Dissertação de Mestrado
ESTUDO TENSÃO DEFORMAÇÃO DA
BARRAGEM DO TORTO
AUTOR: BERNARDO BETELI SILVA ZANON
ORIENTADOR: Prof. Dr. Saulo Gutemberg Silva Ribeiro
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM GEOTECNIA DA UFOP
Zanon, Bernardo Beteli Silva .
ZanEstudo tensão deformação da barragem do Torto. [manuscrito] /
Bernardo Beteli Silva Zanon. - 2020.
Zan133 f.: il.: color., gráf., tab..
ZanOrientador: Prof. Dr. Saulo Gutemberg Silva Ribeiro.
ZanDissertação (Mestrado Profissional). Universidade Federal de Ouro
Preto. Núcleo de Geotecnia da Escola de Minas. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Geotécnica.
Zan1. Barragens e açudes. 2. Deformações (Mecânica) . 3. Deformações
e tensões . I. Ribeiro, Saulo Gutemberg Silva. II. Universidade Federal de Ouro Preto. III. Título.
Bibliotecário(a) Responsável: Maristela Sanches Lima Mesquita - CRB: 1716 SISBIN - SISTEMA DE BIBLIOTECAS E INFORMAÇÃO
Z33e
Assinado digitalmente por 01180976 DN: cn=01180976 Data: 2020.09.15 07:42:19 -03'00'
01180976
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“Quanto mais sei que sei, menos sei que sei.” Sócrates (470 a.C. – 399 a.C.) “Porque para Deus nada é impossível”. Lucas 1.37
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DEDICATÓRIA
Ao meu pai Francisco e minha mãe Silva a todo amor e incentivo a lutar para conquistar meus sonhos e objetivos. Minha esposa Juliana que sempre esteve presente me apoiando durante as longas semanas
de aula longe de casa e as noites de dedicação ao mestrado, sempre com carinho e amor, acreditando que eu chegaria até aqui. Com imenso amor dedico aos meus filhos Maria Fernanda e Vitor pela imensa alegria e amor que me maravilham a cada dia.
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AGRADECIMENTOS
Primeiramente agradeço a DEUS que sempre esteve ao meu lado e me permitiu chegar até aqui com saúde, capacidade e força.
Aos professores e funcionários do NUGEO e também a turma do mestrado profissional do ano de 2017 pelas amizades e aslongas noites de estudos regrada a pizza e muitas risadas. Ao professor Saulo Gutemberg agradeço enormemente por ter acreditado em meu trabalho sempre com paciência, dedicando seu tempo, compartilhando seu conhecimento e permitindo o desenvolvimento deste trabalho.
Ao meu irmão Rafael por me incentivar a sempre buscar mais conhecimento, estudo e crescimento.
À VALE por ter disponibilizado documentos e permitido coordenadar um grande projeto me proporcionando conhecimento e aprendizado.
À Geoestável e toda equipe pelas horas de reuniões, conversas, ensinamentos e discussões sempre em busca da boa engenharia geotécnica.
A equipe da Geofast que colaborou com a realização dos estudos. A GeoSlope International Ltd. pela licença do programa.
Bernardo Beteli Silva Zanon Março/2020
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RESUMO
A economia mundial demanda uma grande quantidade de minério de ferro gerando a necessidade de disposição de resíduos provenientes do beneficiamento do minério através de pilhas ou barragens. A engenharia geotécnica aplicada à mineração busca trabalhar de forma assertiva para obter projetos seguros e de qualidade e vem evoluindo constantemente, principalmente, após os acidentes da barragem de Fundão no ano de 2015 em Mariana - MG (distrito de Bento Rodrigues) e barragem B1 no ano de 2019 em Brumadinho - MG. Este trabalho teve seu desenvolvimento baseado em uma barragem de solo compactado destinada a acumulação de água e rejeitos cujo projeto foi realizado com fundamentação geotécnica de ensaios, sondagens e amostras dos materiais de empréstimo. Desta forma, foram realizados estudos tensão deformação contemplando os efeitos da fundação e o posicionamento e geometria do sistema de drenagem. A solução numérica desenvolvida foi obtida através do software GeoStudio 2020, módulo Sigma. Estes resultados gerados através da modelagem em elementos finitos permitiram analisar a condição do comportamento da fundação em tensões, recalques e também possibilitaram as comparações dos cenários, os quais foram elaborados a partir de situações reais e hipóteses que permitiram uma avaliação econômica da solução aplicada ao projeto. O estudo de caso apresenta resultados que indicam a viabilidade qualitativa e quantitativa na troca do solo de fundação de aluvião para colúvio no que tange deformações verticais do barramento, deslocamentos verticais, tensões totais além da análise de arqueamento do filtro.
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ABSTRACT
The world economy demands a large amount of iron ore, generating the need of wast dispose from the iron ore processing of the ore through piles or dams. Geotechnical engineering applied to mining seeks to work assertively to obtain safe and quality projects and has been constantly evolving, mainly after the accidents of Fundão dam in 2015 in Mariana - MG (Bento Gonçalves district) and B1 dam in year 2019 in Brumadinho - MG. This work had its development based on a compacted soil dam destined for the accumulation of water and tailings whose project was carried out with geotechnical basis of tests, surveys and samples of the loan materials. In this way, stress-strain studies were carried out contemplating foundation effects and the positioning and geometry of the drainage system. The developed numerical solution was obtained using the GeoStudio 2020 software, Sigma module. These results generated through finite element modeling allowed to analyze the condition of the foundation's behavior in tensions, repression and also made it possible to compare the scenarios, which were elaborated from real situations and hypotheses that allowed an economic evaluation of the solution applied to the project. The case study presents results that indicate the qualitative and quantitative feasibility in exchanging the alluvial foundation soil for colluvium in terms of vertical deformations of thedam, vertical displacements, total stresses in addition to the filter heating analysis.
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LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 2.1 - Seção transversal da barragem de El kafara ... 6
Figura 2.2 - Deformação vertical x tensão vertical (1) ... 14
Figura 2.3 - Deformação vertical x tensão vertical (2) ... 14
Figura 2.4 - Relação entre fluência e tensão ... 17
Figura 2.5 - Relação do tempo com a fluência ... 18
Figura 2.6 - Arranjo geral da UHE Três Marias ... 22
Figura 2.7 - Vista área da UHE de Três Marias ... 23
Figura 2.8 - Seção da barragem do leito do rio de Três Marias ... 24
Figura 2.9 - Seção da barragem sobre os condutos de Três Marias ... 24
Figura 2.10 - Seção geológica da barragem de Três Marias - detalhamento das camadas de cascalho da fundação ... 25
Figura 2.11 - Perfis de recalque para a seção transversal da barragem ... 26
Figura 2.12 - Perfis de recalque para a seção longitudinal da barragem ... 27
Figura 2.13 - Recalques de fundação medidos por meio de medidores instalados na seção transversal ao eixo da barragem ... 27
Figura 2.14 - Recalques de fundação medidos por meio de medidores instalados na seção longitudinal ao eixo da barragem ... 28
Figura 2.15 - Perfil longitudinal da barragem e da evolução dos recalques superficiais ... 28
Figura 2.16 - Localização da Barragem de Juturnaíba ... 29
Figura 2.17 - Seção transversal Trecho V Estaca 40 ... 31
Figura 2.18 - Seção transversal da barragem de Juturnaíba - Trecho 1 ... 31
Figura 2.19 - Seção transversal da barragem de Juturnaíba - Trecho III ... 32
Figura 2.20 - Perfil geotécnico - Seção transversal ... 33
Figura 2.21 - Barragem de Juturnaíba - Trecho III-2 e II ... 33
Figura 2.22 - Recalques totais medidos e calculados - Estaca 15 ... 34
Figura 2.23 - Recalques totais medidos e calculados - Estaca 20 ... 35
Figura 2.24 - Barragem de Juturnaíba - c, d ... 36
Figura 3.1 - Arranjo do Projeto Detalhado da barragem do Torto sobreposto em imagem aérea e barragem de Laranjeiras na porção oeste da imagem ... 38
Figura 3.2 - Localização da área de implantação da Barragem do Torto ... 38
Figura 3.3 - Imagem de Satélite das sondagens à trado realizadas na área interna prevista do reservatório ... 41
Figura 3.4 - Curvas Granulométricas para os solos coluvionares AE-01 a AE-07 ... 43
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Figura 3.6 - Planta da barragem com locação das sondagens ... 47
Figura 3.7 - Contextualização regional da área de estudo (poligonal laranja) no Quadrilátero Ferrífero ... 48
Figura 3.8 - Coluna estratigráfica sintética, destacando as unidades que ocorrem na região do empreendimento ... 49
Figura 3.9 - Seção transversal da barragem com materiais das fundações ... 50
Figura 3.10 - Seção transversal da barragem com locação dos materiais de construção ... 51
Figura 3.11 - Espessura da Camada de Aluvião por Furo ... 51
Figura 3.12 - Aluvião argilosilte arenoso, de cor escura, apresentando matéria orgânica ... 52
Figura 3.13 - Depósito paleo-aluvionar localizado a montante da barragem na margem esquerda ... 52
Figura 4.1 - Classificação das leis constitutivas ... 54
Figura 4.2 - Curva hiperbólica ... 56
Figura 4.3 - Seleção ideal de pontos de ajuste do modelo ... 57
Figura 4.4 - Gráfico de volume específico x logaritmo natural de tensão efetiva o efetiva média. ... 60
Figura 4.5 - Gráficos tensão x deformação típicos: a) Modelo elasto-plástico prefeito, b) modelo elasto-plástico com amolecimento e c) modelo elasto-plástico com endurecimento - entre reta virgem e a linha de estado crítico ... 61
Figura 4.6 - Cenário 1 - 100% de aluvião materiais - laranja colúvio, rosa residual, cinza aluvião, verde saprolito de gnaise e em amarelo maciço rochoso. ... 64
Figura 4.7 - Cenário 2 - troca de solo - 50% de aluvião e 50% de colúvio laranja colúvio, rosa residual, cinza aluvião, verde saprolito de gnaise e em amarelo maciço rochoso. ... 64
Figura 4.8 - Cenário 3 - l troca de solo – 100% de colúvio laranja colúvio, rosa residual, cinza aluvião, verde saprolito de gnaise e em amarelo maciço rochoso. ... 64
Figura 4.9 - Modelagem da barragem em 20 etapas de construção ... 65
Figura 4.10 - Modelo da seção da barragem modelada com os respectivos materiais e parâmetros geotécnicos ... 66
Figura 5.1 - Cenário 01 - Fundação em aluvião. ... 69
Figura 5.2 - Cenário 02 - Fundação em aluvião e colúvio. ... 70
Figura 5.3 - Cenário 03 - Fundação em colúvio. ... 70
Figura 5.4 - Cenário 01 - tensões horizontais (kPa) - filtro inclinado ... 71
Figura 5.5 - Cenário 01 - deformação vertical - filtro inclinado ... 71
Figura 5.6 - Cenário 01 - deslocamento vertical na base do filtro (m) ... 72
Figura 5.7 - Cenário 02 - deformação vertical - filtro inclinado ... 72
Figura 5.8 - Cenário 03 - deformação vertical - filtro inclinado ... 72
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Figura 5.10 - Cenário 01 - deslocamento vertical (m) - filtro inclinado ... 73
Figura 5.11 - Cenário 02 - deslocamento vertical (m) - filtro inclinado ... 74
Figura 5.12 - Cenário 03 - deslocamento vertical (m) - filtro inclinado ... 74
Figura 5.13 - Gráfico do deslocamento vertical eixo dos cenários 1, 2 e 3 ... 75
Figura 5.14 - Detalhe do local da análise ... 75
Figura 5.15 - Cenário 03 - Modelo da barragem ... 76
Figura 5.16 - Gráfico comparativo do recalque da fundação dos cenários 1, 2 e 3 ... 77
Figura 5.17 - Cenário 1 - Tensão vertical total - filtro inclinado ... 78
Figura 5.18 - Cenário 1 - Tensão vertical total - filtro vertical ... 78
Figura 5.19 - Cenário 2 - Tensão vertical total - filtro inclinado ... 78
Figura 5.20 - Cenário 2 - Tensão vertical total - filtro vertical ... 79
Figura 5.21 - Cenário 3 - Tensão vertical total - filtro inclinado ... 79
Figura 5.22 - Cenário 3 - Tensão vertical total - filtro vertical ... 79
Figura 5.23 - Comparativo 1 entre o cenário 1 e 3 - filtro inclinado x filtro vertical .. 80
Figura 5.24 - Comparativo 2 entre o cenário 1 e 3 - filtro inclinado x filtro vertical .. 80
Figura 5.25 - Gráfico tensão total filtro inclinado e vertical ... 81
Figura 5.26 - Gráfico tensão vertical filtro inclinado - cenário 1 - 100% aluvião ... 83
Figura 5.27 - Gráfico arqueamento filtro inclinado - cenário 1 - 100% aluvião ... 83
Figura 5.28 - Gráfico tensão vertical filtro inclinado - cenário 3 - 100% colúvio ... 84
Figura 5.29 - Gráfico arqueamento filtro inclinado - cenário 3 100% colúvio ... 84
Figura 5.30 - Gráfico tensão vertical filtro vertical - cenário 1 - 100% aluvião ... 85
Figura 5.31 - Gráfico arqueamento filtro vertical - cenário 1 - 100% aluvião ... 85
Figura 5.32 - Gráfico tensão vertical filtro vertical - cenário 3 - 100% colúvio ... 86
Figura 5.33 - Gráfico arqueamento filtro vertical - cenário 3 - 100% colúvio ... 86
Figura 5.34 - Gráfico arqueamento filtro inclinado x filtro vertical - cenário 1 - 100% aluvião ... 87
Figura 5.35 - Gráfico arqueamento filtro inclinado x filtro vertical - cenário 3 - 100% colúvio ... 88
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LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 - Série Histórica de Recalques - Parte 1 ... 11
Tabela 2.2 - Série Histórica de Recalques - Parte 2 ... 12
Tabela 2.3 - Dados de recalque e módulo de deformabilidade ... 21
Tabela 3.1 - Resumo das principais características da Barragem do Torto ... 40
Tabela 3.2 - Volume de Colúvio nas áreas de empréstimo internas ao reservatório ... 42
Tabela 3.3 - Volume de Solo Residual nas áreas de empréstimo internas ao reservatório ... 42
Tabela 4.1 - Valores típicos dos parâmetros hiperbólicos para diferentes tipos de solos ... 58
Tabela 4.2 - Parâmetros do modelo hiperbólico para previsão de curvas tensão x deformação ... 59
Tabela 4.3 - Parâmetros ensaios triaxiais – ângulo de atrito e coesão ... 63
Tabela 4.4 - Parâmetros geotécnicos utilizados nos modelos ... 64
Tabela 4.5 - Valores tipicos de módulo de Young para solos granulares (MPa) - baseado em Obrzud & Truty, 2012 apud Kezdi 1974 e Prat et al. 1995 ...67
Tabela 4.6 – Valores tipicos de módulo de Young para solos coesivos (MPa) - (baseado em Obrzud & Truty, 2012 apud Kezdi 1974 e Prat et al. 1995) ... 67
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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABMS Associação Brasileira de Mecânica dos solos e Engenharia Geotécnica.
AIA Avaliação de Impacto Ambiental
c Coesão.
c' Coesão Efetiva.
B Relação entre a variação da poropressão em solo não saturado e avariação da tensão axial.
β − Constante
CANAMBRA Consórcio de Consultores do Brasil, Estados Unidos e Canadá CEMIG Companhia Eneérgética de Minas Gerais.
CESP Companhia Eneérgética do Estado de São Paulo. CBGB Comitê Brasileiro de Grandes Barragens.
CBDB Comitê Brasileiro de Barragens.
CJ Cota Jusante, Cota do Nível de Água a Jusante da Barragem. CM Cota Montante, Cota do Reservatório de Montante.
CMB Comitê Mundial de Barragens.
CL Argila de Baixa Plasticidade.
CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente
CD Ensaio de Resistência ao Cisalhamento Consolidado Não Drenado. CU Ensaio de Resistência ao Cisalhamento Consolidado Não Drenado. DNOCS Departamento Nacional de Obras Contra as Secas.
EIA Estudo de Impacto Ambiental. EPC Engenharia Projeto e Consultoria.
FS Fator de Segurança.
Ângulo de atrito.
' Ângulo de atrito efetivo.
g Peso específico úmido do solo.
gs Peso específico dos grãos.
ICOLD International Commission on Large Dams.
IP Índice de Plasticidade.
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K Relação de anisotropia.
K0 Coeficiente de empuxo em repouso.
kh Condutibilidade hidráulica horizontal. kv Condutibilidade hidráulica vertical.
LL Limite de Liquidez.
LP Limite de Plasticidade.
MN Medidor de Nível d’água.
MS Marco de Deslocamentos Superficial.
MW Megawatts.
NA Nível d’água.
PIB Produto interno bruto
PC Piezômetro Casagrande.
RA Medidor de Recalque do Aterro.
FR Medidor de Recalque de Fundação.
RIMA Relatório de Impacto Ambiental. UHE Usina Hidrelétrica.
UU Ensaio de Resistência ao Cisalhamento não Consolidado não Drenado.
Pa Pressão Atmosférica Local.
Δ Deformação Vertical.
Va Volume Inicial de ar nos Vazios.
Vw Volume d’água no Solo.
h Constante de Solubilidade do Ar na Água.
u Poropressão.
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SUMÁRIO
CAPÍTULO 1 ... 1 INTRODUÇÃO ... 1 1.1 Considerações Iniciais ... 1 1.2 Justificativa da Dissertação ... 2 1.3 Objetivos da Dissertação ... 3 1.3.1. Objetivo Geral ... 3 1.3.2. Objetivos Específicos ... 4 1.4 Estrutura da Dissertação... 4 CAPÍTULO 2 ... 6 CONTEXTUALIZAÇÃO BIBLIOGRÁFICA ... 6 2.1 Fundação de Barragens ... 6 2.1.1. Fundações em Aluvião ... 82.1.2. Fundações em solos residuais saturados ... 9
2.1.3. Fundações em folhelhos e solos do terciário finos ... 9
2.1.4. Fundações em solos moles ... 10
2.1.5. Fundações em areias ... 10
2.2 Recalques de Fundações de Barragens ... 10
2.3 Compressibilidade Intrínseca Do Solo ... 15
2.3.1. Recalque Elástico ... 15
2.3.2. Recalque por Adensamento ... 15
2.3.3. Recalque por Compressão Secundária ... 16
2.4 Fluência ... 16
2.5 Compressibilidade do Solo em Barragens ... 19
2.6 Barragens de Terras ... 21
2.6.1. Barragens de Três Marias ... 21
Projeto e Características ... 23
Maciço da Barragem de Três Marias ... 23
Geologia da Barragem de Três Marias ... 24
Recalques da Fundação da Barragem de Três Marias ... 26
Conclusões dos Recalques da Fundação da Barragem de Três Marias ... 28
2.6.2. Barragem de Juturnaíba ... 28
xiv
Fundação da Barragem de Juturnaíba ... 31
Recalques da Fundação da Barragem de Juturnaíba ... 34
Conclusões dos Recalques da Fundação da Barragem de Juturnaíba ... 34
CAPÍTULO 3 ... 37
ESTUDO DE CASO ... 37
3.1 Barragem do Torto ... 38
3.2 Investigação de Campo ... 40
3.3 Sondagens ... 40
3.4 Materiais de Empréstimo e Ensaios ... 41
3.4.1. Solo Coluvionar (COL) ... 42
3.4.2. Solo Residual (SR) ... 44
3.5 Fundação da Barragem ... 45
3.6 Modelo Geológico-Geotécnico da Fundação e Maciço ... 47
CAPÍTULO 4 ... 53
MODELAGEM NUMÉRICA ... 53
4.1 Análise Numérica ... 53
4.2 Ensaio Triaxial ... 53
4.3 Estudo Tensão Deformação ... 54
4.3.1. Modelo Hiperbólico ... 55
4.3.2. Modelo Cam-clay ... 59
4.4 Parâmetros de Resistências dos Materiais de Empréstimo da Barragem do Torto ... 62
4.5 Modelagem Numérica ... 63
4.6 Parâmetros dos Materiais ... 65
CAPÍTULO 5 ... 69 MODELOS E CENÁRIOS ... 69 5.1 Análises ... 70 5.1.1. Tensões Horizontais ... 70 5.1.2. Deformações Verticais ... 71 5.1.3. Deslocamentos Verticais ... 73 5.1.4. Deslocamento Eixo ... 74 5.1.5. Recalque Fundação ... 76
5.1.6. Estudo Comparativo - Filtro Inclinado versus Filtro Vertical ... 77
xv
5.1.8. Arqueamento – Filtro Inclinado – Cenário 1 – 100% Aluvião ... 83
5.1.9. Arqueamento – Filtro Inclinado – Cenário 3 – 100% Colúvio ... 84
5.1.10. Arqueamento – Filtro Vertical – Cenário 1 – 100% Aluvião ... 85
5.1.11. Arqueamento – Filtro Vertical – Cenário 3 – 100% Colúvio ... 86
5.1.12. Arqueamento – Filtro Inclinado X Vertical – Cenário 1 e 3 ... 87
CAPÍTULO 6 ... 90
CONCLUSÃO ... 90
Troca de Solo da Fundação ... 90
Filtro Inclinado ... 91
Comparação entre os Sistemas de Drenagem ... 92
Sugestões para Novas Pesquisas ... 94
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 95
ANEXOS... 98 ANEXO I - Amostras e Resultados dos Ensaios ... I.I ANEXO II - Seção transversal da barragem ... I.X ANEXO III - Gráficos e Parâmetros ... I.XIII ANEXO IV - Sondagens ... I.XIX ANEXO V - Fotos ... I.XXII
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CAPÍTULO
1
INTRODUÇÃO
1.1 Considerações Iniciais
A economia mundial é impulsionada e afetada pela exploração e comercialização das commodities minerais – petróleo, ouro e minério de ferro. Produtos que contribuem para o desenvolvimento econômico mundial, incluindo o Brasil que, por sua vez, tem seu PIB afetado diretamente pela exploração do Minério de Ferro.
A grande demanda de minério de ferro mundial é liderada pela grande potência da China, um dos maiores consumidores, faz com que a produção do minério de ferro na região de Minas Gerais tenha sido tão intensa ao logo das últimas décadas. Com isso tornam-se necessários grandes empreendimentos vinculados ao processo de beneficiamento do minério de ferro como grandes jazidas de exploração, usinas de beneficiamento, abastecimento de água e disposição de resíduos e rejeitos como, por exemplo, pilhas e barragens.
O processo de beneficiamento de minério de ferro é composto de operações que buscam alterar a granulometria do material, sua concentração, retirada de minerais indesejáveis para o processo e disposição do produto final, minério de ferro e seus resíduos.
Para tal disposição dos resíduos provenientes do processo de beneficiamento utilizam-se estruturas de contenção de sedimentos, por exemplo, as barragens ou pilhas.
O processo de beneficiamento de minério de ferro gera um grande volume de resíduos que necessitam de amplas áreas para sua disposição de forma segura e controlada. Assim as estruturas de armazenamento são construídas próximo aos locais de extração e beneficiamento.
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A Engenharia Geotécnica aplicada à Mineração trabalha para todas as áreas como: exploração e operação de Mina, controle e monitoramento de estruturas de disposição e contenção de sedimentos, construção e engenharia de obras e fiscalização.
As barragens de acúmulo de sedimentos provenientes de beneficiamento de minério de ferro a vem evoluindo constantemente, principalmente, após os acidentes da barragem de Fundão, no ano de 2015, em Mariana - MG (distrito de Bento Rodrigues) e barragem B1, no ano de 2019, em Brumadinho - MG.
Assim, uma Barragem exige uma engenharia geotécnica extremamente refinada e assertiva de modo a minimizar todos os riscos associados ao projeto, construção, operação e monitoramento.
1.2 Justificativa da Dissertação
Atualmente, as construções de novas barragens são objetos de discussão técnica devido a recentes acidentes que remontam a metodologias construtivas aplicadas no passado. Também se destaca que as estruturas de barragem são projetadas para serem utilizadas por um longo período e após sua utilização a estrutura será incorporada ao meio ambiente de forma gradativa e planejada.
A construção de barragens de terra é um processo lento, faseado e que requer um rígido controle tecnológico, envolve uma grande quantidade de equipamentos, pessoas e grande movimentação de terra, além de ocupar uma grande área para a construção e disposição de sedimentos.
Antecedendo a construção de uma barragem inicia-se o processo de engenharia básica (inserir referência...) onde são estudados os fatores relacionados ao ambiente em que ocorrerá a obra, a demanda operacional, as condicionantes ambientais e um pré-dimensionamento das estruturas. Após essa etapa é iniciada a engenharia detalhada que reúne as atividades de investigações geológicas geotécnicas, determinação dos materiais de construção, tipo de barragem, dimensionamento das estruturas, faseamento da construção além dos estudos, cálculos, criação de modelos e análises geotécnicas.
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Uma barragem pode ser subdivida (inserir referência) em estruturas sendo um corpo maciço de terra, uma fundação, um sistema de drenagem interna, um sistema extravasor de água, drenagens pluviais e sistemas de monitoramento e controle.
As fundações das barragens (inserir referência) são situações previstas em projetos baseados em sondagens, mapeamento geológico, investigações de campo e ensaios de laboratório. Porém, durante a fase de construção em muitos casos ocorre certa divergência do projeto com a realidade, podendo ser um problema construtivo e até em muitos casos contratual, entre o cliente e a empresa construtora da barragem.
Assim, esse estudo irá identificar e apontar problemas geotécnicos de barragens de terra construídas sobre solos compressíveis, incorporando os efeitos de arqueamento esperados para os sistemas de drenagem interno inclinado ou vertical.
O estudo irá estudar a barragem de rejeito denominada Barragem do Torto, projetada para contenção e armazenamento dos rejeitos e materiais carreados provenientes das atividades de mineração, na região da mina de ferro de Brucutu, localizada no município de São Gonçalo do Rio Abaixo, no Estado de Minas Gerais.
1.3 Objetivos da Dissertação
Os objetivos desta dissertação são apresentados nas seções abaixo. 1.3.1. Objetivo Geral
O principal objetivo do trabalho é analisar o comportamento e os problemas de fundações de barragens de terra construídas sobre solos compressíveis, identificando, analisando e avaliando os fatores responsáveis pelos problemas apresentados, sempre baseados em projetos, ensaios, e parâmetros obtidos por meio de ensaios e sondagens.
Serão também avaliados os efeitos diferenciais de arqueamento de tensões contemplando o sistema de drenagem inclinado, sem apoio direto na fundação, e vertical, com apoio direto na fundação
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1.3.2. Objetivos Específicos Os objetivos específicos são:
a) Elaborar uma modelagem numérica da barragem do Torto com destaque nas tensões e deformações da estrutura e fundações;
b) Simular o comportamento da fundação da barragem do Torto considerando 3 cenários, sendo o primeiro sem a escavação do solo de baixa competência, o segundo com troca parcial do aluvião pelo colúvio e o útimo com a troca total. c) Avaliar os efeitos diferenciais de arqueamento de tensões contemplando o sistema
de drenagem inclinado e vertical. 1.4 Estrutura da Dissertação
O presente trabalho foi estruturado em 6 capítulos conforme a seguinte distribuição: No Capítulo 1 – Introdução, é descrita a importância do segmento da mineração a nível mundial e nacional, a abrangência da atuação da geotecnia no ramo da mineração, além de descrever os objetivos que impulsionam o presente estudo, a metodologia a ser adotada, além da justificativa que sustentam do tema proposto. Adiante terá a estruturação e divisão dos assuntos abordados nos diferentes capítulos.
No Capítulo 2 – Contextualização Bibliográfica, é apresentada a revisão bibliográfica de algumas barragens de terra construídas sobre solos compressíveis ilustrando suas informações técnicas e os problemas apresentados. Também neste capítulo haverá a revisão bibliográfica dos conceitos da Mecânica dos Solos relacionados à compressibilidade, adensamento, recalque e fundação de barragem de terra.
No Capítulo 3 – Estudo de Caso, tem-se o estudo de caso da barragem do Torto com dados de entrada baseados em ensaios de laboratório, sondagens, investigações e mapeamento geológico-geotécnico.
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No Capítulo 4 – Modelagem Numérica, é realizada uma modelagem numérica através de software para a criação de um modelo com foco no estudo tensão deformação com parâmetros obtidos por meio de ensaios de laboratório e com base em sondagens de campo de ensaios de laboratório.
No Capítulo 5 – Modelos e Cenários, é apresentada uma discussão sobre a modelagem, os cenários adotados e a interpretação dos resultados.
No Capítulo 6 – Conclusão, são expostas as conclusões das análises e sugestões de novas pesquisas.
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CAPÍTULO
2
CONTEXTUALIZAÇÃO BILBIOGRÁFICA
Serão apresentados os conceitos básicos relativos ao tema de estudo, interpretação de ensaios e obtenção de parâmetros, estudo tensão deformação com análise crítica de comportamento, estudo e avaliação de arqueamentos de tensões em sistemas internos de drenagem.
2.1 Fundação de Barragens
As barragens de terra e enrocamento são construídas desde a antiguidade, sendo que a mais antiga é a barragem de Jawa na Jordânia por volta de 3.000 anos a.C., outro exemplo é a barragem Saad El Kafara (Figura 2.1), construída 2.650 a.C., próxima à cidade do Cairo no Egito (Fahlbusch, 2008).
Figura 2.1 - Seção transversal da barragem de El Kafara (adaptado de Fahlbusch, 2008). A Figura 2.1 ilustra a seção da barragem de Saad El Kafara construída com 108 metros de extensão, 14 metros de altura, com um núcleo central de terra, semelhante as barragens de terra-enrocamento atuais, com núcleo argiloso.
As fundações das barragens podem ser constituídas por maciços rochosos ou por solos (inserir referência), sendo também frequente a fundação nos dois tipos, ou até mesmo terrenos de transição. Assim, em qualquer caso a fundação constitui uma unidade estrutural de suporte, devendo suportar as solicitações do conjunto barragem-fundação.
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Em fundações assentadas em solo, CEMIG (1994), é notório ter o conhecimento em:
a) Um adequado conhecimento da permeabilidade, importante para estimar as vazões, através do maciço de fundação e que pode revelar-se decisivo na escolha do sistema a adotar para dominar esses fluxos, incluindo na fase de construção, por razões de eficiência e de economia;
b) Nos solos arenosos, raramente a permeabilidade pode ser medida em laboratório, dada a extrema dificuldade em colher amostras indeformadas, devendo-se por isso realizar ensaios “in situ”, interessando volumes representativos do maciço;
c) Nos maciços com permeabilidade elevada, o domínio total ou parcial dos fluxos percolados e dos gradientes hidráulicos pode efetuar-se, recorrendo a tapetes impermeáveis, trincheiras de vedação, paredes diafragma, filtros e poços de alívio;
d) Os maciços de solos drenantes podem ser susceptíveis de liquefação, devido a ações sísmicas ou sofrer colapso por alterações da sua estrutura;
e) Nos maciços em solos relativamente impermeáveis, deve-se considerar os efeitos dos gradientes hidráulicos e das deformações e assegurar a estabilidade mecânica;
f) A caracterização dos maciços referidos na alínea anterior pode ser efetuada em laboratório ou “in situ”;
g) Nas fundações em solos, os efeitos prejudiciais dos gradientes hidráulicos são normalmente evitados por sistemas de filtros e drenos;
h) O controle dos efeitos das deformações e a obtenção de adequada resistência mecânica podem ser conseguidos por conveniente definição geométrica da barragem e melhoria das propriedades mecânicas dos solos (vibro-flutuação, compactação dinâmica, saturação prévia, pré-carregamento e drenagem).
Dois fatores importantes que incidem na parte econômica da construção de uma barragem são as características geológicas e topográficas da fundação, principalmente porque as características de resistência da fundação podem condicionar a declividades dos taludes.
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Já a permeabilidade e deformabilidade da fundação estão diretamente atreladas na escolha do tipo de barragem, CEMIG (1994).
A compressibilidade dos materiais da fundação devem ser compatibilizados ou adicionados materiais de transição, de modo a reduzir os recalques diferenciais e totais, que venham prejudicar pelo afogamento do tapete drenante, seja pela ocorrência de trincas causadas pelo recalque diferencial, seja pela inversão do gradiente de fluxo no sistema de drenagem, devido a recalques totais excessivos.
Carvalho (2015) diz que as características detalhadas de permeabilidade, resistência e compressibilidade, em destaque a compressibilidade, devem ser bem analisadas para verificação do tipo de barragem.
Costa (2012) menciona que o tipo de barragem será função da caracterização da geologia que compõe a fundação do corpo da mesma e algumas restrições serão determinadas a partir das situações geológicas encontradas.
Segundo Massad (2010) em um estudo na Espanha realizado em 1961, revelou que em 1620 barragens, cerca de 308 (19%) haviam sofrido incidentes sendo que: 40% relacionados com problemas de fundação.
As fundações de barragens podem ter um tratamento que se baseia em um conjunto de operações destinadas a preparar a fundação de cada estrutura para se comportar conforme as características indicadas em projeto, Eletrobrás (2003). Esses tratamentos visam melhorar as condições de contato do material compactado com a fundação, reduzir a permeabilidade da fundação, controlar as sub-pressões e evitar o carreamento de solos para a fundação.
2.1.1. Fundações em Aluvião
Costa (2012) destaca que as fundações em aluviões excluem qualquer possibilidade de se implantar uma barragem de concreto e em barragens de terra pode ocorrer restrições que necessitem de adaptações nos projetos.
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Igualmente uma fundação aluvionar de uma barragem pode apresentar diversos problemas oriundos das texturas dos materiais, como por exemplo: quando houver predominância de cascalho e areia grossa poderá ocorrer problemas relacionados a estanqueidade, já em fundações de areia pura, fina e uniforme poderão surgir problemas relacionados a deformabilidade e estabilidade por estar sujeito ao problema de liquefação. Já em fundações de solos argilosos poderão ocorrer problemas tanto de deformabilidade como estabilidade não só na fundação como no corpo da barragem.
Ainda Costa (2012) sugere que devido aos problemas associados em fundações de solos aluvionares, a melhor solução será a retirada de todo ou parte do material, desde que, isso seja economicamente viável.
Segundo Cruz (1996), as fundações de barragens sobre aluviões devem ter em sua análise de estabilidade um grande cuidado, pois ao se realizar o estudo da estabilidade global, a superfície de ruptura deve passar pelo aluvião e em relação aos deslocamentos, estes podem chegar na ordem de 2% da altura da camada aluvionar, sendo que a maior parte ocorrerá durante o processo construtivo.
2.1.2. Fundações em solos residuais saturados
Cruz (1996) alerta que há uma grande dificuldade em solos residuais saturados, com uma variação de SPT de 5 a 10 golpes em média é o processo de escavação, pois os equipamentos utilizados podem apresentar problemas durante o tráfego sobre o solo. O usual é a utilização de equipamentos apropriados, utilização do apoio de cotas mais altas e também a aplicação de um forro ou a execução de aterros de conquistas, quanto necessários.
2.1.3. Fundações em folhelhos e solos do terciário finos
Não há registros de problemas em barragens brasileiras assentadas sobre esses materiais, porém há de se verificar segundo Cruz (1996) nas áreas de implantação se há indícios de
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escorregamentos sugestivos de ruptura do terreno que possam ser associados à mobilização de resistências residuais.
2.1.4. Fundações em solos moles
As barragens sobre solos moles necessitam de bermas de estabilização o que resultam em taludes médios extremamente abatidos, como é o caso da barragem de Juturnaíba (Cruz, 1996).
2.1.5. Fundações em areias
Destacam-se nas barragens apoiadas em areias o controle de fluxo e um sistema adequado de controle e o potencial de liquefação.
2.2 Recalques de Fundações de Barragens
De acordo com Cruz (1996) os recalques observados nas barragens são muito superiores aos recalques calculados pela teoria clássica do adensamento podendo ser de duas a seis vezes maiores como, por exemplo, nas barragens de Ilha Solteira, Itaipu e Tucuruí. Já os cálculos através da modelagem numérica são mais precisos desde que os parâmetros de entrada sejam reais e baseados em ensaios de laboratório.
Os recalques nas fundações de barragens de terra devem ser avaliados, pois essa situação levará a perda de altura da barragem o que poderá comprometer sua segurança ao risco de galgamento. Assim um aumento em sua altura de segurança pode compensar o adensamento. Entretanto deve-se ter um controle da compactação durante a obra e acompanhamento das deformações durante a construção para garantir a segurança da obra.
Deste modo, no plano de instrumentação de barragens de terra deve-se dar uma atenção especial para o monitoramento durante o período construtivo para subsidiar as questões
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de segurança. Por isso é inserida como exemplo uma série histórica de Silveira (1983) de recalques totais observados em maciços compactados (Tabelas 2.1 e 2.2).
Tabela 2.1 - Série Histórica de Recalques - Parte 1 (Silveira, 1983) Barragem Tipo de Solo (origem geológica)
Índices Físicos Compactação Recalque (cm) Recalque durante a construção (%) LL (%) LP (%) ymáx w otm Observado Previsto* ML BI Ilha
Solteira (basaltos e arenitos) Coluvionar 44 17 1,68 21
61 50 33 28 95 77 58 33 105 165 71 51 95 95 100 98 Água
Vermelha Coluvionar (basaltos) 42 13 1,76 18
5,5 6,6 49 - - 73 73 83 Volta
Grande residuais (basalto) Coluvionar e 50 20 - - 26 - - 85 Itumbiara Coluvionar (basaltos) 55 58 28 28 1,59 1,63 24 27 190 127 - - 81 93 Xavantes Coluvionar (basaltos) 53 26 1,61 24 42 - - 71
Euclides
da Cunha Residuais (gnaise) 39 8 1,47 1,91 nov/28 93 - - 92 Jacarei Coluvionar (gnaise) 67 32 1,47 27,6 40 - 86 96 Paraibuna residual (biotita) Coluvionar e 47 NP 1,65 17,5 80 55 98 60 93
Paraitinga Coluvionar e residual (biotita-gnaise) 70 33 1,53 27,5 35 100 135 105 128 75 94
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Tabela 2.2 - Série Histórica de Recalques - Parte 2 (Silveira, 1983) Barragem Tipo de Solo (origem geológica)
Recalque (cm) Recalque Específico (%) (cm/m/kgf/cm²) Porcentagem de recalque durante a construção Observado Previsto Três Marias
70m Solo residual e alteração de rocha (siltito)
27,5 117,5
140 Euclides da
Cunha63m Tálus com blocos de gnaise 100 550 80
Jurumirim
15,9m Solo residual e alteração de rocha (arenito)
52 4,5 - 90,5 7,7 2,3 2,16 0,176 Jaguari (CESP) 76m
Solo residual de biotida-ganaisse 24,5 8 0,295 0,144 89 100 Promissão
22m Solo coluvionar e solo de alteração de arenito 20,4 30 23
Ilha Solteira 70m M.D. 55m M.E.
Solo residual e alteração de rocha (basalto) 2,6 2,3 4,2 4,6 6,1 6,6 6,6 3,0 37 24 13 6 15 16 21 11 1 0,792 0,667 0,600 0,455 88 93 71 78 75 65 76 70 Porto Colômbia
59m Solo de alteração de basalto *1,0 Volta Grande
49m Solo coluvionar e residual de basalto 26 2 100-16 100-24 Água
Vermelha 54m M.D. 63m M.E.
Solo residual e alteração de rocha (basalto) 10,8 12,9 29,8 0,257 0,230 0,473 85 98 100 Três Irmãos Alteração de rocha (basalto) 3,4 0,115
Tucuruí 100m
Saprolitometabasito 38 0,125 0,333 Terraço aluvial mais
saprolito de filito 20,5 1,6 a 6,8 vezes 0,075 0,090 0,080 Diabásio maduro e solo
saprolítico 7 1,170 0,125 0,208 Saprolito de filito 28,6 0,150 0,133 Saprolito de metassedimento 14
Pelos trabalhados supracitados o máximo deslocamento ocorre próximo à meia altura da barragem, devido a uma combinação favorável entre a camada subjacente e a pressão devida ao aterro sobrejacente. As camadas inferiores, embora sujeitas a elevadas pressões verticais, são de menor espessura e recalcam menos. Já no trecho superior as pressões são pequenas, apesar da grande espessura acumulada, e os recalques são também menores.
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A utilização de ensaios de laboratório para a obtenção de módulos de deformabilidade ou de compressibilidade pode conduzir a previsão de deslocamentos em muito superiores aos que ocorrerão na barragem, devido à três fatores básicos, que seriam:
a) Medida incorreta das deformações resultantes da compressibilidade do próprio equipamento utilizado.
b) Impossibilidade de reproduzir em laboratório o estado de tensões que ocorrerá no maciço e suas fundações.
c) Utilização de amostras moldadas em laboratório que têm uma estrutura diferente da resultante da ação dos equipamentos de campo. Mesmo quando se utilizam amostras talhadas de blocos indeformados, há a dificuldade de se avaliar as variações volumétricas que ocorrem no processo de amostragem (desconfinamento) e transporte (perda de umidade e até quebra da estrutura).
Ferreira (1993) apresenta resultados de ensaios de adensamento procedidos num solo poroso, com medidores da deformabilidade global e da deformabilidade efetiva, ou seja, da deformabilidade do solo descartada da deformabilidade do equipamento.
É surpreendente constatar que os equipamentos usuais de laboratório possam responder por cerca de 20% da deformabilidade medida. Calculando-se os módulos de compressibilidade para a deformação efetiva e a deformação global, chega-se aos seguintes valores:
Ed = 83 kg/cm² (p/ 1kg/cm²) e 250 kg/cm² (p/ 10kg/cm²) – efetiva Ed = 40 kg/cm² (p/ 1kg/cm²) e 167 kg/cm² (p/ 10kg/cm²) – global
Moreira (1985) mostra resultados de ensaios edométricos procedidos em amostras de solo residual de metassedimento (Barragem de Tucuruí – PA) compactadas em laboratório e moldadas de blocos indeformados retirados da barragem. Na Figura 2.2 são mostradas medidas de deformações observadas na barragem.
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Figura 2.2 - Deformação vertical x tensão vertical (1) (Cruz, 1996).
Na Figura 2.3 são mostrados resultados de ensaios triaxiais tipo PN (σ3/ σ1) = constante), comparados a medidas de deslocamentos verticais da barragem.
Figura 2.3 - Deformação vertical x tensão vertical (2) (Cruz, 1996).
Das figuras apresentadas é possível constatar a imprecisão na previsão de recalques quando se recorre a ensaios usuais de laboratório.
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2.3 Compressibilidade Intrínseca do Solo
Marangon (2009) diz que compressibilidade é uma característica que todos os materiais possuem de se deformarem quando submetidos à aplicação de uma força extrema. Nos solos podem ocorrer dois tipos de deformações: as deformações volumétricas que são denominadas compressões e as deformações de forma também chamadas de distorções.
As compressões são um processo pelo qual a massa de solo sob a ação de uma determinada carga varia seu volume inicial, porém mantendo sua forma constante. Já as distorções são deformações pelo qual uma massa de solo também sob a ação de uma determinada carga muda sua forma, porém mantendo seu volume constante.
O adensamento é um processo de deformação que os solos estão sujeitos e que consiste na redução gradual do volume do solo saturado devido a movimentação e drenagem da água localizadas nos espaços vazios da estrutura do solo.
2.3.1. Recalque Elástico
O recalque elástico ou recalque imediato, segundo Marangon (2009) está associado a deformações elásticas cisalhantes a volume constante logo após a construção do aterro sobre o terreno, sem qualquer alteração no teor de umidade.
2.3.2. Recalque por Adensamento
Ainda Marangon (2009) menciona que o recalque por adensamento ocorre quando a água intersticial localizada na camada de solo compressível escapa, de forma tridimensional, diminuindo os vazios do solo e, consequentemente, o volume total do solo em todas as direções. Caso a camada de solo esteja confinada haverá a diminuição na altura.
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2.3.3. Recalque por compressão secundária
Ocorre em solos coesivos sendo um fenômeno do resultado de um ajuste plástico da estrutura do solo que ocorre sob tensão efetiva constante.
2.4 Fluência
Mitchell (2005) menciona que a fluência é quando o solo submetido a uma carga constante se deforma ao logo do tempo e o inverso dessa situação pode ser entendido como relaxamento. Tanto fluência como relaxamento são duas consequências do mesmo fenômeno que são a relação do tempo com o carregamento e as alterações nas estruturas do solo.
As deformações dependentes do tempo são importantes em problemas geotécnicos nos casos em que em longo prazo ocorra variação no comportamento como, por exemplo, o assentamento de estruturas sobre solos compressíveis, deformações de estruturas de terra, movimentos de encostas e taludes, obra escavadas como túneis, entre outras.
A consequência da deformação do solo em função do tempo pode assumir diversas formas de patologias devido às interações complexas entre as estruturas do solo, histórico de carregamentos, condições de drenagem, mudanças de temperatura e pressão além das ações dos intemperismos.
Esses fenômenos de deformação do solo correlacionado ao tempo são importantes não apenas para conhecimento da causa na aplicação de problemas práticos, mas também porque os resultados podem ser utilizados para obter informações fundamentais da estrutura do solo, ligação interparticula e os mecanismos de controle do comportamento de força e deformação.
Como pode ser observado na Figura 2.4, fluência é a relação do tempo com o carregamento podendo ocorrer como forma de cisalhamento e/ou deformações volumétricas a uma taxa controlada da resistência viscosa do solo.
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Figura 2.4 - Relação entre fluência e tensão (Mitchell, 2005).
A fluência mostrada na Figura 2.4 pode ser dividida em três estágios. Após a aplicação de uma tensão, ocorre o primeiro período da fluência transitória durante o qual a linha da taxa diminui com o tempo, seguido por uma fluência em quase uma taxa constante por algum período. Para materiais suscetíveis a ruptura por fluência, a taxa então acelera levando a falha. Esses três estágios são denominados primários (Primary), secundários (Secondary) e fluência terciária (Tertiary).
Essa relação do tempo com a fluência, ou Creep pode ser representada por curvas lineares, côncavas ou convexas conforme imagem a seguir (Figura 2.5):
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Figura 2.5 - Relação do tempo com a fluência (Mitchell, 2005).
Mitchell (2005) menciona que a pressão dos poros pode aumentar, diminuir ou permanecer constante durante a fase de fluência, dependendo da alteração do volume do solo e da condição de drenagem durante o processo de deformação. Em geral maciços de argilas sensíveis saturados sob condições não drenadas são mais suscetíveis à perda de resistência durante a fluência devido a redução da tensão efetiva causada pelo aumento da pressão da água nos poros com o tempo. Apesar disso, argilas superconsolidadas sob condições drenadas também são suscetíveis à ruptura por fluência devido ao amolecimento associado ao aumento de água por inchaço ou dilatação.
Cr ee p St ra in n (% ) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 0.1 1.0 10 Time (min) 100 1000 10.000 Silty Clay 50% of failure stress W=19% yd 108 PCF
Compacted Silty clay-50% of failure stress w-=19%, yd 109 PCF
Silt clay – saturated after kneading
Compaction 50% of failure stress Undisturbed Osaka clay
Saturated Hlite
Cucaracha clay shale Jordan Buff Natural clay-60% of failure stress
W=24,1% yd 100 PCF
Silty clay – static compaction 50% of failure stress W=19,3%, yd 108 PCF
Bentonite w=384%
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2.5 Compressibilidade do Solo em Barragens
Os materiais que compõem o maciço da barragem e os materiais de fundação sofrem deformações devido às solicitações aplicadas que podem ser explicados pelas teorias da elasticidade e plasticidade a os modelos reológicos.
ELETROBRÁS (2003) utiliza estudos simplificados de recalques da fundação através de soluções analíticas da Teoria da Elasticidade.
As investigações geológicas-geotécnicas juntamente com os ensaios de laboratório irão prover os parâmetros de compressibilidade e de deformabilidade dos materiais do maciço e da fundação. Com a fase de construção do maciço da barragem os recalques vão ocorrendo, sendo divididos em recalques da fundação, recalque do maciço e recalques diferenciais.
Esses recalques podem prejudicar o comportamento do maciço e que por sua vez devem ser previstos em projeto, e minimizados através de técnicas construtivas para que os seus efeitos não comprometam a segurança da estrutura.
Os recalques da fundação e do aterro serão observados na crista da barragem, enquanto os recalques diferenciais terão sua magnitude observada através de trincas no corpo da barragem.
Também é um fato que deformações rápidas são observadas em solos arenosos ou solos argilosos não saturados, enquanto em solos argilosos saturados os recalques são muito lentos, pois é preciso a expulsão da água dos vazios do solo.
Pode-se dizer que a deformabilidade do solo está diretamente relacionada a compressibilidade e que o efeito da deformação pode ser representado pelo recalque uniforme ou diferencial. Assim se em uma fundação a deformação for em uma única direção será dita uniforme e para variações em diferentes trechos da deformação será dita diferencial.
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Uma citação de Costa (2012) é que a compressibilidade ocorre de forma mais intensa em solos moles e solos porosos e colapsíveis. Os solos moles são representados por argilas, areias argilosas e siltes argilosos. Já os solos porosos são aqueles que apresentam macroporos visíveis a olho nu com alto grau de porosidade e baixo teor de umidade. As análises de recalque, bem como as análises de tensão x deformação em projetos de barragem, tem por finalidade:
a) Verificar a compatibilidade de deformações entre os diversos materiais constituintes da barragem, de suas fundações e estruturas adjacentes;
b) Avaliar o potencial de ocorrência de ruptura progressiva do maciço e da fundação;
c) Otimizar a posição do núcleo, no caso da barragem de seção mista;
d) Analisar os riscos de fissuramento do núcleo, ocasionado por zonas de tração ou por fraturamento hidráulico;
e) Subsidiar o projeto de instrumentação, identificando os pontos críticos a serem instrumentados;
f) Otimizar o projeto de escavações, de modo a manter os recalques diferenciais, dentro de níveis admissíveis;
g) Determinar a sobre-elevação da crista para compensação de recalques pós-construtivos.
Existe um grande conteúdo histórico da literatura (Cruz, 1996) de compressibilidade de solos obtidos de diferentes medidas em barragens.
A Tabela 2.3 apresenta um acervo de dados “de campo” permitindo prever de forma preliminar os deslocamentos verticais esperados em barragens de terra, ou em núcleos de barragem de enrocamento. Para cada caso e para cada pressão são apresentadas três grandezas: recalque percentual relativo à altura de camada; recalque específico; e módulo de deformabilidade.
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(1) – o recalque percentual relativo a altura de camada % (2) – o recalque específico .
(3) – o módulo de deformabilidade.
Tabela 2.3 - Dados de recalque e módulo de deformabilidade (Cruz, 1996)
Barragem Material Grandeza Pressão Vertical (kg/cm²)
1 2 4 6 10 Capivara H = 60m Solo residual de basalto compactado Δh (*) < 0 “seco” 1 2 3 0 0 - 0,08 0,04 2500 0,40 0,04 2500 0,80 0,13 500 2 0,20 200 Capivara H=60m Solo residual de basalto compactado Δh (*) > 0 1 2 3 0 0 - 0,38 0,19 526 0,90 0,225 444 1,30 0,21 461 2,10 0,21 461 Salto Osório H=65m Solo residual de basalto compactado Δh (*) > 0 1 2 3 0 0 - 0,20 0,10 1000 1,20 0,30 333 1,60 0,266 375 Paço Real H-58m Solo residual de basalto compactado úmido Δh (*) > 0 1 2 3 1,8 0,30 333 2,0 - 4,0 0,20 - 0,40 500 - 250 Pedra do Cavalo H-140m Solo Compactado 1 2 3 0,05 0,05 2000 0,20 0,10 1000 0,70 0,175 571 1,60 0,266 375
Legenda: (*) – Δh: variação de umidade
2.6 Barragens de Terra
Dentre os diversos tipos de construções de barragem (barragem de concreto gravidade, barragem de concreto contrafortes, barragem de concreto arco duplo, barragem de terra-enrocamento), as barragens de terra homogênea são as mais usuais no meio da mineração, seja pela condição topográfica ou pela disponibilidade de materiais. A seguir serão apresentados dois casos de barragem de terra e seus respectivos dados e problemas geotécnicos.
2.6.1. Barragem de Três Marias
A Usina Hidrelétrica de Três Marias está localizada no Rio São Francisco na porção central do estado de Minas Gerais e teve por objetivo múltiplas funções como controle de enchentes, navegação, irrigação e geração de energia elétrica (Carim, 2007).
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A construção do empreendimento durou cerca de 4 anos entre os anos de 1957 a 1961 e seu projeto foi inicialmente elaborado pela empresa Servix Engenharia e complementado pela empresa Norte americana InternationalEnginneringCo (Mello, 2014). Destaca-se a participação do professor Arthur Casa Grande como consultor para o projeto de fundação e aterro da barragem (Carim, 2007).
Outro ponto de importante citação foi a presença de Jack Hilf na obra em 1957 aplicando seu então novo Método de HILF para controle de compactação. Logo após essa histórica aplicação, seu método se espalhou para quase todas as barragens brasileiras até meados da década de 70 quando foi substituído pelo Hilf-Proctor (Cruz, 1996). Abaixo, pode-se conhecer melhor a UHE de Três Marias, nas Figuras 2.6 e 2.7.
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Figura 2.7 - Vista área da UHE de Três Marias (CEMIG). Projeto e características
O projeto do barramento compreende os seguintes números: 2.700 metros de comprimento, 70 metros de altura, 13.000.000 m³ de aterro compactado, 947.000 m³ de enrocamento e 250.000 m³ de areia para o sistema de drenagem interna.
Maciço da Barragem de Três Marias
A barragem da UHE de Três Marias, classificada como uma barragem homogênea, é composta de diferentes materiais, sendo composta por 3 zonas distintas incluindo o núcleo e uma zona 4, externa ao corpo da barragem.
Como apresentado nas Figuras 2.8 e 2.9, o trecho da ZONA 1 é composto de argila laterítica vermelha, já na ZONA 2 é composto de siltes arenosos ou argiloso e na ZONA 3 foram utilizados vários tipos de solo contendo quantidades consideradas de pedregulho. E por fim na ZONA 4 materiais locais disponíveis sendo materiais úmidos, secos e até mesmo com a presença de material orgânico.
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Figura 2.8 - Seção da barragem do leito do rio de Três Marias (Carim, 2007).
Figura 2.9 - Seção da barragem sobre os condutos de Três Marias (Carim, 2007). Geologia da Barragem de Três Marias
Segundo Carim (2007) pode-se dividir a fundação da Barragem de Três Marias, conforme Figura 2.10, em quatros grupos, com características de natureza complexa e distintas sendo; ombreira direita uma região de rocha decomposta, leito do rio com presença de rocha sã, a planície de inundação da margem esquerda com uma camada de argila orgânica e pôr fim a ombreira esquerda com camadas de areia e cascalho além de material residual.
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Figura 2.10 - Seção geológica da barragem de Três Marias - detalhamento das camadas de cascalho da fundação (Carim, 2007).
Destaca-se que as curvas recalques x tempos, por Carim (2007) “mostraram que 86% do recalque total tenderia a ocorrer quase imediatamente após a aplicação da sobrecarga devido aos elevados valores do índice de vazios. Para uma melhor avaliação das consequências dos grandes recalques previstos, foram estimados os recalques diferenciais específicos, ou seja, os recalques diferenciais por unidade de comprimento, para determinados pontos de seções transversais da barragem e de uma seção longitudinal passando pelo eixo da mesma. Nessas estimativas foi considerada a remoção de 2m mais superficiais da argila porosa”.
Carim (2007) menciona “estes recalques foram admitidos como extremados e não passíveis de danos à barragem, uma vez que foram quantificados sem se levar em consideração os efeitos da compactação superficial com o rolo pneumático da camada porosa. Na direção do eixo da barragem, os recalques diferenciais específicos estimados foram sistematicamente menores. Para a região do núcleo, composta de material muito mais plástico e sujeito a recalques diferenciais de menor valor, não foi prevista a possibilidade de fissuramentos induzidos por recalques e hipótese similar foi adotada para as seções longitudinais, uma vez que, além dos recalques diferenciais específicos apresentarem-se reduzidos, a continuidade de eventuais fissuramentos seria restringida pelo próprio dreno vertical de areia da barragem de Três Marias”.
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Ainda Carim (2007) destaca em seu trabalho que se pode resumir que para o tratamento de fundação dessa região foi realizada a remoção de 2 metros da argila porosa e compactação da camada remanescente.
Recalques da Fundação da Barragem de Três Marias
Foram instalados medidores de recalque após a remoção de uma espessura de 2 metros da fundação e posteriormente foram instalados medidores já durante o aterro na direção paralela ao eixo da barragem. Após 400 dias de leitura e aferição constatou e confirmou as previsões dos recalques teóricos, sendo que a argila porosa da ombreira esquerda teve uma compressão instantânea, da ordem de 70% dos valores obtidos em ensaios.
Após o enchimento do reservatório em setembro de 1961 e conclusão do aterro foi realizada nova leitura dos marcos obtendo os seguintes recalques:
a) Recalque máximo de 1,36m registrado na zona do eixo da barragem; o recalque diferencial máximo específico foi de 1:79.
As Figuras 2.11 e 2.12 ilustram as medidas dos recalques ao longo das seções e ao eixo da barragem.
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b) Longitudinalmente, o recalque máximo registrado foi de 0,93m e o recalque diferencial específico máximo ocorrido na seção longitudinal foi de 1:167.
Figura 2.12 - Perfis de recalque para a seção longitudinal da barragem (Carim, 2007). As Figuras 2.13 a 2.15 ilustram os recalques de fundação medidos por meio de medidores instalados na seção longitudinal ao eixo da barragem.
Figura 2.13 - Recalque de fundação medidos por meio de medidores instalados na seção transversal ao eixo da barragem (Carim, 2007).
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Figura 2.14 - Recalques de fundação medidos por meio de medidores instalados na seção longitudinal ao eixo da barragem (Carim, 2007).
Figura 2.15 - Perfil longitudinal da barragem e da evolução dos recalques superficiais (Carim, 2007).
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Conclusões dos recalques da fundação da Barragem de Três Marias
Carim (2007) destaca em seu trabalho que os recalques diferenciais ocorridos na barragem podem ter induzido trincas internas cujo resultado mostrou na seção da barragem valores de recalques da ordem de 136 cm em uma camada de argila com 7 metros de espessura. Já longitudinalmente a barragem o recalque máximo registrado foi de 93 cm.
2.6.2. Barragem de Juturnaíba
A barragem de Juturnaiba foi erguida a cerca de 78 km das nascentes do Rio São João, em Silva Jardim - RJ e Araruama - RJ, Região dos Lagos, pouco acima da confluência do canal do Revolver com o rio principal. A barragem assenta-se entre os morros do Madureira e Crioula, que constituem as suas “ombreiras”. Construída transversalmente ao Rio São João, ela é composta de dois diques de terra compactada com 3.400m de comprimento total, cuja crista se situa na cota de 11m. No meio, há um vertedouro em concreto do tipo zigue-zague, com 710m, dispondo de quatro elementos. Em ambos os lados do vertedouro foram construídas duas tomadas de água. Pelo vertedouro, através das comportas, as águas da represa são escoadas para o canal retificado a jusante. O projeto da barragem de Juturnaíba foi desenvolvido pela empresa de Engenharia Gallioli e as obras de construção da barragem foram executadas pela empresa Queiroz Galvão entre 1978 e 1984. A empreitada sofreu diversos atrasos devido à interrupção constante da liberação de verbas, aos problemas enfrentados pela instabilidade dos solos nos locais previstos para instalação das fundações e pela falta de áreas adequadas para extração de terra e pedra requeridas para construção da barragem. Em 1982 iniciou-se o enchimento da represa, cujo nível de água operacional foi atingido em 1984, ano em que as obras foram dadas por concluídas.
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Projeto e características
O local de implantação da barragem de Juturnaíba (Figura 2.16) situa-se em região onde se distinguem dois aspectos geomorfológicos: a planície aluvionar e as “ilhas” morros e serras, conforme descreve Borges (1991).
Figura 2.16 - Localização da Barragem de Juturnaíba (Borges, 1991).
Borges (1991) descreve que a planície apresenta leve inclinação NW para SE (do lado de Poço das Antas) em direção a São Vicente de Paula, desenvolvendo-se no local das obras entre as cotas 6,70 e 3,40 metros aproximadamente e formada por sedimentos aluvionares recentes, depositados pelo Rio São João, seus formadores e seus afluentes. Os rios percorrem a planície formando meandros, lagoas secas e braços mortos.
As "ilhas" são denominações locais dadas aos morrotes que sobressaem na planície e alcançam, nas imediações do eixo da barragem, cotas máximas da ordem de 45 m (ilhas das Crioulas) e 56 m (ilha do Madureira). São extensíveis isoladas pela erosão dos terrenos que formam o embasamento cristalino da área, constituído por rochas gnáissicas pré-cambrianas e que formam os morros e serras da região.
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A barragem foi construída de forma zonada apresentando trecho com extensão aproximada de 1300 metros com fundação sobre solos argilosos orgânicos moles. A construção foi feita por etapas, por motivos de estabilidade, no período de 2/6/1981 a 8/2/1983. Destaca-se que houve a remoção de 3 a 4 metros desde o início da berma de montante até a berma de jusante situada na cota 7,5m, conforme Figura 2.17:
Figura 2.17 - Seção transversal Trecho V Estaca 40 (Borges, 1991). Fundação da barragem de Juturnaíba
O aluvião de fundação pode atingir 22 metros de espessura e foram detectadas lentes de argila orgânica, turfa e argila arenosa preta. Assim houve uma divisão da seção da barragem em três trechos (Figura 2.18):
Figura 2.18 - Seção transversal da barragem de Juturnaíba – Trecho 1 (Borges, 1991).
Nos trechos III, III-1 e III-2 a barragem apoia-se sobre 12 metros de argila mole e turfa. As investigações de campo e laboratório mostravam uma resistência não drenada entre 5 e 12 kPa.
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Para esses valores Cruz (1996) sugere que seria necessário um talude médio de 8(H): a 10(H): 1(V), incluindo as bermas, como é possível ver na Figura 2.19:
Figura 2.19 - Seção transversal da barragem de Juturnaíba – Trecho III (Cruz, 1996). Como parte do estudo do projeto da barragem foi executado um aterro experimental de campo conforme ilustrado (Figura 2.20) com a seção transversal e perfil geotécnico, próximo ao local da obra. A previsão era de que, com talude 2 (H):1 (V), o aterro, ao atingir 6,5m de altura, romperia. Essa expectativa foi frustrada, pois apesar de apresentar recalque de 1 m o aterro foi alterado até 9,5m sem ruptura generalizada.
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Figura 2.20 - Perfil geotécnico - Seção transversal (Coutinho, 1986).
As retroanálises e a interpretação dos dados de instrumentação levaram a um valor médio de resistência não drenada do solo mole maior que 17,5 kPa. Esse valor foi adotado no projeto da barragem e das bermas com um fator de segurança de 1,2.
O talude médio da barragem foi da ordem de 6 (H):1 (V). Em relação ao projeto original foram economizados 400.000 m³, ou seja, 27% do volume inicialmente previsto.
Cruz (1996) ainda refere que barragens apoiadas em solos moles requerem bermas de estabilização, que resultam em taludes médios extremamente abatidos. Isso pode ser observado na Figura 2.21:
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Recalques da fundação da barragem de Juturnaíba
Cruz (1996) menciona que no caso da barragem de Juturnaíba há medidas de recalques diferenciais específicos de até 1/45 entre duas seções da barragem apoiadas em formações que contém vários estratos arenosos, que praticamente desaparecem na seção seguinte. Essas deformações diferenciais podem gerar trincas no maciço compactado, dando origem a fluxos concentrados de água que devem ser controlados pelo sistema de drenagem interna.
Conclusões dos recalques da fundação da barragem de Juturnaíba
Borges (1991) apresenta resultados das curvas de recalque versus tempo medidas e calculadas com e sem compressão secundária referentes às estacas 15, 20,25 e 30 (Figuras 2.22 e 2.23).
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Figura 2.23 - Recalques totais medidos e calculados - Estaca 20 (Borges, 1991). Borges (1991) conclui que os valores calculados, considerando a compressão secundária, apresentam-se próximos aos valores medidos para as estacas 15 e 30 e um pouco superiores para os das estacas 20 e 25.
Já Cruz (1996) em seu livro menciona que no trecho da barragem de Juturnaíba, fundado em argila mole foram registrados deslocamentos horizontais de até 28 cm. Estes se desenvolveram num processo de velocidades crescentes, indicando um princípio de ruptura.
Assim houve a necessidade de criação de uma berma de elevação de 5,5 m com o fim de restabelecer o equilíbrio. Os deslocamentos medidos nas etapas seguintes da obra guardaram uma distorção angular considerada segura e podem ser observadas na Figura 2.24 a seguir.
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CAPÍTULO
3
ESTUDO DE CASO
A barragem do Torto (Figura 3.1) será implantada no município de Barão de Cocais, estado de Minas Gerais. A estrutura teve sua construção iniciada em 2018 e deve começar a operar a partir de outubro de 2020, ela tem como objetivo receber os rejeitos de minério de ferro gerados na mina de Brucutu.
Além da função de receber os rejeitos de minério de ferro gerados na mina de Brucutu, a barragem do Torto terá a função de recircular água na planta da mina para suprir as necessidades operacionais.
Figura 3.1 - Arranjo do Projeto Detalhado da barragem do Torto sobreposto em imagem aérea e a barragem de Laranjeiras na porção oeste da imagem (Google Earth, acessado
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3.1 Barragem do Torto
A barragem do Torto está sendo implantada na bacia hidrográfica do córrego do Torto, cerca de 2,6 km ao norte das instalações industriais da Mina de Brucutu a leste da barragem de Laranjeiras, localizadas no município de São Gonçalo do Rio Abaixo/MG, aproximadamente 105 km a leste de Belo Horizonte/MG (Figura 3.2).
Figura 3.2 - Localização da área de implantação da Barragem do Torto (Google Earth, acessado em 2018).
A estrutura, a ser implantada em solo compactado, possuirá crista na EL. 718,00 m, 10 m de largura de crista e comprimento da ordem de 540 m. Os taludes de montante e jusante foram definidos com inclinações de 2,20H:1,00V, sendo o talude de montante em talude único e o de jusante com bermas de 3,00 m a cada 10,00 m de desnível. A altura da barragem será da ordem de 55 m, sendo o volume geométrico do maciço, incluindo elementos de drenagem interna, da ordem de 1.670.000 m³. Os taludes de jusante, inclusive bermas, serão revestidos com grama em placa e o de montante, em talude único, protegido com transição ampla e enrocamento (rip-rap).
