XV SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS RIO DE JANEIRO
NOVEMBRO 1983
ANALISE DO COMPORTAMENTO DAS FUNDAcOES DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO DE ITAIPU
TEMA III
FERNAO PAES DE BARROS ADILSON L.BARBI
ITAIPU BINACIONAL
I - INTRODUCAO
A instrumentagao da fundagao das estruturas de concreto de Itaipu foi dirigida de modo a cobrir todas as feigoes criticas detectadas na fase de prospecgao e admitidas como de possiveis implicagoes com o comportamento da estrutura.
Foi estabelecida uma serie de blocos chaves com instrumentagao completa , ou seja, incluindo piezometros , extensometros e pen- dulos invertidos , intercalados com blocos apenas com piezome- tros ou sem qualquer tipo de instrumento . Assim, de um total de 150 blocos de concreto da barragem , entre blocos simples e duplos, 27 deles, ou seja , pouco menos de 20 % foram escolhidos como "chaves ". Como complementagao a instrumentagao , foram uti lizados ainda medidores de vazao triangulares ou retangulares posicionados nos tuneis ou galerias e extensometros triortogo- nais nas feigoes principais , ao longo dos tuneis . A figura 1 mostra a disposigao dos blocos instrumentados para as diversas estruturas da barragem e os instrumentos utilizados.
0 enchimento do reservatorio em sua primeira fase, ate o navel de operagao dos vertedouros, foi realizado em apenas 13 dias , durante o mes de outubro de 1982. Desde entao, o reservatorio tem-se mantido entre os niveis de 210 a 217m, estando prevista sua elavagao ate cota 220, correspondente ao nivel maximo nor- mal, em fins do corrente ano.
Este trabalho analisa, em primeira aproximagao, o comportamen to das fundagoes durante a fase de construgao e enchimento do reservatorio e confronta alguns dados teoricos de projeto com os valores obtidos pela instrumentagao.
Descrigao detalhada das fundagoes e dos tratamentos executados sao encontrados nas referencias 1, 2 e 3.
II - SUB-PRESSAO NAS FUNDAQbES
Como a sabido em rochas basilticas , a condutividade hidraulica
e governada predominantemente pelas descontinuidades e camadas
mais permeiveis , via de regra , dispostas em pianos horizontais
e sub-horizontais. Normalmente , estes horizontes mantem um com
portamento independente e isolado , como consequencia da baixa
permeabilidade vertical do macigo . A instrumentagao instalada
ao longo destes pianos permite uma analise bastante segura do
desenvolvimento de sub-pressoes ao longo do caminho de percola
gao e a verificagao da influencia dos tratamentos aplicados.
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Em Itaipu, todas as zonas sabidamente condicionantes de desen- volvimento de sub- pressao ficaram plenamente conhecidas e deta
lhadas durante a fase de prospecgao, facilitando a elaboracao do piano de instrumentagao.
Vertedouro e Calhas
Na estrutura de controle , foram instrumentados o contacto con- creto - rocha, ( cota 180) o contacto entre derrames D e E (cota - 171) e junta D (cota 158 ). Na regiao das calhas , foram colo cadas celulas eletricas no topo da rocha, coin leitura nos tu- neis transversais de drenagem.
A figura 2 exibe o desenvolvimento de sub-pressoes apos o en- chimento , em confronto coin as linhas teoricas admissiveis nos criterios do projeto , para o navel d'agua na elevagao 220. Ob- servam-se niveis piezometricos muito baixos nas feigoes instru mentadas e um efeito marcante da drenagem . Deve ser lembrado que nesta regiao a rocha a de excelente qualidade e as inje- roes praticamente nao tiveram qualquer efeito de melhoria nas condigoes de permeabilidade.
0 tratamento das fundagoes constou basicamente da execugao da cortina de injegoes e da drenagem , a partir de galeria da el.
184 na estrutura de controle.
Os piezometros situados ao longo das calhas, praticamente nao apresentaram alteragoes durante o enchimento, atestando a boa eficiencia da drenagem superficial atraves de meias canas e ga
lerias.
Barragem Lateral Direita
0 tratamento de fundagoes constou de uma cortina de injegoes executada a partir do pe de montante e duas linhas de drena- gem, a partir da superficie, a jusante da cabega . Entre os blo cos D-51 e D- 58, existe tunel de drenagem na cota 125 , corres- pondente a descontinuidade " D", coin furos de drenagem verti- cais interligando a superficie ao tunel.
A figura 3 , correspondente ao bloco D - 8 reflete bem o compor-
tamento das sub-pressoes ao longo do contacto concreto - rocha ,
descontinuidades e junta D de toda a estrutura . Para todas es-
tas feigoes , observa-se que os valores de sub-pressao estao
muito abaixo daqueles previstos , em consequencia do alto grau
de estanqueidade da rocha, somado ao efeito causado pelo aflo-
ramento a jusante das feigoes instrumentadas e pelo aprofunda
(W) 015VA111
LEGENDA
Gauls esserah-rscA.
Dose. E, ( saprisr) Dsse.Y (Isforior )
Dsse"O,
O Valor wesime provish (1) Valet Bard ids
- 10
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FIG. 3 - BARRAGEM LATERAL DIREITA - SUB-PRESSAO NA FUNDAW - BL000 D-8
mento da fundacao do bloco adjacente . A descontinuidade D na regiao do vertedouro e barragem lateral direita quase sempre e indiferenciada e os piezometros foram instalados em correspon- dencia a sua provivel posigao estratigrafica . Assim, nao a de se estranhar o aparecimento de comportamentos anomalos como 0 registrado no PSD - 27 ou PSA-46 da fig. 2.
Estrutura de Desvio
As sub - pressoes sao medidas ao longo do contacto concreto- ro - cha, junta B (cota 55) e junta A (cota 05).
Tanto os piezometros de contacto como aqueles situados na jun to B, exibem niveis correspondentes ao piso da galeria onde de sembocam os drenos e foram muito pouco sensiveis ao enchimento do reservatorio. A observagao global da instrumentacao mostra, que existe um fluxo preferencial em direcao a parte central da estrutura, onde o pogo do pendulo invertido escavado ate a el.
53 funciona como um dreno , para as feicoes superficiais.
Os piezometros situados na junta A , mostraram , durante a cons trugao, um rebaixamento pronunciado de nivel devido a abertura das chavetas e tuneis de drenagem na barragem principal.
Durante o enchimento , tiveram o nivel elevado de 10 a 15 m, a- te a cota correspondente as galerias de drenagem , atestando sua eficiencia (fig.4).
Trecho I
Em principio, apenas os piezometros do contacto concreto-rocha e aqueles situados na junta " D", que tem alimentacao direta do nivel de montante pela parede do canal de desvio, tiveram seus niveis alterados pelo enchimento . Entretanto, seus valores sao bem inferiores aos admitidos em projeto , mostrando uma perda de carga pronunciada e uma boa perfomance dos tratamentos apli cados.
Barragem Principal e Casa de Forga
Os piezometros de contacto concreto - rocha foram, de modo ge- ral, bastante sensibilizados pelo enchimento, exigindo em al- guns casos a execugao de injegBes e drenagem complementares.
No exemplo apresentado na figura 5, o PSF - 73 mostrado com va-
lor acima da hipotese de projeto teve a sub - pressao reduzida
pela abertura de apenas 1 dreno curto . Este,com vazao de ape
nas 0 , 4 1/min. rebaixou a pressao , atualmente , de cerca de
FIG. 4 - ESTRUTURA DE DESVIO - SUB-PRESSAO NA FUNDAQAO - BLOCO H-8
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(W) 0X3,A313
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3 kg/cm 2, na elevagao 120.
Deve-se assinalar que, em geral, estes piezometros vem apresen tando uma reducao de sub-pressao apos o enchimento, o que pode ser consequencia da sedimentagao no fundo do reservatorio, ace lerada por quase 8 meses de cheia do rio Parana e a colmatacao progressiva das pequenas fissuras existentes na regiao do con tacto, conforme atestado pelas reduzidissimas vazoes dos dre nos complementares.
Alguns piezometros instalados a montante da cortina de injecao, a cerca de 5 a 10m abaixo da fundacao, mostram uma carga piezo metrica de cerca de 50% da carga total devida ao lago. 0 com- plexo fraturamento da fundagao nesta area, associado as defor- macoes de extensao medidas na rocha favorecem este comportamen to.
Os piezometros instalados nas descontinuidades da cota 20 e junta D (cota 55 - 60m) mostram uma perda de carga uniforme en tre a regiao a montante da cortina e os tuneis de drenagem ou entao alivio de press6es mais pronunciado nas imediacoes do tunel de drenagem, o que atesta a sua eficiencia. Assinale-se ainda que os piezometros situados a jusante do tunel exibem pressoes nulas.
Estas mesmas descontinuidades, sob a Casa de Forga , mostram variacoes piezometricas pouco significativas com o enchimento do reservatorio e alagamento do canal de fuga, nunca superior a 7 metros. Assinale-se que estas feicoes sao alimentadas ori- ginalmente por jusante, pois afloram no leito do rio a cerca de 1 km a jusante das estruturas e respondem as oscilacoes do N.A. de jusante.
Finalmente, os piezometros locados na brecha B, responderam de imediato ao enchimento, estando atualmente estabilizados. Nes to caso, fica bastante claro o efeito da drenagem executada a- traves de tunel ao longo da junta "D" (el. 80) e furos do mes- mo a superficie, sobrepondo-se ao tratamento por injecoes. Es tas ultimas, chegaram a furos de 99 ordem, mas o resultado fi- nal revelou a permanencia de absorcoes residuals ainda altas e pontos de elevada permeabilidade.
Os piezometros no contacto concreto-rocha da casa de forgaque
se apresentavam secos durante a fase construtiva, quase nao fo
ram sensibilizados pelo enchimento e mostraram elevagao insig-
nificante com o alagamento do canal de fuga. Ressalte-se a e-
xistencia de drenagem superficial, atraves de meias-canas de concreto, no mesmo navel onde se estabilizaram os piezometros,
(+ cota 57).
III - INFILTRA OES PELA FUNDA A0
Vertedouro
As analises por elementos finitos, para determinacao de vazao a ser recolhida pelo sistema de drenagem na galeria da 183,50m indicavam valores de 0,75 1/min.por metro linear, tendo sido adotada como vazao maxima o valor de 3 1/min por metro da bar ragem. As vazoes medidas apos o enchimento atingiram apenas 10% daquele valor, sendo que 50% dos drenos estao vertendo.
Observa -se que a partir de dezembro ate os dias atuais a vazao total decresceu em pelo menos 50%.
Barragem Lateral Direita
A drenagem constitue-se de 2 linhas de drenos situados entre os contrafortes. Nos estudos teoricos foram admitidos:
- permeabilidade da cortina de injegao : K = 5x10-5 cm/s
- permeabilidade decrescente com a profundidade ao longo da hi potetica fenda de tragao.
- permeabilidade de K = 10-2 cm/s ao longo das linhas de dre- nagem.
Obteve-se, nesses estudos, vazoes de 1 1/min/m.l. para a dre- nagem superficial ao longo dos blocos D-1 a D-50, adotando -se valores maximos de 3 ate 8 1/min/m.l.
As vazoes medidas apos enchimento revelam vazoes de 0,33 1/min /m.l., ou seja, exatamente igual a area do vertedouro, visto que ambas estruturas se assentam diretamente sobre o mesmo ho- rizonte basiltico, extremamente competente.
Na linha de montante 28% dos drenos vertem aqua, ao passo que na 2a linha, apenas 10%. Entre os blocos D-51 e D-58, existe tunel de drenagem na fundagao ao longo da junta D, na cota 125.
Todos os drenos vertem, com media aproximada de 2 1/min/m.l.
Estrutura de Desvio
As vaz6es totais recolhidas pelo sistema de drenagem das funda goes e ombreiras a da ordem de 840 1/min, contra uma previsao teorica de 5.040 1/min.
Todos os drenos da galeria de montante e ombreiras vertem, con
tra 30% da galeria central e apenas um na galeria de jusante.
As vazoes atuais mostram uma reducao de cerca de 10% em corres
pondencia com os valores medidos logo apps enchimento.
Trecho I
Os drenos da galeria de montante dos blocos I-1 e 1-2 apresen- tam vazao de 2 1/min/m.l. e nos demais blocos, com drenos dis postos ao longo dos contrafortes, apenas aqueles situados mais a montante sao drenantes, correspondendo a apenas 12% do total de drenos instalados. Os valores medidos se aproximam bastan to daqueles da B.L.D. e vertedouro situados em identica litolo gia. Os blocos I-1 e 1-2 estao colocados junto a parede de es cavagao do canal, local afetado pelas detonagoes e portanto , os resultados mais elevados ali obtidos sao considerados nor- mais.
Barra em Principal
A figura 6 mostra o Plano geral de drenagem sub-superficial na fundagao da barragem principal e composto basicamente por uma rede de tuneis.
0 tunel de drenagem da el. 123 na ombreira direita, apresenta vazoes de 2,6 1/min/m.l., havendo vertimento em praticamente todos as drenos que interligam o tunel a superficie. Dos dre- nos rasos de superficie, 50% operam atualmente.
As vazoes do tunel de drenagem da el. 60 na ombreira direita apresenta vazoes de 2,35 1/min/m.l., cerca de 13% da vazao ma- xima prevista. Praticamente, todos os drenos que interligam o tunel a superficie vertem, bem como cerca de 60% dos drenos ra sos de superficie.
A infiltragao do tunel de drenagem da el. 55 na ombreira es- querda a de 3,5 1/min/m.l. ou seja, 35% da prevista em proje- to, sendo que 70% deste valor concentra-se sob os blocos 29 a 32, local onde a brecha apresentou dificuldades de tratamento.
No tunel perimetral de drenagem na el . 20, a vazao total medi- da atualmente, a de 25,5 1/seg, ou seja, 21% do valor teorico
(117 1/seg). Apesar de atualmente estabilizado, este valor
foi decrescendo nos ultimos meses apos atingir um Pico de
30 1/seg em fevereiro ultimo. 0 ramo de montante apresenta va
zoes de apenas 0,5 1/min/m.l. No lado direito, a vazao a de
3,5 1/seg enquanto que no esquerdo, ainda com a cortina aberta,
atinge 13 1/seg. No tunel de jusante, sob a casa de forga, a
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vazao total e de 8 1/seg, sendo que desta, pelo menos 3 1/seg.
deve-se a infiltracoes pelo concreto de enchimento da casa de foraa.
Casa de Forga e Areas de Montagem
Dos drenos situados nas galerias das areas de montagem direita e central, nenhum deles esta vertendo, bem Como na galeria de montante da casa de foraa. As maiores vazoes se dao pelo siste ma de drenagem superficial de meias-canas, alem de alguns dre- nos das galerias central e de jusante.
IV - DEFORMAgAO DAS FUNDAgbES Vertedouro
Apenas os blocos A-l, A-7 e A-15 foram providos de extensome - tros cada um com dugs ancoras, permitindo a medida das deforma noes ate a descontinuidade do derrame "D".
A tabela abaixo mostra os valores totais de recalque medidos no bloco A-7 durante e apos o enchimento , em comparagao com os valores teoricos.
lnclina ao
Deform . Max. Deformacoes Teoricas(mm) g
Medidas ( mm) com trinca sem trinca EM - A-3 500 Mont . + 0.09 + 1 .68 + 0.10 EM - A-4 Vert . - 0.04 + 0 . 09 - 0.17 EM - A-5 500 Jus. - 0.16 - 0.26 - 0.26
- compressao + tragao
Observa- se que os valores medidos aproximam- se bastante dos teoricos quando se admite a fundacao sem abertura da fenda de tracao a montante.
Barragem Lateral Direita
Dificilmente consegue-se instrumentar uma fundagao no inicio da construgao, devido as interferencias com os equipamentos e pessoal.
Com isto, perde-se dados importantes da sua perfomance no pe
riodo construtivo. Visando exatamente acompanhar a evolugao
do modulo de deformabilidade do pacote de rocha sao desde o
inicio do carregamento devido ao peso proprio da estrutura, foi programada instalacao de um extensometro no vao entre as blo cos D-52 e D-53, ultimos a serem concretados. Este extensome- tro com 12m de profundidade e ancora unica teve seus dados ana lisados calculando-se os modulos por dois metodos:
a) diretamente da relagao E = r/E , sem qualquer considera(;ao sobre a continuidade lateral da fundarao.
Este calculo conduziu a valores elevados de E, respectiva- mente E = 316.00 kg/cm2 para a fase inicial de carregamen- to e 763.400 kg/cm2 para o restante do perlodo construtivo.
b) por meio analitico, usando-se funcoes que fornecem as ten -
soesrx e r y no entorno de um ponto inferior a um semi es pago solido elastico infinito, situado na vertical de uma carga distribuida, com largura de dois contrafortes e infi-
nita na 3a dimensdo. Os valores obtidos correspondem a mo-
dulo E = 234.200 kg/cm2 para a la fase, correspondente ao fechamento de fissuras e E = 563.300 kg/cm2 para a 22 fase de carregamento.
A tabela abaixo reproduz as deformagoes medidas e teoricas Pa- ra o carregamento de peso proprio (PP) e peso proprio + carga hidrostitica (PP + CH).
EM - D-18
(mm) MEDIDO
(mm) TEORICO
PP 0.20 0.30
PP + CH 0.33 0.40
Nos demais blocos, as recalques medidos tambem foram muito pe- quenos evidenciando uma fundagao altamente competente, confor- me previsto a partir dos estudos e prospecg6es realizados.
Estrutura de Desvio
As deformagoes de fundacao acusam pequenos valores de recalque, tanto durante a construgao como apos o enchimento do reservato rio. Os maiores deslocamentos se dao nos blocos centrais da estrutura, devido ao efeito das ombreiras nos blocos laterais.
A tabela abaixo compara os valores medidos apos a construgao
(PP) e ap6s o enchimento do reservatorio (PP+CH) corn os valo-
res maximos admitidos para as blocos centrais. Foram conside-
radas apenas as ancoras mais profundas, respectivamente ancora
2 a cota - 19m e ancora 1 a cota - 0.0m. Deve - se ressalvar que as deformag6es medidas correspondem ao final de concretagem cerca de 12 % total do peso , enquanto os valores te6ricos refe - rem-se ao carregamento total da estrutura.
EX'IENSCwrRO PESO PROPRIO ( PP ) PP + EMPM HIDROS1ATICO (BLC D H - 8) ANC .1 ( mm) ANC.2 ( nm) ANC.1 (nm ) ANC. 2 ( nm
€DIDO TEOR . NMIDO OR . N DIDO TE6R. NEDIDO TE6R.
EM - H-31
TrANTE ) 0,63 11,7 0,45 8,6 0,7 10,0 0,5 7,4
EM - H-34
(CENTRAL) 3,15 11 , 5 2,35 9,2 3,65 10,9 2,8 8,0
EM - H-39
(JUSANPE ) 1,05 10,0 0,75 7,4 1,7 15,0 1,35 11,0
Duas observag6es podem ser feitas:
a) nao houve inversao das deformag6es a montante , apos a aplica gao do empuxo hidrostatico , provavelmente devido a nao aber- tura da trinca de tragao , conforme considerada nos modelos teoricos.
b) a resposta rapida de deformagao com relagao a aplicagao dos esforgos hidrostaticos . Apenas os extensometros situados a jusante mostram algum efeito de deformagao lenta com o tem - po, estando os demais estabilizados.
Com o objetivo de verificar os modulos de deformabilidade da fundagao durante a construgao , foram feitas considerag6es sim - plificadas , admitindo - se o carregamento final imposto pela con- cretagem de estrutura ( cerca de 12 % de concreto ), somando-se ao efeito de fluencia devido ao concreto langado anteriormente.
Foi considerada a deformagao do extensometro EM-H-34 , por estar
situado na porgao central da estrutura e por ser o mais sensi-
vel as deformag6es . Os valores obtidos, confrontados com os
teoricos, exibem uma razoavel concordancia e encontram - se na to
bela abaixo.
ANCORAS JAN. 79 JAN . 79 VALORES
EM-H-34 a a TEORICOS
ABRIL 81 SET . 82 PONDERADOS
6 c5 4 251.800 kg/cm2 288 . 600 kg/cm2 209.400 kg/cm2 m )
7 7 (
I C 3 61.900 kg / cm2 55.500 kg/cm2 197.300 kg/cm2
5 m) (57 53
3C 139.600 kg / cm2 131.800 kg/cm2 197 . 700 kg/cm2 5-19 m)
( 5
ANC. 1
92 800 k /cm2 109 600 k /cm2 129 700 k /cm2
(19,0-0,0 M) . g . g . g
Barragem Principal
As deformagoes da fundagao durante o perlodo construtivo e pre -enchimento da barragem ate cota 139, foram analisadas e publi cadas na ref. 4.
As maiores deformagoes ocorreram nas zonas cisalhadas e demais descontinuidades entre as elevagoes 30 e 10 no leito do rio, muito influenciadas pelas escavagoes das chavetas, principal - mente na area das cabegas dos contrafortes, onde chegaram a va lores de 7,5 a 11 mm. 0 desenvolvimento das deformagoes em um desses extensometros a exibido na figura 7.
Todos os instrumentos mostram continuidade de recalque com en- chimento, sendo os de montante mais rapidamente sensibilizados que os de jusante. Os acrescimos de deformagao com o carrega mento hidrostatico foram da ordem de 0,8 mm para a area de mon tante da barragem e de cerca de 1,2 mm a jusante. Ja na ombrei ra direita, os valores variaram apenas de 0,4 a 0,6 mm. Em ne nhum caso, houve inversao do sentido dos deslocamentos na a- rea de montante, como indicado pelos estudos teoricos. Este fa to pode ser atribuido a deformagao do macigo pelo peso do re- servatorio e a duvidosa abertura da trinca de tragao.
Os medidores triortogonais situados na descontinuidade da cota
20 (contato entre os derrames A e B), indicaram um fechamento
adicional de 0,3 mm e um deslocamento para jusante de 0,4mm ou
seja, contrario ao mergulho regional das camadas. Os pendulos
invertidos na fundagao dos blocos de maior altura, indicaram
deslocamentos para jusante de 0,7 a 1,0 mm, com o enchimento
entre as cotas 139 e 215 .
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Os extensometros instalados inclinados de 600 para montante, revelaram distensao do macigo rochoso durante o enchimento, com valores de 1,0 a 2,5 mm. No entanto as previsoes de aber- tura da fenda de tracao a montante, indicavam distensoes de 16 ate 36 mm . Este fato , associado a anilise de piezometros ins- talados nessa area , nos leva a concluir que nao houve abertura de fenda de tragao ate a profundidade admitida em projeto. Jul ga-se possivel apenas a abertura de fissuras ate profundidades nao superiores a 7 ou 10 metros.
Casa de Forga
As deformagoes durante o perlodo construtivo atingiram valores em geral inferiores a 3 mm, sendo mais elevadas na parte cen tral e montante da estrutura.
Um acrescimo ripido das deformagoes seguiu - se ao enchimento do reservatorio com bloco U-9A apresentando significativas defor magoes de 5,5 mm, incluindo parte do perlodo construtivo e con centradas na camada fraturada e cisalhada de basalto compacto, entre as cotas de 43 e 28 m.
Os medidores triortogonais situados na descontinuidade da el.
20, mostraram recalques total de 1, 0 mm e deslocamentos para jusante de 0,2 ate 1,6 mm.
V - CONSIDERAcOES GERAIS
