APLICAÇÃO DE GEOMEMBRANA COMO TAPETE IMPERMEÁVEL A MONTANTE EM BARRAGENS DE TERRA

ARTIGO

APLICAÇÃO DE GEOMEMBRANA

COMO TAPETE IMPERMEÁVEL

A MONTANTE EM BARRAGENS

DE TERRA

Rodrigo César Pierozan

Universidade de Brasília, Brasília, Brasil

rodrigopierozan@hotmail.com

Marcelo Miqueletto

Intertechne Consultores S.A., Curitiba, Brasil mm@intertechne.com.br

Sidnei Helder Cardoso Teixeira

Universidade Federal do Paraná, Curitiba, Brasil

s.teixeira@ufpr.br

RESUMO: O uso de geossintéticos vem sendo prática comum nas obras de en-genharia geotécnica em que se observa a necessidade de melhoria de alguma característica do solo local, em virtu-de das vantagens virtu-de caráter técnico e econômico que os materiais sintéticos oferecem em relação aos materiais con-vencionais. Neste contexto, este traba-lho apresenta uma avaliação do desem-penho do tratamento de fundações de barragens de terra com o emprego de geomembranas de PEAD (Polietileno de Alta Densidade), objetivando o en-tendimento dos fenômenos envolvidos e o aperfeiçoamento de sua utilização. Para tanto, são utilizados dados de projeto e de instrumentação da Usina Hidrelétrica Salto, em Goiás (116 MW). Considerando-se a usina em questão, as características geotécnicas da funda-ção da barragem de terra da margem

esquerda condicionaram a utilização de tapete impermeável para controle de fluxo, cuja principal componente do sistema de impermeabilização é uma geomembrana de PEAD (Polietileno de Alta Densidade). A análise dos dados envolve o uso de técnicas numéricas, cujos resultados são comparados com os dados do monitoramento de instru-mentação (piezômetros e medidores de vazão). Os resultados obtidos demons-tram o potencial para estudos relacio-nados a tratamentos de fundação de barragens de terra e para o uso de geos-sintéticos com a finalidade em questão. PALAVRAS-CHAVE: Tapete de contro-le de fluxo, geomembrana, barragens de terra

1 INTRODUÇÃO

As barragens constituem obras comple-xas e de grande porte, possuindo altos custos de implantação. Dessa forma, é importante o estudo de alternativas que reduzam os custos e melhorem as características técnicas das mesmas. Entre as alternativas existentes, o uso de geossintéticos vem sendo prática comum nas obras de engenharia geo-técnica onde se necessita de melhoria das características do solo local, apre-sentando vantagens em relação aos materiais e às tecnologias tradicionais, como, por exemplo, menores custos, facilidade de instalação e menor tem-po de execução das obras.

Os geossintéticos são produtos po-liméricos (sintéticos ou naturais),

in-dustrializados e desenvolvidos para utilização em obras geotécnicas (ABNT – Associação Brasileira de Normas Téc-nicas NBR 12.553/2003).

O crescimento da utilização dos geos-sintéticos, nos últimos anos, vem des-pertando a atenção dos engenheiros e pesquisadores, uma vez que os mate-riais em questão possuem caracterís-ticas particulares e diferenciadas em relação aos materiais geotécnicos tra-dicionais. Surge então a necessidade de novos estudos e modelos de análise aplicáveis aos materiais em questão. A eficiência da utilização de barreiras impermeabilizantes depende da in-tegridade da membrana sintética. Gi-roud e Bonaparte (1989) apresentam uma descrição da utilização de geo-membrana em barreiras impermeabi-lizantes, salientando as consequências de possíveis vazamentos. Considera-ções interessantes a respeito de falhas em reservatórios impermeabilizados através de geomembranas podem ser encontradas em Wu et al. (2008). Cardoso et al. (2010) apresentam as con-dicionantes de projeto e análises numé-ricas que subsidiaram a escolha da solu-ção de impermeabilizasolu-ção da fundasolu-ção da Usina Hidrelétrica São Salvador (243 MW). Após análise de diversas alterna-tivas de tratamento para impermeabili-zação da fundação, optou-se pela exe-cução de um tapete impermeabilizante a montante do barramento, com utiliza-ção de geomembrana de PEAD.

Neste contexto, e em complementação às pesquisas anteriores, este trabalho

apresenta um estudo sobre tratamento de fundação de barragens de terra com utilização de geomembrana, em substi-tuição às técnicas usualmente empre-gadas. A avaliação do desempenho do tratamento é feita com base nos dados obtidos da UHE (Usina Hidrelétrica) Sal-to e em análises numéricas.

2 BARRAGEM EM ESTUDO

A Usina Hidrelétrica Salto, de proprieda-de da Rio Verproprieda-de Energia, empresa con-trolada pela TPI (Triunfo Participações e Investimentos), encontra-se implantada no Rio Verde, pertencente à Bacia do Rio Paraná, na divisa dos municípios de Caçu (margem esquerda) e Itarumã (margem direita), Estado de Goiás. Entrou em operação em junho de 2010 com duas unidades geradoras e garantia de po-tência instalada de 116 MW. A Figura 1 apresenta o arranjo das estruturas que compõem o empreendimento.

A barragem de terra da margem es-querda, situada entre o muro lateral esquerdo do circuito gerador e a en-costa esquerda, tem uma extensão de crista de aproximadamente 580 m e uma altura máxima da ordem de 25 m junto ao muro de abraço esquerdo, sendo que esta barragem passa a ser

de enrocamento com núcleo argiloso junto a essa estrutura.

Este trabalho utiliza a barragem de ter-ra da margem esquerda como fonte de dados, pois em função das proprieda-des geotécnicas apresentadas pelo ter-reno de fundação, foi executado um ta-pete impermeabilizante a montante da barragem, cuja mais importante linha de defesa se compôs de uma geomem-brana de PEAD. Dessa forma, foi possí-vel avaliar o tratamento de fundação.

2.1 Características geotécnicas

dos solos

Durante o projeto executivo da UHE Salto, foi prevista uma campanha de investiga-ção geotécnica composta por sondagens rotativas, sondagens mistas e sondagens à percussão, ensaios de perda de água e infiltração, além de ensaios de labora-tório, com a finalidade de determinar as propriedades dos solos de fundação. A partir dos resultados das campanhas de investigação nas margens direita e esquerda, foram agrupadas as seguin-tes informações acerca das caracterís-ticas geotécnicas das camadas de solo presentes na fundação:

• Solo de alteração de basalto: este solo encontra-se assente diretamente

sobre o maciço rochoso basáltico são ou, mais comumente alterado;

• Solo coluvionar: os processos de de-sagregação, transporte e deposição dos sedimentos das formações Adamantina e Marília formaram um depósito colu-vionar, com ampla distribuição;

• Paleo-terraços: são depósitos de origem coluvionar com natureza con-glomerática, apresentando ocorrência restrita a pequenas áreas.

Durante a fase de projeto, os altos va-lores de condutividade hidráulica ob-servados nos ensaios de infiltração, e confirmados pelos ensaios de permea-bilidade realizados em amostras reti-das dos poços de inspeção, localizados na ombreira esquerda da UHE Salto, le-varam a valores elevados de vazão, em função principalmente da percolação da água pelo terreno de fundação, es-timados através de análises utilizando o método dos elementos finitos.

2.2 Tratamento da fundação da

UHE Salto

Os tratamentos de fundação consti-tuem um importante aspecto do proje-to de barragens de terra, uma vez que fundações excessivamente permeáveis podem resultar em gradientes de saída Figura 1 – Arranjo geral da UHE Salto (LEYSER et al., 2010) e imagem aérea

elevados no talude de jusante e, even-tualmente, iniciar processos de erosão regressiva (piping), podendo compro-meter a segurança da estrutura.

Entre as alternativas existentes para tratamento da fundação da UHE Salto, com a finalidade em questão, podem ser citadas: trincheira de vedação (cut-off); cortina de injeções de calda de cimento; cortina de estacas prancha; diafragmas executados in situ (plástico e rígido), e tapetes impermeabilizantes de montan-te. Durante o projeto da barragem, as al-ternativas em questão foram estudadas através de análises técnicas e econômi-cas, com a finalidade de se definir o tra-tamento mais adequado para a mesma. As análises mostraram que a solução mais viável para o tratamento da fun-dação da barragem de terra da margem

esquerda da UHE Salto consistia em im-permeabilizar a superfície do terreno a montante da mesma, aumentando o caminho de percolação através da fun-dação, com consequente redução dos gradientes hidráulicos e das vazões. Os tapetes impermeabilizantes a mon-tante de barragens são usualmente constituídos por solo argiloso compac-tado, contando eventualmente com uma proteção mecânica com camada de enrocamento. Com a finalidade de reduzir a espessura de solo compacta-do, e também evitar o risco de baixa efi-ciência do tapete impermeável, decor-rente do surgimento de trincas durante a fase construtiva, dadas as características do material de empréstimo e climáticas do local, optou-se pela utilização de uma geomembrana de PEAD.

2.2.1 Aspectos construtivos e

de projeto

A extensão da impermeabilização foi defi-nida de maneira a se otimizar as espessu-ras de tapete drenante de jusante, conside-rando-se a redução da carga hidráulica, em função da elevação da topografia, confor-me o avanço em direção à ombreira. O material de impermeabilização, apli-cado sobre a fundação da margem es-querda, consistiu em uma membrana sintética flexível de PEAD, texturizada em ambos os lados, de cor negra, sem reforço, com 1,5 mm de espessura. A tex-turização da geomembrana foi conside-rada conveniente para evitar o risco de escorregamento entre o solo de prote-ção da membrana, dada a aplicaprote-ção do tratamento estar em um plano inclinado. Anteriormente à instalação da mem-brana, foi feita a remoção da camada superficial de solo contaminado por matéria orgânica, de espessura apro-ximada de 30 cm. Devido ao risco de ruptura da manta por efeito de pun-cionamento, foi prevista uma camada de solo compactado que serviu como substrato para a aplicação da membra-na de PEAD, com espessura mínima, após a compactação igual a 50 cm. Previamente à aplicação da geomem-brana, as superfícies do fundo e dos taludes foram inspecionadas para veri-ficação da regularidade de acabamento e ocorrência de depressões, protuberân-cias, pedras ou outros materiais que pu-dessem causar danos à geomembrana.

A ancoragem da geomembrana no ter-reno foi feita através da escavação de uma vala com 0,80 m de profundidade e 0,50 m de largura, a qual foi preen-chida com solo compactado. A ancora-gem da geomembrana, no espaldar de montante da barragem, foi executada após a execução do aterro, com esca-vação de 2,0 m de largura. O reaterro de fixação foi feito de forma mecânica/ manual, tomando-se cuidado para não causar danos à manta.

As emendas entre painéis foram exe-cutadas pelo processo de dupla solda, por termo-fusão, conformando um ca-nal de ar estanque entre as linhas de solda, permitindo assim o controle de qualidade do procedimento.

Como forma de amenizar os efeitos de uma eventual ruptura localizada da geomembrana por efeito mecâni-co, foi prevista uma camada adicional de 80 cm de solo compactado sobre a mesma. Fotografias obtidas em campo durante a instalação da geomembrana encontram-se apresentadas na figura 2.

2.3 Instrumentação civil

O programa de instrumentação da UHE Salto é composto por piezômetros de tubo aberto (tipo Casagrande), medido-res de vazão, medidomedido-res de nível d’água e marcos superficiais, cujos dados são com-plementados pelas inspeções visuais. Como o estudo aqui apresentado está fundamentado na análise do trata-mento de fundação da UHE Salto da margem esquerda, são estudados os instrumentos instalados ao longo da mesma, conforme mostra a figura 3.

3 MÉTODO DA PESQUISA

Foram trabalhados os dados da UHE Salto com a finalidade de determinar as características geométricas da bar-ragem nas seções em estudo (tópico 3.1) e as condutividades hidráulicas dos materiais de aterro e de fundação (tópico 3.2). Utilizando-se os dados em questão, foram feitas simulações numé-ricas através do software Seep/W, com a finalidade de avaliar o tratamento de fundação em questão (tópico 3.3).

3.1 Geometria da barragem e

fundação

O levantamento planialtimétrico do sítio de implantação da barragem, presente Figura 2 – (A) Preparação do substrato para

instalação da geomembrana; (B) Colocação da geomembrana e ancoragem no aterro da bar-ragem; (C) Execução das emendas, e; (D) Aterro de proteção

no projeto, foi levado em consideração para determinação da cota do terreno de fundação nas seções em estudo. A partir da cota do terreno de fundação, foi prevista remoção de 1,50 m do terreno (PIEDADE et al., 2010). A diferença entre a cota da crista da barragem e a cota de escavação corresponde à altura da bar-ragem. A crista possui 6 m de largura, es-tando locada na elevação 449,50 m. A partir dos dados referentes à locação do eixo e da crista da barragem, foram lançados os taludes de montante e de jusante, respeitando-se inclinação de 1V:2H desde a fundação até a cota 447,50 m e de 1V:1,5H acima desta cota. Nas elevações 429,00 e 439,50, foram previstas bermas de equilíbrio, com largura igual a 3 m. Na região do talude de montante, foi considerada a existência de camadas de enrocamen-to de proteção e brita.

O sistema interno de drenagem con-siste em um filtro vertical chaminé de areia limpa e de um tapete drenante tipo sanduíche simples, diretamente apoiado sobre a fundação. O filtro ver-tical possui largura horizontal de 0,80 m. O tapete drenante, por sua vez, é constituído por uma zona inferior de areia limpa de 0,30 m de espessura, uma zona superior de areia limpa de 0,20 m de espessura e um miolo dre-nante de espessura variável.

A espessura da camada de solo per-meável da fundação, por sua vez, foi

definida em função das investigações geotécnicas realizadas ao longo da barragem de terra da margem esquer-da, cuja locação encontra-se apresen-tada na figura 3.

3.2 Estudo da permeabilidade

dos materiais

Considerando-se as seções de estudo da UHE Salto foi feita a análise dos perfis de sondagens geotécnicas, com a fina-lidade de determinar os coeficientes de condutividade hidráulica encontrados na fundação. Dessa forma, para cada camada de solo identificada através das sondagens, foi determinado um valor de condutividade hidráulica médio. O valor de condutividade hidráulica médio do aterro, por sua vez, foi determinado em função de ensaios realizados em blocos indeformados coletados no aterro da barragem, após a conclusão da compac-tação. A partir dos ensaios em questão, foi determinada a relação de anisotropia en-tre a condutividade hidráulica horizontal e a vertical encontrada no material compac-tado da UHE Salto.

3.3 Análises numéricas

Análises numéricas foram utilizadas com a finalidade de avaliar o comportamento das cargas de pressão e das vazões, em decorrência da utilização de tratamento de fundação através de geomembrana. Para tanto, foram utilizados dados das seções instrumentadas da UHE Salto.

4 RESULTADOS

Na sequência, são apresentados os resultados.

4.1 Geometria da barragem e

fundação

A figura 4 apresenta, esquematicamente, as seções estudadas da UHE Salto, sendo possível visualizar as estruturas que com-põem a barragem em questão (sistema interno de drenagem, trincheira drenan-te, enrocamento para proteção do talude de montante e bermas de equilíbrio). O comprimento do tratamento de fun-dação aplicado em Salto foi variável de acordo com a seção considerada. As se-ções 15 e 17 apresentam comprimento do tratamento, a partir da base do talu-de talu-de montante, igual a 100 m, enquan-to que nas seções 19 e 21, o tratamenenquan-to se estende por 60 m e 10 m, respectiva-mente. A fundação da seção 22 não pos-sui o tratamento.

4.2 Estudo da condutividade

hidráulica dos materiais

A partir das sondagens em questão, foram determinadas condutividades hidráulicas médias, de acordo com a estratificação do solo, as quais foram utilizadas nas análises. Os resultados estão apresentados na Tabela 1. Com base nos ensaios realizados em blocos indeformados, coletados no solo compactado da barragem, determinou- se condutividades hidráulicas do aterro Figura 3 – Instrumentação da barragem de terra esquerda

segundo a direção horizontal e vertical, conforme apresentado na tabela 2. É importante salientar que os resultados expostos tratam-se de uma generaliza-ção dos resultados obtidos através das amostras individualmente, em função

da variabilidade encontrada nos mes-mos. Segundo os valores em questão, pode-se considerar que a condutivida-de hidráulica segundo a horizontal é aproximadamente cinco vezes superior à permeabilidade segundo a vertical.

A permeabilidade do substrato rocho-so, composto basicamente por basalto e seus produtos de alteração, foi deter-minada a partir de ensaios realizados de perda d’água sob pressão. Através da aná-lise dos dados disponíveis, determinou-se que a condutividade hidráulica média do substrato rochoso equivale a 1x10-8 _m/s.

Com base nas condutividades hidráulicas apresentadas nas Tabelas 1 e 2 e na geo-metria e condições de contorno da barra-gem, foram feitas simulações numéricas para comparação dos valores de carga de pressão e vazão com os efetivamente verificados através do sistema de instru-mentação. Os valores de carga de pressão esperados para os piezômetros foram de-terminados a partir da análise das leituras do sistema de instrumentação, conside-rando-se o nível d´água máximo normal na elevação 446,50 m. Da mesma forma, foram determinadas as vazões esperadas para os medidores de vazão.

Os resultados encontrados mostraram que, através da retroanálise, foi possível prever os valores de vazão e de carga de pressão com relativa precisão, salvo pequenas variações oriundas da ani-sotropia do material de fundação e da tridimensionalidade do maciço. Demais informações acerca dos resultados en-contrados na retroanálise podem ser consultadas em Pierozan (2014).

4.3 Análises numéricas

De forma geral, os resultados mostra-ram que a utilização do tratamento de fundação através de geomembrana foi capaz de reduzir as cargas de pressão na fundação, principalmente abaixo do tratamento e na região da fundação sob o espaldar de montante da barragem. As vazões de percolação também sofreram redução, sendo as mesmas, assim como as cargas de pressão, dependentes da re-lação entre o comprimento da membra-na sintética e a altura da fundação. Como forma de exemplificar os resul-tados obtidos, neste trabalho apresen-ta-se análise referente à seção 17. A figura 4 apresenta as cargas de pres-são obtidas com e sem a utilização de geomembrana. A tabela 3, por sua vez, apresenta as vazões de percolação através do aterro e da fundação, com e sem o tratamento em questão.

Os resultados mostram que, para se-ção 17, a utilizase-ção do tratamento em

Seção Sondagem de ref. Prof. (m) K_médio (m/s)

15 SP-503 SP-504 _SP-505 0-4 2X10-5 4-6 1,5 X10-5 6-9 1 X10-5 17 SP-506 0-7 1 X10 -5 7-11 4,5X10-7 19 SP-507 0-6 1,5 X10-5 6-14 6X10-6 14-16,5 4,5X10-7 21 SP-508 0-7 1,5 X10-5 7-14 6X10-6 14-18,5 4,5X10-7 22 SP-508 0-7 1,5 X10-5 7-14 6X10-6 14-18,5 4,5X10-7

Tabela 1 – Condutividade hidráulica da fundação

questão resultou na redução de apro-ximadamente 63,0% da vazão total. A redução da vazão através do aterro foi de aproximadamente 39,6%, enquan-to que a redução da vazão através da fundação foi de aproximadamente 58,5%. A vazão através da fundação apresenta volume muito superior à va-zão através do aterro.

Na seção 17, as cargas de pressão também apresentaram redução com a utilização da geomembrana, prin-cipalmente na região da fundação a montante do eixo da barragem e sob o tratamento, indicando que o mesmo aumentou os caminhos de percolação, resultando em maior perda de carga na fundação. No aterro, as cargas de pressão reduziram, em decorrência da instalação da membrana com a exten-são de 5,9 m sobre o talude.

Na região da fundação abaixo do es-paldar de jusante, a redução das cargas de pressão foi muito pequena, estando condicionada basicamente à existência do sistema de drenagem nesta região.

Os resultados obtidos para seção 17 são semelhantes aos resultados obtidos para as demais seções. Os resultados comple-tos das análises numéricas, consideran-do as demais seções em estuconsideran-do, podem ser consultados em Pierozan (2014).

5 CONCLUSÕES

Os resultados mostram que a membrana impermeável atua principalmente au-mentando o caminho de percolação do fluxo na fundação da barragem, resultan-do, dessa forma, em menores cargas de pressão sob a mesma. Como consequên-cia, reduz-se a vazão d’água de percola-ção através da barragem e da fundapercola-ção. As maiores variações de carga de pres-são ocorrem na fundação, sob a mem-brana impermeável e sob o espaldar de montante da barragem. Sob o espaldar de jusante, por outro lado, ocorre peque-na variação peque-nas cargas de pressão com a utilização da solução em questão. A utilização de geomembrana em con-junto com camada de aterro compacta-do, acima da mesma, é uma solução

inte-ressante para reduzir os riscos de perda de eficiência do sistema, no caso da ocorrên-cia de rasgos. Como proteção suplemen-tar, sobre a camada de solo compactado superior, pode ser prevista a utilização de uma camada de enrocamento.

De forma geral, a utilização de geomem-brana de PEAD para tratamento de fun-dações permeáveis mostrou-se uma boa solução para redução das vazões e das cargas de pressão sob a barragem.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à Rio Verde Energia, à TPI (Triunfo Participações e Investimen-tos) e à Construtora Triunfo por permitirem a divulgação das informações relativas à Usina Hidrelétrica Salto, contidas neste artigo. Os autores também agradecem à Intertechne Consultores S.A., responsável pelo projeto da UHE Salto.

REFERÊNCIAS

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Cardoso, R. M.; Calcina, A. M.; Oliveira, C. A. de; Carvalho, A. H. E.; Sarlo, R. J. F. (2010) Utilização de Geomembrana de

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Brasileiro de Mecânica dos Solos e En-genharia Geotécnica, Gramado. Giroud, J. P. e Bonaparte, R. (1989) Leakage

through liners constructed with geomem-branes – part I Geomembrane liners. Geotex-tiles and Geomembranes, Vol. 8, p. 27-67.

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Brasileiro de Mecânica dos Solos e Enge-nharia Geotécnica, Gramado.

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Congresso Brasileiro de Mecânica dos So-los e Engenharia Geotécnica, Gramado. Pierozan, R. C. (2014) Aplicação de

Geo-membranas em Tapetes Impermeáveis a Montante de Barragens de Terra.

Disser-tação, Programa de Pós-Graduação em Engenharia da Construção Civil, UFPR. Wu, W.; Wang, X. T.; Aschauer, F. (2008)

Investigation on failure of a geosynthetic lined reservoir, Geotextiles and Geo-membranes, Vol. 26, p. 363–370.

Direção Coef. de permeabilidade (m/s)

Horizontal 1X10-7

Vertical 2X10-8

Tabela 2 – Coeficientes de permeabilidade do aterro

Tabela 3 – Vazões de percolação (Seção 17)

Vazão Sem geomembrana Com geomembrana

Aterro (L/s/m) 3,86x10-4 2,33x10 -4 -39,60% Fundação (L/s/m) 1,8581x10-2 6,784x10-3 -63,50% Total (L/s/m) 1,8967x10-2 7,018x10 -3 -63,00%