ANÁLISE TENSÃO-DEFORMAÇÃO DA BARRAGEM DA UHE NOVA PONTE

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO - ESCOLA DE MINAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

PROGRAMA DE PÓS – GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL

ANÁLISE TENSÃO-DEFORMAÇÃO DA BARRAGEM DA

UHE NOVA PONTE

AUTOR: JACQUELINE VERSIANI RAMOS MUSMAN

ORIENTADOR: Prof. Dr. Romero César Gomes

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação do Departamento de Engenharia Civil da Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto, como parte integrante dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil, área de concentração: Geotecnia.

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Musman, Jacqueline Versiani Ramos

Análise do Comportamento Tensão-Deformação da Barragem da UHE Nova Ponte, Ouro Preto, UFOP/DECIV, 2002.

VIII, 143p.

Dissertação (Mestrado) UFOP. DECIV 1. Barragens - Geotecnia

I. UFOP/EM/DECIV II. Título (Série) CDU:

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ANÁLISE TENSÃO-DEFORMAÇÃO DA BARRAGEM DA UHE

NOVA PONTE

AUTOR: JACQUELINE VERSIANI RAMOS MUSMAN

Esta dissertação foi apresentada em sessão pública e aprovada em 22 de

julho de 2002, pela Banca Examinadora composta pelos seguintes

membros:

Prof. Dr. Romero César Gomes (Orientador / UFOP)

Prof. Dr. Saulo Gutemberg Silva Ribeiro (UFOP)

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Agradecimentos

É chegada a hora de despedir. E neste momento, não poderia deixar de agradecer a todos aqueles que me apoiaram nesta jornada. Não foi fácil!

Agradeço ao Romero, pela orientação e revisão minuciosa deste trabalho. No meio de tantos compromissos e desencontros, descobrimos uma forma de trabalhar juntos.

Aos colegas do mestrado, obrigada pela convivência e pelo companheirismo.

A todos os professores e funcionários da Escola de Minas, agradeço pelo apoio, pela convivência e principalmente, pela experiência compartilhada.

Agradeço à CEMIG pela cessão dos dados aqui publicados e em especial, aos engenheiros da GE/EC Gilson Furtado, Teresa Cristina, Adelaide e Márcio, pelo tempo despendido no levantamento dos mesmos. Sem vocês, este trabalho não seria possível.

Ao amigo Jânder Faria Leitão, da Leme Engenharia, a quem por diversas vezes importunei em busca de informações e dados de projeto, meu muito obrigada.

Aos meus pais, agradeço pela vida, pelo exemplo, pela formação. Devo a vocês parte das minhas conquistas e todo o saber que não se encontra nos livros. A vocês, todo o meu carinho e reconhecimento, onde quer que estejam.

Aos meus filhos, Thiago e Ingrid, peço perdão pela minha indisponibilidade neste período e agradeço por entenderem, à sua maneira, que o trabalho da “montanha” era tão difícil! Agora poderemos brincar sossegados.

Obrigada Joel, por tantos fins de semana com as crianças. Sem o seu apoio e compreensão, jamais chegaria ao fim.

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Resumo

Neste trabalho, apresenta-se uma análise do comportamento tensão-deformação da barragem da UHE Nova Ponte, durante o período construtivo.

A barragem é do tipo terra-enrocamento, tendo sido utilizado na região de vedação um material impermeável não convencional denominado na fase de projeto como “cascalho”.

Para simulação do comportamento tensão-deformação dos materiais envolvidos, foi adotado o modelo constitutivo hiperbólico. Este modelo foi escolhido por simular a não-linearidade do comportamento tensão-deformação do solo e a sua dependência do nível de tensões. Para o “cascalho”, os parâmetros hiperbólicos foram determinados a partir dos resultados de ensaios triaxiais disponíveis, com adensamento anisotrópico. Para o enrocamento, os parâmetros foram determinados com base nas características físicas do material, segundo metodologia proposta por Saboya e Byrne (1993).

As análises tensão-deformação foram realizadas por meio do programa SIGMA/W Versão 3, utilizando o método dos elementos finitos. As previsões numéricas foram posteriormente comparadas aos resultados da instrumentação de campo, procurando-se verificar a adequabilidade do modelo adotado na representação do comportamento destes materiais.

Finalmente, concluiu-se que, embora os resultados numéricos não tenham apresentado uma correspondência ótima com os valores de campo, os fatores levantados ao longo deste trabalho de certa forma justificam os aspectos negativos encontrados. Acredita-se, portanto, que a metodologia utilizada é adequada, podendo ser aplicada em trabalhos futuros.

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Abstract

In this work it is carried out a stress-strain analysis of Nova Ponte Dam during construction.

Nova Ponte is a rockfill dam. It used a non-conventional material at the impervious zone known as “gravel” in the design phase. Although it is called “gravel” this material has impervious characteristics.

The author used the hyperbolic model to represent the stress-strain behavior of soils. This model was chosen because it reproduces the nonlinear and stress-dependent soil behavior. The “gravel” parameters were determined through available triaxial test results with anisotropic consolidation. The rockfill parameters were estimated through its granulometric characteristics using the methodology proposed by Saboya and Byrne (1993).

The numerical analyses were carried out using the finite element program SIGMA/W Version 3. The analysis results were compared with field monitoring data, searching the adequacy of the adopted model to represent soil behavior.

Although the numerical results were not exactly the same of field measurements, some factors analysed during this work can explain the differences. So, it was concluded that the methodology is adequate and can be used in other works.

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Sumário

Lista de figuras...X Lista de tabelas...XVII

Capítulo 1 – Introdução ...1

Capítulo 2 – Barragens de Enrocamento: Características Gerais e Materiais de Construção...3

2.1 – Características Gerais...3

2.2 – Barragens de Enrocamento com Vedação Central – BEVC ...9

2.3 – Barragens de Enrocamento com Vedação a Montante – BEVM ...12

2.4 – Características Geotécnicas dos Cascalhos de Terraço...21

2.4.1 – Considerações Iniciais...21

2.4.2 – Resistência ao Cisalhamento ...23

2.4.3 – Permeabilidade...26

2.4.4 – Compressibilidade...27

2.5 – Características Geotécnicas dos Enrocamentos...27

2.5.1 – Considerações Iniciais...27

2.5.2 – Propriedades Índices ...30

2.5.2.1 – Índices de Resistência ou Qualidade da Rocha ...30

2.5.2.2 – Índices Granulométricos...31 2.5.2.3 – Coeficiente de Forma ...31 2.5.2.4 – Estado de Compacidade ...31 2.5.3 – Resistência ao Cisalhamento ...33 2.5.4 – Permeabilidade...39 2.5.5 – Compressibilidade...39 2.5.5.1 – Mineralogia...41 2.5.5.2 – Dispersão Granulométrica...42

2.5.5.3 – Índice de Vazios e Densidade Relativa ...43

2.5.5.4 – Forma da Partícula ...45

2.5.5.5 – Molhagem...46

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2.5.5.7 – Efeito do Tamanho da Partícula...50

2.5.5.8 – Velocidades de Carregamento ...51

2.5.5.9 – Tipo de Carregamento...51

2.5.5.10 – Tempo...52

Capítulo 3 – Modelo Constitutivo Hiperbólico ...53

3.1 – Considerações Iniciais...53

3.2 – Descrição do Modelo ...54

3.3 – Determinação dos Parâmetros Hiperbólicos dos Enrocamentos ...62

Capítulo 4 – Aspectos Gerais do Projeto da Usina Hidrelétrica de Nova Ponte ...70

4.1 – Descrição do Projeto ...70

4.2 – Aspectos Geológicos do Local ...74

4.3 – Características Geotécnicas da Fundação...75

4.4 – Materiais Utilizados na Construção ...77

4.4.1 – Material Impermeável – “Cascalho”...77

4.4.2 – Areia...78

4.4.3 – Enrocamento...79

Capítulo 5 – Ensaios de Campo e de Laboratório...80

5.1 – Material Impermeável – “Cascalho”...80

5.2 – Areia ...85

5.3 – Enrocamento...89

Capítulo 6 – Modelagem do Comportamento dos Materiais...90

6.2 – Modelagem do Comportamento do Material Impermeável –“Cascalho” 90 6.3 – Modelagem do Comportamento do Enrocamento ...96

Capítulo 7 – Instrumentação de Campo ...99

7.1 – Sistema de Instrumentação da Barragem ...99

7.2 – Piezômetros Pneumáticos...103

7.3 – Medidores de Recalque Tipo Caixa Sueca...105

7.4 – Medidores de Recalque Tipo Pneumático...106

7.5 – Inclinômetros ...107

7.6 – Marcos de Deslocamento Superficial ...112

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8.1 – Representação do Meio Contínuo...114

8.2 – Simulação do Processo Construtivo...116

8.3 – Simulações Numéricas ...117

Capítulo 9 – Análise e Comparação dos Resultados...124

9.2 – Material Impermeável – “Cascalho”...124

9.2.1 – Previsão Numérica versus Medidas de Campo das Caixas Suecas ...124

9.2.2 – Previsão Numérica versus Medidas de Campo do Inclinômetro ... ...127

9.3 – Enrocamento...129

9.3.1 – Previsão Numérica versus Medidas de Campo das Caixas Suecas ...129

Capítulo 10 – Conclusões e Sugestões para Pesquisas Futuras ...133

Referências Bibliográficas...136 Anexo I – Curvas de Ensaio

I.1 – Material Impermeável – “Cascalho” – Jazida A I.2 – Material Impermeável – “Cascalho” – Jazida B Anexo II – Reconstituição das Curvas de Ensaio

II.1 – Material Impermeável – “Cascalho” – Jazida A II.2 – Material Impermeável – “Cascalho” – Jazida B Anexo III – Curvas de Calibração

III.1 – Material Impermeável – “Cascalho” – Jazida A III.2 – Material Impermeável – “Cascalho” – Jazida B

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Lista de Figuras

Figura 2.1 – Seção Típica da Barragem de Pedra do Cavalo, com Vedação

Central (Humes, 1999) ...3

Figura 2.2 – Seção Típica da Barragem de Xingó, com Vedação a Montante (Silva et al, 1999) ...4

Figura 2.3 – Efeito do Enchimento do Reservatório sobre uma BEVC...7

Figura 2.4 – Efeito do Enchimento do Reservatório sobre uma BEVM...8

Figura 2.5 – Seção Típica da Barragem da UHE Miranda (Viotti, 1999)...10

Figura 2.6 – Seção Típica da Barragem da UHE Emborcação (Viotti, 1999)...10

Figura 2.7 – Zoneamento Típico de uma Barragem de Enrocamento com Face de Concreto (Materón, 1999)...14

Figura 2.8 – Método de Acabamento Convencional (Resende, 1999)...15

Figura 2.9 – Método de Acabamento Utilizado na Barragem da UHE Itá (Resende,1999) ...16

Figura 2.10 – Detalhes das Juntas Executadas na Barragem da UHE Itá (Mori e Antunes, 1999) ...19

Figura 2.11 – Novo Conceito de Plinto em Barragens Altas (Materón, 1999)...20

Figura 2.12 – Resultados de Ensaios Triaxiais com Amostras de Cascalho (Mellios e Monteiro, 1983)...24

Figura 2.13 – Resultados de Ensaios de Compressão Unidimensional com Amostras de Enrocamento (Marsal e Fuentes de La Rosa, 1976) ...29

Figura 2.14 – Ensaios de Cisalhamento em Caixas Metálicas de Grandes Dimensões (Midéa e Ribeiro,1983) ...33

Figura 2.15 – Influência da Tensão no Ângulo de Atrito do Enrocamento (Leps, 1970) ...36

Figura 2.16 – Variação do Módulo de Deformabilidade com a Tensão Vertical (Caproni Jr. et al, 1999)...44

Figura 2.17 – Variação do Módulo de Deformabilidade com o Índice de Vazios (Caproni Jr. et al, 1999) ...44

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Figura 2.18 – Efeito da Forma das Partículas na Compressibilidade do

Enrocamento (Penman, 1971)...45

Figura 2.19 – Compressão e Colapso do Enrocamento - (Fumagalli, 1969)...47

Figura 2.20 – Efeito do Tamanho Máximo da Partícula no Índice de Quebra do Enrocamento (Becker et al, 1972)...49

Figura 3.1 – Curvas Tensão-Deformação...55

Figura 3.2 - Determinação dos Parâmetros Hiperbólicos K e n ...57

Figura 3.3 – Variação do Ângulo de Atrito Interno com a Tensão Confinante (Marachi et al, 1969) ...58

Figura 3.4 – Determinação dos Valores de φ0 e ∆φ ...58

Figura 3.5 - Determinação dos Parâmetros Hiperbólicos Kb e m ...61

Figura 3.6 – Determinação dos Parâmetros K e Kb dos Enrocamentos (Saboya Jr. e Byrne, 1993) ...63

Figura 3.7 – Determinação da Constante Relativa K* ...64

Figura 3.8 – Determinação da Constante Relativa n* (Ramamurthy e Gupta, 1980)...65

Figura 3.9 – Determinação da Resistência Equivalente (Barton e Kjaernsli, 1981)...68

Figura 3.10 – Determinação da Rugosidade Equivalente...68

Figura 4.1 – Planta de Localização da UHE Nova Ponte ...71

Figura 4.2 – Arranjo Geral da UHE Nova Ponte ...72

Figura 4.3 – Seção Típica da Barragem no Leito do Rio ...74

Figura 4.4 – Seção Geológica pelo Eixo da Barragem...75

Figura 4.5 – Seção Típica da Barragem no Alto da Ombreira Direita...76

Figura 5.1 – Curvas Granulométricas do “Cascalho” ...80

Figura 5.2 – Relação Constante entre as Tensões Vertical e Horizontal (Parra, 1985) ..82

Figura 5.3 – Curvas de Ensaio do “Cascalho” - Jazida A - 1a_{. Série...83}

Figura 5.4 – Curvas de Variação da Pressão Neutra - “Cascalho” - Jazida A - 1a. Série...83

Figura 5.5 – Curvas de Ensaio do “Cascalho” - Jazida B - 1a. Série...84

Figura 5.6 – Curvas de Variação da Pressão Neutra - “Cascalho” - Jazida B - 1a_{. Série...84}

Figura 5.7 – Curva Granulométrica da Areia do Filtro ...85

(15)

Figura 5.9 – Curvas de Ensaio da Areia - 2a. Série ...87

Figura 5.10 – Faixas de Concentração dos Resultados dos Ensaios de Prova de Carga (Leme Engenharia, 1991) ...88

Figura 5.11 – Curva Granulométrica do Enrocamento ...89

Figura 6.1 – Curvas Reconstituídas para σ3 = 100 kPa – Jazida A...92

Figura 7.1 – Mapa de Localização dos Instrumentos...101

Figura 7.2 – Instrumentação Seção 6 ...102

Figura 7.3 – Diagrama Esquemático de Leitura do Piezômetro Pneumático ...104

Figura 7.4 – Leituras dos Piezômetros Pneumáticos Durante o Período Construtivo ..104

Figura 7.5 – Leituras das Caixas Suecas Durante o Período Construtivo ...105

Figura 7.6 – Diagrama do Torpedo de Leitura do Inclinômetro ...108

Figura 7.7 – Determinação da Deformação Lateral a partir da Leitura dos Inclinômetros ...110

Figura 7.8 – Deslocamentos Verticais do Inclinômetro Durante o Período Construtivo...111

Figura 7.9 – Deslocamentos Horizontais do Inclinômetro ao Final do Período Construtivo...112

Figura 7.10 - Recalques Pós-Construtivos...113

Figura 8.1 - Malha de Elementos Finitos ...116

Figura 8.2 - Simulação do Processo Construtivo ...117

Figura 8.3 - Curvas de Igual Deslocamento Vertical – Caso 1...118

Figura 8.4 - Curvas de Igual Deslocamento Horizontal – Caso 1...118

Figura 8.5 - Curvas de Igual Deformação Específica Vertical – Caso 1...119

Figura 8.7 - Curvas de Igual Deslocamento Horizontal – Caso 2 ...120

Figura 8.8 - Curvas de Igual Deformação Específica Vertical – Caso 2 ...120

(16)

Figura 8.11 - Curvas de Igual Deformação Específica Vertical – Caso 3 ...121

Figura 8.13 - Curvas de Igual Deslocamento Horizontal – Caso 4...122

Figura 8.14 - Curvas de Igual Deformação Específica Vertical – Caso 4...123

Figura 9.1 - Comparação entre Previsões Numéricas e Medições de Campo da CS-607 - “Cascalho” - Jazida A ...125

Figura 9.2 - Comparação entre Previsões Numéricas e Medições de Campo da CS-610 - “Cascalho” - Jazida B ...126

Figura 9.3 - Comparação entre Previsões Numéricas e Medições de Campo do ID–601 - Deslocamentos Verticais ...127

Figura 9.4 - Comparação entre Previsões Numéricas e Medições de Campo do ID-601 - Deslocamentos Horizontais ...129

Figura 9.5 - Comparação entre Previsões Numéricas e Medições de Campo da CS-603 - Enrocamento ...130

Figura 9.6 - Comparação entre Previsões Numéricas e Medições de Campo da CS–606 - Enrocamento...130

Figura 9.7 - Comparação entre Previsões Numéricas e Medições de Campo da CS–609 - Enrocamento...131 Figura I.1 – Jazida A - 1a. Série

Figura I.2 – Jazida A - 2a. Série Figura I.3 – Jazida A - 3a. Série Figura I.4 – Jazida A - 4a. Série

Figura I.5 – Curvas de Variação da Pressão Neutra - Jazida A - 1a. Série Figura I.6 – Curvas de Variação da Pressão Neutra - Jazida A - 2a. Série Figura I.7 – Curvas de Variação da Pressão Neutra - Jazida A - 3a. Série Figura I.8 – Curvas de Variação da Pressão Neutra - Jazida A - 4a. Série Figura I.9 – Jazida B - 1a. Série

Figura I.10 – Jazida B - 2a. Série

Figura I.11 – Curvas de Variação da Pressão Neutra - Jazida B - 1a. Série Figura I.12 – Curvas de Variação da Pressão Neutra - Jazida B - 2a_{. Série}

Figura II.1 – Curva Reconstituída pelo Critério de Duncan e Chang para σ3 = 100 kPa – Jazida A

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Figura II.5 – Curva Reconstituída pelo Segundo Critério de Ajuste para σ3 = 100 kPa – Jazida A

Figura II.9 – Curva Reconstituída pelo Terceiro Critério de Ajuste para σ3 = 100 kPa – Jazida A

Figura II.13 – Curva Reconstituída pelo Critério de Duncan e Chang para σ3 = 50 kPa – Jazida B

Figura II.14 – Curva Reconstituída pelo Critério de Duncan e Chang para σ3 = 100 kPa - Jazida B

Figura II.16 – Curva Reconstituída pelo Critério de Duncan e Chang para σ3 = 400 kPa - Jazida B

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Figura II.18 – Curva Reconstituída pelo Segundo Critério de Ajuste para σ3 = 50 kPa – Jazida B

Figura II.23 – Curva Reconstituída pelo Terceiro Critério de Ajuste para σ3 = 50 kPa – Jazida B

Figura III.1 – Curvas Transformadas - Critério de Ajuste de Duncan e Chang - 1a. Série – Jazida A

Figura III.4– Curvas Transformadas - Critério de Ajuste de Duncan e Chang - 4a. Série – Jazida A

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Figura III.5 – Obtenção dos Parâmetros K e n – Critério de Ajuste de Duncan e Chang - Jazida A

Figura III.6 – Curvas Transformadas - Critério de Ajuste 2 - 1a. Série – Jazida A Figura III.7 – Curvas Transformadas - Critério de Ajuste 2 - 2a. Série – Jazida A Figura III.8 – Curvas Transformadas - Critério de Ajuste 2 - 3a. Série – Jazida A Figura III.9 – Curvas Transformadas - Critério de Ajuste 2 - 4a. Série – Jazida A Figura III.10 – Obtenção dos Parâmetros K e n – Critério de Ajuste 2 - Jazida A

Figura III.11 – Curvas Transformadas - Critério de Ajuste 3 - 1a. Série – Jazida A Figura III.12 – Curvas Transformadas - Critério de Ajuste 3 - 2a. Série – Jazida A Figura III.13 – Curvas Transformadas - Critério de Ajuste 3 - 3a. Série – Jazida A Figura III.14 – Curvas Transformadas - Critério de Ajuste 3 - 4a. Série – Jazida A Figura III.15 – Obtenção dos Parâmetros K e n – Critério de Ajuste 3 - Jazida A

Figura III.16 – Obtenção dos Parâmetros Kb e m – Jazida A Figura III.17– Diagrama p x q – Jazida A

Figura III.18 – Curvas Transformadas - Critério de Ajuste de Duncan e Chang - 1a. Série – Jazida B

Figura III.19 – Curvas Transformadas - Critério de Ajuste de Duncan e Chang - 2a. Série – Jazida B

Figura III.20 – Obtenção dos Parâmetros K e n – Critério de Ajuste de Duncan e Chang - Jazida B

Figura III.21 – Curvas Transformadas - Critério de Ajuste 2 - 1a. Série – Jazida B Figura III.22 – Curvas Transformadas - Critério de Ajuste 2 - 2a. Série – Jazida B Figura III.23 – Obtenção dos Parâmetros K e n – Critério de Ajuste 2 - Jazida B Figura III.24 – Curvas Transformadas - Critério de Ajuste 3 - 1a. Série – Jazida B Figura III.25 – Curvas Transformadas - Critério de Ajuste 3 - 2a. Série – Jazida B Figura III.26 – Obtenção dos Parâmetros K e n – Critério de Ajuste 3 - Jazida B Figura III.27 – Obtenção dos Parâmetros Kb e m – Jazida B

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Lista de Tabelas

Tabela 2.1 - Resultados de Ensaios de Caracterização com Cascalhos de

Terraço (Adaptado e complementado de Cruz,1983) ...25

Tabela 2.2 - Parâmetros de Resistência ao Cisalhamento de Cascalhos de Terraço (Adaptado e complementado de Cruz, 1983) ...26

Tabela 2.3 - Permeabilidade dos Cascalhos de Terraço ...26

Tabela 2.4 - Módulos de Deformabilidade de Campo do Cascalho ...27

Tabela 2.5 – Resultados de Ensaios de Caraterização de Enrocamentos ...38

Tabela 2.6 - Parâmetros de Resistência ao Cisalhamento de Enrocamentos...39

Tabela 2.7 – Módulos de Deformabilidade Vertical de Campo de Enrocamentos ...40

Tabela 2.8 – Fatores Condicionantes na Compressibilidade dos Enrocamentos ...41

Tabela 3.1 - Parâmetros Hiperbólicos Típicos dos Enrocamentos (Saboya Jr.,1993) ....62

Tabela 6.1 - Parâmetros Hiperbólicos do Material Impermeável – “Cascalho”...95

Tabela 6.2 - Parâmetros Hiperbólicos do Enrocamento...98

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Capítulo 1

Introdução

Este trabalho se propõe a analisar o comportamento tensão-deformação da barragem da UHE Nova Ponte durante o período construtivo, confrontando os resultados da instrumentação de campo com as previsões feitas a partir de análises numéricas. Foi adotado um modelo constitutivo simples, de fácil utilização e que reproduz satisfatoriamente o comportamento tensão-deformação dos materiais envolvidos na construção da barragem. Os parâmetros do modelo foram determinados a partir dos resultados de ensaios triaxiais existentes com adensamento anisotrópico ou a partir das características físicas do enrocamento. Nas análises numéricas, foi utilizado o programa de elementos finitos SIGMA/W comercialmente disponível.

O estudo se dá em 3 etapas básicas: determinação dos parâmetros hiperbólicos dos materiais utilizados na construção da barragem a partir dos ensaios de laboratório disponíveis ou a partir de suas características físicas; utilização do método dos elementos finitos para previsão do comportamento tensão-deformação da barragem e comparação dos resultados das análises numéricas aos resultados da instrumentação de campo.

No Capítulo 2, é apresentada uma revisão bibliográfica a respeito de barragens de enrocamento e das características geotécnicas dos materiais envolvidos, com ênfase para os cascalhos de terraço e enrocamentos. Foram incluídos os aspectos relativos às características de resistência, compressibilidade e permeabilidade destes materiais.

No Capítulo 3, é feita uma descrição do modelo constitutivo hiperbólico e da metodologia empregada para obtenção dos parâmetros deste modelo.

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No Capítulo 4, são apresentados os aspectos gerais do projeto da UHE Nova Ponte, com a descrição do arranjo geral da usina e informações sobre as características geológicas e geotécnicas dos materiais de construção.

No Capítulo 5, são apresentados os resultados dos ensaios geotécnicos de laboratório disponíveis, incluindo ensaios de caracterização granulométrica e ensaios triaxiais com adensamento anisotrópico.

No Capítulo 6, descreve-se a aplicação do modelo hiperbólico para os materiais utilizados na construção da barragem da UHE Nova Ponte.

No Capítulo 7, são apresentados os detalhes da instrumentação implantada na seção principal da barragem, as características dos instrumentos utilizados e os gráficos de acompanhamento de alguns destes instrumentos.

No Capítulo 8, são apresentados os resultados das simulações numéricas juntamente com hipóteses e considerações feitas na previsão das tensões e deformações.

No Capítulo 9, é feita a comparação e a análise crítica dos resultados obtidos através da previsão numérica e da instrumentação.

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Capítulo 2

Barragens de Enrocamento: Características Gerais e Materiais de

Construção

2.1 Características Gerais

As barragens de enrocamento são constituídas por enrocamentos lançados ou compactados em camadas e dotadas de um elemento de vedação interno ou externo. Conforme a posição do elemento de vedação, são classificadas em barragens de enrocamento com vedação central – BEVC ou barragens de enrocamento com vedação a montante – BEVM.

As barragens de enrocamento apresentam características distintas quando comparadas com outros tipos de barragens, uma vez que a resistência ao empuxo hidrostático do reservatório e a estanqueidade são obtidas de maneira independente.

As BEVC são geralmente impermeabilizadas através de um núcleo vertical ou inclinado de solo argiloso compactado. A vedação pode ser constituída ainda por outro elemento impermeável qualquer, disposto no interior do maciço de enrocamento. Na Figura 2.1, apresenta-se a seção típica da barragem de Pedra do Cavalo, com vedação central.

Figura 2.1 – Seção Típica da Barragem de Pedra do Cavalo, com Vedação Central (Humes,1999)

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As BEVM são impermeabilizadas por uma face estanque apoiada sobre o talude de montante. Esta face pode ser constituída por qualquer tipo de material impermeável tal como concreto armado, concreto betuminoso, metal ou madeira. Na Figura 2.2, apresenta-se a seção típica da barragem de Xingó, com vedação a montante constituída por uma laje de concreto.

Figura 2.2 – Seção Típica da Barragem de Xingó, com Vedação a Montante (Silva et al, 1999)

As barragens de enrocamento são construídas em locais onde a disponibilidade de solos apropriados para a execução do corpo da barragem é insuficiente. Outros fatores que favorecem a construção destas barragens são a pluviometria, que condiciona a velocidade da construção e a existência de grandes volumes de escavação obrigatória em rocha.

Alguns conceitos sobre barragens de enrocamento têm sido alterados nos últimos tempos, introduzindo grandes modificações nos projetos destas barragens, principalmente no que diz respeito aos aspectos construtivos.

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Inicialmente, os enrocamentos eram simplesmente lançados, o que tornava estas barragens extremamente compressíveis. Para diminuir o problema, os enrocamentos passaram a ser regados durante o lançamento, evitando o acúmulo de finos entre os blocos de rocha e permitindo uma distribuição mais homogênea dos mesmos. Posteriormente, os enrocamentos passaram a ser lançados em camadas de 0,40 m a 0,60 m de espessura e espalhados com trator de esteira tipo D-8 ou D-9.

Atualmente, a técnica construtiva consiste na compactação dos enrocamentos com rolos lisos vibratórios pesados, de 9 a 15 toneladas de peso estático, conforme mencionado por Bordeaux (1980). Segundo Cooke (1999), a mudança de enrocamento lançado para enrocamento compactado se deu a partir da construção da barragem de New Exchequer (USA), em 1966.

A compactação é particularmente importante no caso de BEVM, pois reduz as deformações do maciço de enrocamento, minimizando a possibilidade de aparecimento de trincas na laje de montante.

Em BEVC, deve ser avaliado até que ponto a compactação enérgica dos enrocamentos é desejável. Espaldares muito rígidos, principalmente quando o núcleo central é vertical, podem ocasionar a transferência de tensões do núcleo para os espaldares (efeito de silo).

A compactação dos enrocamentos foi primeiramente sugerida por Terzaghi (1960), após o seu estudo sobre a compressibilidade de enrocamentos lançados. Neste trabalho, o autor relaciona a alta compressibilidade dos enrocamentos lançados à segregação formada na pilha após o lançamento. A influência da inundação na compressibilidade dos enrocamentos foi também observada por Terzaghi, que acreditava que a compactação pudesse reduzí-la.

Cooke (1984) menciona que o enrocamento compactado apresenta, em geral, compressibilidade 10 vezes menor que o enrocamento lançado.

(26)

A crescente utilização de enrocamentos compactados tem sido influenciada por diversos fatores, entre os quais a necessidade de construção de barragens cada vez mais altas, a ausência de rochas de boa qualidade e o aparecimento de equipamentos pesados.

O acompanhamento da instrumentação instalada em barragens já existentes tem permitido um melhor conhecimento do comportamento mecânico dos enrocamentos, ao passo que o aparecimento de equipamentos de construção pesados tem possibilitado a construção de barragens mais altas e a utilização de rochas brandas ou enrocamentos sujos. Com a compactação, o emprego destes materiais deixou de ser questionado, já que a alta densidade obtida no campo resulta em pequena deformabilidade. Entretanto, é necessário atentar para a permeabilidade final do maciço.

No que se refere à alterabilidade dos enrocamentos expostos a ciclos de molhagem e secagem, existem alguns estudos disponíveis. Silva (1973) concluiu que a alteração dos enrocamentos se restringe aos primeiros dois metros de profundidade. Armelin et al (1976) sugerem que as rochas alteráveis sejam utilizadas em zonas internas da barragem, onde os efeitos da alteração ficam limitados pelo confinamento e as deformações não são importantes. Frazão e Caruso (1983), em seu trabalho de compilação de dados sobre alterabilidade de rochas basálticas em barragens brasileiras, concluíram que a desagregação dos blocos de rocha se restringe à zona de oscilação do nível d’água. Estes mesmos autores concluíram que os basaltos mais alteráveis são aqueles com maiores teores de argilo-minerais expansivos e com grau de microfissuração mais elevado.

Um outro aspecto a ser observado refere-se ao comportamento das barragens de enrocamento durante o enchimento do reservatório.

Nesta fase, verifica-se um aumento da compressibilidade do enrocamento, principalmente quando o mesmo é constituído por rochas que perdem uma parcela de sua resistência com a saturação. Assim, observam-se recalques importantes durante o enchimento, principalmente no caso de barragens muito altas, onde o estado de tensões

(27)

é bastante elevado. A compactação do enrocamento minimiza este efeito sem, contudo, eliminá-lo.

Numa BEVC, a água atua de diversas maneiras, provocando efeitos distintos, a saber: - empuxo hidrostático no núcleo, causando movimentos descendentes e na direção de

jusante;

- carga hidráulica na fundação a montante, causando movimentos descendentes e na direção de montante;

- subpressão devido à submersão do enrocamento de montante, causando movimentos ascendentes e rotação da barragem na direção de jusante;

- colapso do enrocamento de montante devido à saturação, causando movimentos descendentes e rotação da barragem na direção de montante.

Na Figura 2.3, apresenta-se, de maneira esquemática, o efeito do enchimento do reservatório sobre uma BEVC.

V V V V V V V V V V ^ ^ ^ ^ Colapso

Figura 2.3 – Efeito do Enchimento do Reservatório sobre uma BEVC

Numa BEVM, devido à posição do elemento estanque, a ação da água se faz sentir de maneira distinta, podendo ser descrita da seguinte forma:

- empuxo hidrostático na face de montante, causando movimentos descendentes e na direção de jusante;

- carga hidráulica na fundação a montante, causando movimentos descendentes e na direção de montante.

(28)

Em caso de fissuração excessiva da laje de concreto, com a consequente infiltração de água no maciço, poderão ocorrer ainda:

- colapso do enrocamento, causando movimentos descendentes;

- submersão de parte do maciço de enrocamento, causando movimentos ascendentes.

Na Figura 2.4, apresenta-se, de maneira esquemática, o efeito do enchimento do reservatório sobre uma BEVM, para os casos de laje íntegra ou excessivamente fissurada.

V V V V V

V

Caso a – Laje íntegra

Colapso ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^

Caso b – Laje excessivamente fissurada

Figura 2.4 – Efeito do Enchimento do Reservatório sobre uma BEVM

Nobari e Duncan (1972) mencionam que, dependendo da magnitude relativa de cada um destes mecanismos, uma grande variedade de movimentos pode ocorrer.

Em BEVC, os movimentos verificados são acompanhados por mudanças no estado de tensão interno da barragem, podendo ocasionar a chamada ruptura hidráulica. Este tipo

(29)

de ruptura ocorre quando as tensões efetivas no núcleo são negativas, devido à transferência de tensões do mesmo para os espaldares de enrocamento (efeito de silo).

Em BEVM, a magnitude dos movimentos tem grande influência sobre a laje de concreto e sobre o plinto, podendo comprometer o seu funcionamento devido ao aparecimento de fissuras. Este efeito pode ser minimizado através da utilização de um sistema de juntas apropriado.

2.2 Barragens de Enrocamento com Vedação Central - BEVC

Segundo Bordeaux (1980), os materiais utilizados no núcleo de uma BEVC devem apresentar as seguintes características:

- baixa permeabilidade, para garantir pequenas vazões de percolação; - boa resistência contra a erosão, para evitar o carreamento de finos; - alta deformabilidade, para aceitar as deformações previstas sem fissurar; - alta resistência ao cisalhamento.

A permeabilidade máxima dos solos compactados do núcleo deve ser de 1x10-5 cm/s. Este valor depende de uma série de fatores tais como a porcentagem de argila, o coeficiente de uniformidade Cu, o grau de compactação e o desvio da umidade em relação à umidade ótima. Solos argilosos mal graduados podem ser mais permeáveis que solos muito pouco argilosos bem graduados.

A posição do núcleo de uma BEVC pode ser vertical ou inclinada, dependendo das características de resistência e deformabilidade dos materiais utilizados na construção.

Normalmente, o núcleo vertical garante uma maior pressão no contato com a fundação, diminuindo a percolação neste ponto. Além disso, permite a aplicação de injeções de cimento após o enchimento do reservatório, caso sejam observadas vazões de percolação excessivas. Entretanto, no caso de materiais muito compressíveis, a adoção

(30)

do núcleo vertical pode favorecer a ocorrência do efeito de silo. Na Figura 2.5, apresenta-se a seção típica da barragem da UHE Miranda, com núcleo vertical.

Enrocamento

Transição Transição

Núcleo

Enrocamento

Figura 2.5 – Seção Típica da Barragem da UHE Miranda (Viotti, 1999)

O núcleo inclinado já não permite a execução de tratamentos adicionais após o enchimento do reservatório. Por outro lado, a adoção do mesmo dá maior flexibilidade à construção, permitindo que grande parte do enrocamento de jusante seja construída numa primeira etapa, independente da construção do núcleo. A possibilidade de ocorrência do efeito de silo é também menor no caso de núcleos inclinados, uma vez que o material fica apoiado sobre o espaldar de enrocamento. A inclinação do núcleo oferece ainda vantagens em regiões sísmicas, já que os esforços dinâmicos são melhor absorvidos pela massa não submersa do enrocamento de jusante. Na Figura 2.6, apresenta-se a seção típica da barragem da UHE Emborcação, com núcleo inclinado para montante.

Enrocamento

Enrocamento Núcleo

Transição

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Acredita-se que os solos mais adequados para a construção do núcleo de barragens de enrocamento sejam os solos pouco argilosos bem graduados, incluindo desde pedregulhos até siltes. Estes solos deverão apresentar uma permeabilidade baixa e uma resistência ao cisalhamento alta. A eventual fissurabilidade do material pode ser compensada através da inclinação do núcleo, sem contudo exigir o abrandamento do talude externo da barragem. A rigidez do material pode também ser compensada pela inclinação do núcleo, pois ficando o material apoiado sobre o enrocamento de jusante, haverá menor risco de abertura de fissuras, principalmente daquelas relacionadas ao mecanismo de fraturamento hidráulico.

Núcleos construídos com solos muito argilosos e, portanto, menos resistentes e mais compressíveis, devem também ser inclinados. Na posição vertical, estes materiais estariam mais vulneráveis ao fraturamento hidráulico devido aos recalques diferenciais entre o núcleo e os espaldares de enrocamento. Entretanto, em virtude da menor resistência ao cisalhamento do solo, pode ser necessário o abatimento do talude de montante da barragem.

Para determinação das dimensões do núcleo de uma BEVC, devem ser considerados os seguintes fatores:

- permeabilidade do material utilizado; - vazões de percolação admissíveis;

- gradientes hidráulicos permissíveis, principalmente no contato do núcleo com a fundação;

- estabilidade contra a erosão interna (quando há risco de fissuramento); - disponibilidade de materiais para núcleo;

- custo relativo de enrocamentos e solos argilosos;

- importância e velocidade do rebaixamento rápido do reservatório.

Segundo Bordeaux (1980), a largura mínima do núcleo deve ser de 3,0 m junto à crista da barragem, tendo em vista os aspectos construtivos de lançamento e compactação dos materiais. Na base do maciço, a largura mínima do núcleo é, em geral, superior a 0,25 vezes a carga hidráulica.

(32)

Numa BEVC, a fundação dos espaldares de enrocamento deve ser mais resistente que o maciço de enrocamento compactado e deve ter uma compressibilidade compatível com a da fundação do núcleo. Em geral, recomenda-se que os espaldares de enrocamento estejam apoiados sobre rocha pouco alterada ou sã.

No preparo da fundação do núcleo, devem ser eliminados taludes negativos, balanços e bolsões de materiais compressíveis. Além disso, cavidades e depressões devem ser preenchidas com concreto. A superfície final deve estar limpa e regularizada, antes do início do lançamento do material do núcleo.

Para impermeabilização do maciço rochoso de fundação, pode ser utilizada cortina de injeções e/ou o preenchimento de fraturas com calda de cimento.

2.3 Barragens de Enrocamento com Vedação a Montante - BEVM

As BEVM foram favorecidas pelo aparecimento dos rolos lisos vibratórios pesados, uma vez que os enrocamentos compactados são menos compressíveis, reduzindo a possibilidade de fissuramento da laje de montante.

A adoção deste tipo de barragem é também condicionada pelos seguintes fatores: - ausência de solos argilosos;

- jazidas de solos argilosos distantes, aumentando o custo de transporte;

- jazidas de solos argilosos com teores de umidade elevados, necessitando correções ; - disponibilidade de pedreiras;

- existência de grandes volumes de escavação obrigatória em rocha; - proximidade da rocha de fundação;

- características climáticas da região, que muitas vezes inviabilizam a construção de aterros com solos argilosos em regiões de elevado índice pluviométrico.

(33)

Dentre as BEVM, as mais comuns são as barragens de enrocamento com face de concreto. Estas barragens possuem uma série de vantagens em relação às BEVC, entre as quais:

- eliminação da construção de núcleos argilosos em períodos de chuva;

- possibilidade de construção em locais onde não existem jazidas de solo adequadas; - possibilidade de tratamento da fundação por injeção juntamente com a construção do

maciço;

- construção do maciço simplificada e rápida, por só utilizar um tipo de material; - grande segurança pelo posicionamento das pressões hidráulicas contra a laje de

montante;

- possibilidade de adoção de taludes mais íngremes;

- face de concreto exposta permite a inspeção visual e reparos eventuais; - não há necessidade de filtros e transições;

- não há risco de erosão interna;

- grande rapidez de construção da laje de concreto com a utilização de formas deslizantes.

Para minimizar as deformações do maciço de enrocamento, é recomendável a utilização de material bem graduado. Assim, os planos de fogo para escavação da rocha devem ser cuidadosamente dimensionados, levando em consideração as características do maciço rochoso. Devem ser examinados ainda os efeitos das operações de carga, lançamento, espalhamento e compactação na granulometria final do enrocamento. Araruna Jr. (1991) menciona que rochas ígneas como o basalto dão origem a enrocamentos mal graduados, sem finos, ao passo que rochas como o granito, sienito e granodiorito fornecem enrocamentos bem graduados.

Segundo Materón (1999), podem ser utilizados todos os tipos de enrocamento na construção de barragens com face de concreto, desde que distribuídos adequadamente na seção da barragem. Enrocamentos de rochas brandas são geralmente utilizados a jusante da barragem, aplicando-se os melhores materiais na metade ou terço de montante. Segundo o mesmo autor, a combinação de enrocamento e cascalho também tem sido empregada em várias obras, trazendo vantagens econômicas.

(34)

Para adequação do método construtivo, é recomendável a execução de aterros experimentais no início da construção. A escolha do rolo compactador, do número de passadas e da espessura das camadas deve ser feita nesta fase.

A espessura da camada de compactação deve ser maior que o diâmetro máximo do enrocamento. Segundo Penman (1971), é aceitável uma espessura mínima igual a 1,50 Dmáx.

A prática atual de compactação de barragens de enrocamento com face de concreto estabelece uma certa diferenciação no processo construtivo, conforme a região do maciço, incluindo:

- compactação em camadas de até 1,0 m de espessura, na zona situada a montante do eixo da barragem;

- compactação em camadas de até 2,0 m de espessura, na zona situada a jusante do eixo da barragem;

- compactação em camadas de 0,40 a 0,60 m de espessura, na zona situada imediatamente sob a face de concreto.

Na Figura 2.7, apresenta-se o zoneamento típico de uma barragem de enrocamento com face de concreto.

Figura 2.7 – Zoneamento Típico de uma Barragem de Enrocamento com Face de Concreto (Materón, 1999)

(35)

Junto à face de concreto, o material deve ser constituído por enrocamento fino bem graduado, com diâmetro máximo de 7,5 cm, porcentagem de areia entre 35% e 55% e teor de finos (material passando na peneira # 200) inferior a 10%.

A compactação deve ser feita com rolo liso vibratório pesado, com 4 a 8 passadas segundo a horizontal e mais 6 passadas ao longo do talude, no sentido ascendente. Recomenda-se ainda a aplicação de imprimação asfáltica antes de se completar a compactação ao longo do talude, permitindo uma compactação mais eficiente e garantindo maior estabilidade dos fragmentos rochosos. A imprimação melhora também as condições de segurança dos operários trabalhando no pé da barragem e evita que a face de concreto seja danificada, no caso da concretagem ser iniciada antes do término da construção do maciço.

Na barragem da UHE Itá, entretanto, a metodologia utilizada convencionalmente para dar acabamento ao talude de montante foi substituída pela construção de uma mureta de concreto pobre extrusado. De acordo com Materón (1999), esta nova metodologia, além de econômica, apresenta as seguintes vantagens:

- proteção contra a erosão;

- redução da largura da camada de enrocamento fino, uma vez que elimina-se o problema de segregação dos materiais.

Nas Figuras 2.8 e 2.9, apresentam-se os dois métodos de acabamento do talude de montante.

(36)

(37)

Segundo Bordeaux (1980) e Pinto (1999), a zona de enrocamento fino sob a face de montante deve ter uma largura mínima de 4,0 m junto à crista, variando até 6,0 ou 8,0 m junto à base do maciço. Esta zona deve apresentar uma permeabilidade da ordem de 1 x 10–3 cm/s, evitando subpressões na laje de concreto.

Para dimensionamento da espessura da laje, utiliza-se uma equação do tipo:

e = 0,3 + 0,003 H (2.1)

onde

e é a espessura da laje, em m;

H é a altura da barragem, em m.

Recentemente, tem sido adotado na equação (2.1) um incremento de espessura de laje de 0,002 H, conforme observado por Cooke (1999).

Em geral, a inclinação dos taludes externos de uma barragem de enrocamento com face de concreto são iguais, variando de 1V:1,3H, para rochas muito duras até 1V:1,6H, para rochas brandas ou cascalhos.

A largura mínima da crista é normalmente de 10 m, de forma a facilitar os trabalhos de construção da face de concreto, permitindo o acesso, o transporte de materiais, o deslocamento dos guinchos das formas deslizantes, etc.

Para armação da face de concreto, utiliza-se uma malha de aço com seção correspondente a 0,4% da seção de concreto. Esta malha é colocada no centro da laje e distribuída nas direções horizontal e paralela à declividade do talude. Segundo Cooke (1999), existe atualmente a tendência à redução da porcentagem de armadura para algo em torno de 0,3% na direção horizontal e 0,35% na direção vertical.

Numa barragem de enrocamento com face de concreto, o principal problema consiste em compatibilizar um maciço deformável com uma laje de concreto rígida. Assim, o

(38)

sistema de juntas entre as placas de concreto deve ser dimensionado com espaçamento e materiais adequados para absorver as deformações do maciço, sem se romper.

Antigamente, o sistema de juntas era composto por juntas verticais e horizontais. Com a compactação dos enrocamentos e a diminuição do módulo de deformabilidade dos mesmos, o sistema de juntas pôde ser simplicado, eliminando-se as juntas horizontais, exceto as juntas de construção com ferragem contínua. O espaçamento das juntas verticais varia de 12 a 18 m. O espaçamento maior, acima de 16 m, tem a vantagem de minimizar o número de juntas. O espaçamento menor tem as vantagens de diminuir a possibilidade de fissuras devido à retração do concreto, minimizar o tamanho das formas deslizantes e permitir uma melhor adaptação a encostas íngremes. A escolha do espaçamento das juntas pode também ser condicionada pelo tamanho das barras de aço disponíveis.

Como a deformação da face de concreto sob a ação do empuxo hidrostático é maior na porção central e os recalques dos enrocamentos são maiores na seção de maior altura da barragem, as juntas verticais centrais tendem a ser comprimidas, enquanto as situadas próximo às ombreiras tendem a se abrir. Desta forma, as primeiras recebem um veda-juntas simples de cobre no fundo da laje, enquanto aquelas situadas próximo às ombreiras recebem veda-juntas múltiplos.

Na barragem da UHE Itá, entretanto, as juntas comprimidas receberam um veda-juntas superficial de neoprene (junta JEENE) em substituição ao veda-juntas de cobre normalmente utilizado na base da laje. No caso das juntas tracionadas, os dois tipos de veda-juntas foram utilizados em conjunto. Na Figura 2.10, apresentam-se os detalhes das juntas executadas na barragem da UHE Itá.

Do ponto de vista de infiltração, a junta perimetral é o ponto crítico das barragens de enrocamento com face de concreto. Por este motivo, além dos sistemas de defesa convencionais, passou a ser empregado um aterro de areia fina siltosa sobre a junta perimetral e um filtro imediatamente a jusante da mesma, conforme mostrado na Figura

(39)

2.10. Segundo os estudos de Pinto e Mori (1988), a areia siltosa é arrastada para o interior da junta aberta, provocando a sua colmatação.

Figura 2.10 – Detalhes das Juntas Executadas na Barragem da UHE Itá (Mori e Antunes, 1999)

(40)

De acordo com Resende (1999), o apoio das lajes de concreto sobre uma zona homogênea e compacta de enrocamento fino faz com que a pressão exercida pelo reservatório seja uniformemente transmitida ao maciço de enrocamento, garantindo que as deformações nas juntas das lajes não ultrapassem os valores de dimensionamento.

Antigamente, a ligação da face de concreto com a fundação era feita através de uma parede de concreto engastada na rocha, o que exigia escavações a fogo no pé da barragem. Este sistema está praticamente abandonado, utilizando-se hoje em dia uma laje de concreto diretamente apoiada e ancorada à rocha, denominada plinto.

Tradicionalmente, a largura do plinto no sentido da percolação varia de 4% a 5% da carga hidráulica, adotando-se uma largura mínima de 3 m. A espessura é quase sempre a mesma da laje, não excedendo a 60 cm.

Segundo Materón (1999), tem-se adotado recentemente uma largura constante de 3 ou 4 m para o plinto, complementando o comprimento necessário para cumprir o requisito de 4% a 5% da carga hidráulica com uma laje interna. Na Figura 2.11, apresenta-se este novo conceito de plinto, adotado principalmente para barragens altas.

(41)

Após a concretagem do plinto, são realizadas injeções de contato e injeções de vedação do maciço de fundação. Se por um lado estas barragens não são afetadas por infiltrações sob o plinto, sendo desnecessário alcançar níveis de impermeabilização rigorosos, o elevado gradiente hidráulico sob o mesmo e a falta de peso sobre a laje fazem com que o tratamento seja menos eficiente, requerendo maiores cuidados para evitar percolações excessivas.

A localização do plinto e da cortina de injeção fora da barragem é uma vantagem construtiva importante, permitindo que os trabalhos de construção do maciço e de tratamento da fundação sejam realizados concomitantemente.

Uma das grandes desvantagens das barragens de enrocamento com vedação a montante é a impossibilidade de adoção de ensecadeira incorporada, exigindo estruturas de desvio mais extensas.

2.4 Características Geotécnicas dos Cascalhos de Terraço

2.4.1 Considerações Iniciais

Muitas vezes, por razões técnico-econômicas ou para cumprimento de cronogramas de construção, recorre-se a materiais alternativos na construção de barragens.

Por estes motivos, o uso de cascalhos de terraço aluvionares com matriz arenosa e/ou argilosa tem encontrado emprego crescente em espaldares e mesmo no núcleo de barragens.

As experiências de utilização de cascalho em barragens com face de concreto, observadas em Oroville (USA), Portage (Canadá), Aguamilpa (México), Salvajina (Colômbia) e mais recentemente em Santa Juana (Chile) e Pichi Picun Leufu (Argentina), indicam que esse material é excelente, em termos de compressibilidade,

(42)

permeabilidade e resistência. Segundo mencionado por Materón (1999), a deformação apresentada por estes materiais é da ordem de 6 a 7 vezes menor que a dos enrocamentos.

De acordo com Materón (1999), a combinação de enrocamento e cascalho tem sido empregada com vantagens econômicas em várias obras. Em Aguamilpa (187 m) e Salvajina (148 m), por exemplo, foram empregados seixos rolados a montante e enrocamento a jusante. Em Santa Juana (110 m), como o volume de enrocamento escavado não justificava a criação de uma zona especial, este material foi incorporado ao cascalho de jusante, deixando a zona de montante só para seixos.

Entretanto, a aplicação deste tipo de material em obras nacionais é ainda restrita. No Brasil, cascalhos de terraço já foram empregados no corpo das barragens de Açu (Armando Ribeiro Gonçalves), São Simão, Ilha Solteira, Tucuruí e Nova Ponte.

Em São Simão, o cascalho argiloso foi utilizado como transição entre o núcleo argiloso e os espaldares de enrocamento.

Em Ilha Solteira, a maior parte do aterro compactado da barragem na região do canal do rio foi feita com cascalho argiloso aluvionar. A utilização deste material não era prevista inicialmente, tendo sido adotada devido às condições de umidade do colúvio da área de empréstimo.

Em Nova Ponte, a utilização do cascalho argiloso foi prevista já na fase de projeto, tendo sido especificado para toda a zona de vedação da barragem.

Os cascalhos de terraço são materiais de origem sedimentar, podendo ocorrer nas mais variadas dimensões (2 a 200 mm), com ou sem finos.

A característica mais importante na classificação e identificação dos cascalhos é a sua granulometria. Dependendo da fração retida na peneira # 4 ou da porcentagem que

(43)

passa na peneira # 200, é possível antecipar suas propriedades geotécnicas e os métodos construtivos mais adequados.

Neste trabalho, serão abordados os cascalhos de terraço com finos, utilizados na construção de aterros impermeáveis.

A compactação destes materiais se faz com rolos de impacto, resultando em aterros razoavelmente uniformes. O controle da compactação é geralmente feito pelo peso específico do material.

2.4.2 Resistência ao Cisalhamento

Estes materiais são normalmente ensaiados em laboratório para determinação de seus parâmetros geotécnicos. Posteriormente, são feitas pistas experimentais para aferir o seu comportamento e estabelecer o método construtivo mais adequado.

Devido às suas características granulométricas, os ensaios para determinação dos parâmetros de resistência são realizados em caixas de cisalhamento direto com 30 a 50 cm de aresta ou em câmara triaxial com corpos de prova cilíndricos de 4” a 6” de diâmetro. Amostras para ensaios triaxiais só podem ser consideradas representativas quando o diâmetro do corpo de prova é de 5 a 8 vezes o tamanho do maior grão da amostra. Em Nova Ponte, os ensaios triaxiais foram realizados com corpos de prova de 6” de diâmetro.

Os cascalhos com finos têm sua resistência ao cisalhamento expressa pela equação convencional:

τ = c + σ tg φ (2.2)

onde

τ é a resistência ao cisalhamento; c é o intercepto de coesão do material;

(44)

σ é a tensão normal; φ é o ângulo de atrito.

Nos ensaios triaxiais saturados, tem-se observado que o intercepto de coesão cai sistematicamente a zero, mesmo quando a porcentagem de finos é elevada.

Na Figura 2.12, apresentam-se os resultados de ensaios triaxiais realizados com amostras de cascalho das barragens de Ilha Solteira e São Simão.

Figura 2.12 – Resultados de Ensaios Triaxiais com Amostras de Cascalho (Mellios e Monteiro, 1983)

Conforme Mellios e Monteiro (1983), a variação da resistência ao cisalhamento com a porcentagem de cascalho (fração maior que # 4) é mais significativa quando a fração fina é arenosa e não plástica.

Para a barragem de São Simão, Madureira (1975) demonstrou que a resistência ao cisalhamento só era modificada para porcentagem de cascalho acima de 30%.

(45)

Em Nova Ponte, foram empregados cascalhos de duas jazidas. O material da jazida B, com maior porcentagem de finos, apresentou resistência ligeiramente menor que o material da jazida A.

Na Tabela 2.1, apresentam-se os resultados de ensaios de caracterização com cascalhos de terraço utilizados em algumas barragens brasileiras. Na Tabela 2.2, são apresentados os parâmetros de resistência obtidos para estes materiais.

Tabela 2.1 - Resultados de Ensaios de Caracterização com Cascalhos de Terraço (Adaptado e complementado de Cruz,1983)

Granulometria (ABNT) Compactação

Barragem Classificação do Material % Cascalho % Areia % Silte % Argila γγγγs máx (g/cm3₎ hót (%) Ilha Solteira Cascalho

argilo-arenoso 18 60 8 14 2,07 8,4

Ilha Solteira Finos do

cascalho argilo-arenoso

74 9 17 1,95 11,5

São Simão Cascalho

arenoso B 35 13 2,13 7,7

São Simão Cascalho

arenoso C 50 10 2,19 7,6

São Simão Finos dos

cascalhos B e C 61 11 28 1,93 9,2

Tucuruí Cascalho

arenoso 10 a 59 42 a 92 2 a 11 3 a 9 1,94 a 2,35 3,8 a 7,9

Nova Ponte Cascalho

areno-argiloso A 18 55 27(*) 2,07 7,1

Nova Ponte Cascalho

areno-argiloso B 15 a 18 48 a 50 34 a 35(*) 1,97 a 2,06 8,6 a 8,9

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Tabela 2.2 - Parâmetros de Resistência ao Cisalhamento de Cascalhos de Terraço (Adaptado e complementado de Cruz, 1983)

Parâmetros de Resistência ao Cisalhamento Barragem Classificação do MateriaL Tipo de Ensaio C’ (kPa) φφφφ’ (°°°°)

Ilha Solteira Cascalho argilo-arenoso CAU 46 32

Ilha Solteira Cascalho argilo-arenoso CD/UU 34 a 47 31

Ilha Solteira Cascalho argilo-arenoso CUsat 0 a 30 29 a 33

São Simão Cascalho arenoso B UU 67 31

São Simão Cascalho arenoso B CUsat 39 29

São Simão Cascalho arenoso C CUsat 0 39

Tucuruí Cascalho arenoso CD/UU 0 39 a 43

Tucuruí Cascalho arenoso CDsat/CUsat 0 37 a 43

Nova Ponte Cascalho areno-argiloso A CUsat 0 39,3

Nova Ponte Cascalho areno-argiloso B CUsat 6,6 36,9

2.4.3 Permeabilidade

Devido à presença de finos, o material compactado apresenta em geral uma permeabilidade baixa, da ordem de 1 x 10-5 cm/s, com manchas mais ou menos permeáveis. Na Tabela 2.3, são apresentados os coeficientes de permeabilidade obtidos a partir de amostras de cascalho de terraço de algumas barragens brasileiras.

Tabela 2.3 - Permeabilidade dos Cascalhos de Terraço (Adaptado e complementado de Cruz, 1983)

Permeabilidade

Barragem Classificação do Material

Laboratório

Kv (cm/s)

Campo

Kv (cm/s)

Ilha Solteira Cascalho argilo-arenoso 9,5 x 10-6_{a 1,5 x 10}-5 _{1,1 x 10}-6_{a 4,2 x 10}-5

São Simão Cascalho arenoso 2 a 5 x 10-5 _{5 x 10}-5

Tucuruí Cascalho arenoso 1,5 x 10-3

(47)

2.4.4. Compressibilidade

Sob o ponto de vista de projeto, o interesse de antecipar deslocamentos (verticais ou horizontais) visa fundamentalmente evitar que movimentos diferenciais possam provocar trincas na barragem ou dar origem a uma distribuição de tensões desfavorável.

Dos vários materiais utilizados na construção de núcleos impermeáveis de barragens de enrocamento, os cascalhos argilosos bem graduados são as formações menos compressíveis, quando devidamente compactadas.

Os registros dos recalques observados na barragem Nova Ponte confirmam esta previsão.

Entretanto, são poucos os dados disponíveis no que diz respeito aos módulos de deformabilidade destes materiais.

Na Tabela 2.4, apresentam-se os módulos de deformabilidade medidos no campo (Mc) para estes materiais.

Tabela 2.4 - Módulos de Deformabilidade de Campo do Cascalho

Barragem Classificação do Material Mc (MPa)

São Simão Cascalho arenoso 200

Nova Ponte Cascalho areno-argiloso 120 a 170

2.5 Características Geotécnicas dos Enrocamentos

2.5.1 Considerações Iniciais

O termo enrocamento é utilizado para definir um conjunto não coesivo de fragmentos de rocha cuja distribuição granulométrica corresponde essencialmente a partículas

(48)

maiores que 1 cm, com uma fração de no máximo 30% de partículas passando pela peneira # 4 (4,8 mm).

Materiais de enrocamento, naturais ou processados, sempre contêm uma certa quantidade de finos, ou seja, partículas passadas na peneira # 4. Quando a porcentagem de finos é tal que grande parte dos vazios existentes entre os fragmentos rochosos estão preenchidos, o maciço não pode mais ser considerado um maciço de enrocamento, uma vez que os finos passarão a comandar as condições de percolação, resistência e as relações tensão-deformação.

Marsal (1973) sugere que o material ideal para enrocamento deve ter menos de 10% em peso de partículas menores que 0,2 mm, dimensão máxima entre 20 e 30 cm e um coeficiente de uniformidade Cu maior ou igual a 15.

Os aterros de enrocamento são resultantes do lançamento ou do espalhamento de blocos de rocha, com porcentagem variável de cascalho, brita, areia e finos.

A contaminação dos enrocamentos influencia nas características de compressibilidade e resistência dos mesmos. De acordo com os estudos de Marsal (1973), a adição de 30% a 40% de areia ao enrocamento resultou numa mistura menos compressível, ao passo que a adição de qualquer quantidade de silte ou argila tornou a mistura mais compressível e menos resistente. O acréscimo de 30% a 50% de areia ao enrocamento provocou um aumento de resistência. Até 10% de areia, a mistura tem resistência de enrocamento e acima de 50%, tem resistência de areia.

Na Figura 2.13, são apresentados os resultados de ensaios de compressão unidimensional com amostras de enrocamento com variadas porcentagens de areia, silte e argila.

Para limitação dos finos no enrocamento, deve ser considerado o critério de Penman e Charles (1976), segundo o qual o enrocamento não pode desenvolver pressões neutras durante a construção em ritmos normais. Estes autores consideram um enrocamento

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livremente drenante quando os coeficientes de permeabilidade são maiores que 1x10-3 cm/s.

Figura 2.13 – Resultados de Ensaios de Compressão Unidimensional com Amostras de Enrocamento (Marsal e Fuentes de La Rosa, 1976)

Para compactação dos enrocamentos, são normalmente utilizados rolos lisos vibratórios, com peso estático maior que 9 toneladas ou tratores de esteira tipo D-8 ou D-9. A adição de água durante a compactação é opcional. O controle de compactação é feito normalmente através do peso específico do material.

O comportamento mecânico dos enrocamentos depende de suas características granulométricas, da estrutura, da rocha matriz, dos minerais constituintes, da forma de exploração, da estocagem, da alterabilidade da rocha e do método construtivo.

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A dimensão máxima das partículas tem grande influência nas características mecânicas dos materiais granulares. Os resultados indicam que a resistência diminui e a deformabilidade aumenta com a dimensão máxima das partículas.

2.5.2 Propriedades Índices

Os solos são materiais altamente heterogêneos e anisotrópicos. Entretanto, na Mecânica dos Solos, são considerados simplificadamente como um meio contínuo. Aumentando a dimensão das partículas, cada vez mais grosseira se torna esta simplificação.

Como já citado anteriormente, o termo enrocamento é utilizado para definir uma aglomeração de partículas de rocha com diâmetro máximo variando de 1 cm até 2 m. Por isso, para se prever o comportamento mecânico de um determinado tipo de enrocamento é necessário recorrer a um grande número de parâmetros.

As propriedades índices são utilizadas para melhor caracterizar os enrocamentos, sendo definidas como tal as características físicas e geométricas de um determinado material granular.

2.5.2.1 Índices de Resistência ou de Qualidade da Rocha

Os índices de resistência ou de qualidade da rocha permitem concluir sobre a alterabilidade dos materiais granulares e, consequentemente, sobre o seu potencial de fraturamento. Para determinação destes índices são normalmente utilizados o ensaio de abrasão tipo Los Angeles, o ensaio de absorção de água e o ensaio de desgaste acelerado.

Os dois primeiros ensaios são utilizados principalmente na pesquisa de agregados para concreto.

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O ensaio de desgaste acelerado analisa a fragmentação da rocha submetida à ação do sulfato de sódio em cinco ciclos de imersão e secagem no forno, determinando-se o percentual em peso de rocha fragmentada.

2.5.2.2 Índices Granulométricos

As dimensões características de um enrocamento são dadas em geral pelo seu diâmetro máximo Dmáx e pelo seu diâmetro efetivo D10.

O diâmetro efetivo D10 é definido como a abertura da peneira que deixa passar 10% do material, em peso.

A dispersão granulométrica é dada pelo coeficiente de uniformidade Cu, definido pela relação D60/D10. D60 é definido de modo análogo a D10.

2.5.2.3 Coeficiente de Forma

A angulosidade das partículas é expressa pelo coeficiente de forma Cf. De acordo com Marsal (1973), este coeficiente é calculado pela expressão:

Cf =Σ (pm /γs) / Σ [(π/6) d3 ] (2.3)

onde

pm é o peso de um grão genérico m ; γs é o peso específico da rocha; d é o diâmetro médio do grão.

2.5.2.4 Estado de Compacidade

A grandeza física de maior influência nas leis constitutivas dos materiais granulares é o peso específico aparente seco que exprime a relação entre o peso de uma massa granular e o respectivo volume total.