento como elemento filtrante. A percentagem da área aberta (PPA), propriedades dos getêxteis tecidos é definida pela Equação 6:

(Eq. 6)

O tamanho do poro ou tamanho da abertura de infiltração, definida como a abertura do geotêxtil equiva-le ao maior diâmetro da partícula do solo que consegue passar através do geotêxtil.

5.2 Dimensionamento de Filtro Sintético

Estudos realizados por Christopher e Fischer (1992), discutem a diversidade dos critérios propostos, ba-seados na Equação 7:

On <• dm (Eq. 7)

sendo On o diâmetro equivalente do poro do geotêxtil, tal que n % dos poros são menores que ele (geralmente representada pela abertura de filtração do geotêxtil), x um fator semiempírico estabelecido pelo autor da pro-posta e dn o diâmetro da partícula a reter tal que m% das partículas sejam menores que ela. Como os valores de abertura de filtração necessários ao dimensionamento são função do ensaio realizado para sua determinação, os critérios propostos devem indicar qual o método de ensaio a ele relacionado.

CONCLUSÃO

O presente trabalho apresenta estudos realizados por autores para evoluir no sistema de drenagens em barragem de terra. Mostrando trabalhos realizado para o dimensionamento de filtros granulares e filtros

geo-têxteis, que dimensionado corretamente, impede a ocorrência do problema de erosão interna, que é a causa de grande rupturas de barragens no mundo.

AGRADECIMENTOS

Os Autores desse artigo agradecem a Universidade estadual Vale do Acaraú, o Conselho Nacional de Pesquisas (CNPq) pelos recursos disponíveis e ao grupo de pesquisa Geoidri pelo apoio a esta pesquisa.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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INDRARATNA, B.; Raut, A. K. Enhanced criterion for base soil retention in embankment dam filters. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, v. 132, n. 12, 2006. 1621-1627 p.

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