dissertação perda d'Água
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Ensaios de perda d'águaTRANSCRIPT
EVANGELISTA CAETANO PORTO
CRITÉRIO PARA DETERMINAÇÃO DE VAZÕES PELA FUNDAÇÃO
DE BARRAGENS COM BASE NOS ENSAIOS DE PERDA D’ÁGUA
O CASO DA USINA HIDRELÉTRICA DE ITAIPU
Dissertação apresentada como requisitoparcial para obtenção do grau de Mestreem Construção Civil, pelo Programa dePós-Graduação em Construção Civil daUniversidade Federal do ParanáPPGCC/UFPR.
Orientador: Professor Ney AugustoNascimento, PhD.
CURITIBA/PR
OUTUBRO - 2002
ii
iii
DEDICATÓRIA
Aos familiares pela compreensão,
apoio e incentivo, essenciais para a
elaboração deste trabalho
iv
AGRADECIMENTOS
À ITAIPU BINACIONAL pela oportunidade de retornar ao caminho do
aprendizado acadêmico, após 26 anos dedicados à construção das barragens de São
Simão (GO) e Itaipu (PR).
Aos professores da UFPR, em especial ao Prof. Ney Augusto Nascimento,
orientador deste trabalho e Profos. Alberto Pio Fiori e Alessander Cristopher Morales
Kormamm, membros da banca examinadora.
Aos professores tutores, colegas do curso PPGCC e engenheiros consultores
da ITAIPU BINACIONAL, de quem sempre recebi apoio para solucionar problemas
de diversas natureza.
Aos colegas de trabalho pelo incentivo e, em especial, ao engenheiro
Ademar S. Fiorini pela permanente colaboração, sem restrição de horário, que permitiu
a estruturação do trabalho com conteúdo técnico-científico. E em particular aos
colegas de Dissertação Claudio Issamy Osako e Miguel Angel López Paredes pelo
apoio em todas as fases do trabalho.
À Deus pela vitória deste momento. Obrigado, Senhor.
v
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 - ESCALA DE TEMPOS GEOLÓGICOS.............................................................................. 8FIGURA 2 - MAPA DO PARANÁ E ÁREA DE MATAS DE ARAUCÁRIA........................................ 10FIGURA 3 - MAPA DA BACIA DO PARANÁ E ÁREA DE OCORRÊNCIAS DE
DERRAMES BASÁLTICOS................................................................................................ 14FIGURA 4 - ITAIPU - CORTINA DE INJEÇÃO NA OMBREIRA DIREITA ....................................... 18FIGURA 5 - ARRANJO DAS CORTINAS DE INJEÇÃO E DRENAGEM NA REGIÃO
DO LEITO DO RIO.............................................................................................................. 20FIGURA 6 - CRITÉRIOS DE SUBPRESSÃO DO TVA ......................................................................... 22FIGURA 7 - CRITÉRIO DE SUBPRESSÃO DO BUREAU OF RECALMATIONS(USBR)................. 22FIGURA 8 - SUBPRESSÃO MEDIDA NA FUNDAÇÃO DE UMA BARRAGEM DE
GRAVIDADE....................................................................................................................... 23FIGURA 9 - EXEMPLOS DE SUBPRESSÃO - ESTUDO DE CASOS DE BARRAGENS
DA EUROPA........................................................................................................................ 26FIGURA 10 - BLOCO MAIS ALTO DE ITAIPU ..................................................................................... 31FIGURA 11 - ESQUEMA DE MONTAGEM DOS EQUIPAMENTOS DE ENSAIOS............................ 32FIGURA 12 - FOLHA DE CAMPO DE ANOTAÇÕES DO ENSAIO DE PERDA D'ÁGUA.................. 37FIGURA 13 - CIRCUITOS DE MONTAGEM DO ENSAIO DE PERDA D'ÁGUA
(ESCOLAS AMERICANA E EUROPÉIA) ......................................................................... 38FIGURA 14 - PARÂMETROS UTILIZADOS NO CÁLCULO DO ENSAIO DE PERDA D'ÁGUA .................... 41FIGURA 15 - ÁBACO COM HASTE DE PERFURAÇÃO AW (15,9 mm) E OBURADOR 1"
(25,4 mm)................................................................................................................................ 46FIGURA 16 - ÁBACO COM HASTE DE PERFURAÇÃO NX (76,2 mm) E OBTURADOR DE 1"
(25,4 mm)................................................................................................................................ 47FIGURA 17 - ÁBACO COM TUBULAÇÃO φ 1,25" (31,75 mm) E OBTURADOR PERFURADO DE
1" (25,4 mm)........................................................................................................................... 48FIGURA 18 - ÁBACO COM TUBULAÇÃO GALVANIZADA E OBTURADOR DE 1" (25,4 mm)................... 49FIGURA 19 - ÁBACO PERDA DE CARGA EM TUBULAÇÃO GALVANIZADA DE 3/4"
(19,05 mm)............................................................................................................................ 50FIGURA 20 - ÁBACO PERDA DE CARGA EM TUBULAÇÃO GALVANIZADA DE 1"
(25,4 mm).............................................................................................................................. 51FIGURA 21 - CURVAS DE CONVERSÃO DE PERDA ESPECÍFICA EM
PERMEABILIDADE (cm/s)................................................................................................. 55FIGURA 22 - MODELO ESPERADO DE COMPORTAMENTO DO FLUXO DURANTE O
ENSAIO ............................................................................................................................... 57FIGURA 23 - RELAÇÃO ENTRE PERDA D'ÁGUA E ABERTURA DE FRATURAS .......................... 58FIGURA 24 - ARRANJO GERAL DE ITAIPU.......................................................................................... 71FIGURA 25 - GEOLOGIA DA FUNDAÇÃO DA ESTRUTURA DE DESVIO ....................................... 73FIGURA 26 - DISTRIBUIÇÃO TEÓRICA DA PERMEABILIDADE EM MACIÇOS
BASÁLTICOS E INTRUSIVOS .......................................................................................... 74FIGURA 27 - SUB-HORIZONTES (ÁREAS) DE APLICAÇÀO DO CRITÉRIO DE VAZÃO ............... 75FIGURA 28 - SEÇÃO TRANSVERSAL DA ESTRUTURA DE DESVIO ............................................... 79
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LISTA DE FOTOS E TABELAS
FOTO 1 - OBTURADOR SIMPLES TIPO MECÂNICO DE 4'' (101,6 mm) e de 3" (76,2 mm)..................... 34TABELA 1 - DIÂMETROS DE EQUIPAMENTOS DE SONDAGEM ROTATIVA .............................. 44TABELA 2 - COMPARAÇÃO DE PERDA DE CARGA EM TUBULAÇÃO 25,4 mm
(ITAIPU E CORRÊA FILHO).............................................................................................. 52TABELA 3 - EQUAÇÕES DE CÁLCULO DA PERMEABILIDADE EM REGIME
TURBULENTO E LAMINAR ............................................................................................. 59TABELA 4 - ESPESSURA MÉDIA DOS DERRAMES DE BASALTO DA FUNDAÇÃO
DE ITAIPU ........................................................................................................................... 68TABELA 5 - TOTAL DE ENSAIOS PERDA D'ÁGUA UTILIZADOS NA DEFINIÇÃO
DOS SUB-HORIZONTES.................................................................................................... 78TABELA 6 - ROTEIRO DE CÁLCULO DA VAZÃO ANTES DAS INJEÇÕES.................................... 82TABELA 7 - ROTEIRO DE CÁLCULO DA VAZÃO APÓS AS INJEÇÕES ......................................... 83TABELA 8 - COMPARAÇÃO DA VAZÃO ESTIMADA COM OUTROS CRITÉRIOS ....................... 85
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LISTA DE SIGLAS
ABGE- Associação Brasileira de Geologia e Engenharia.............................................................................CBDB- Comitê Brasileiro de Barragens .......................................................................................................SNGB - Seminário Nacional de Grandes Barragens......................................................................................IPT - Instituto de Pesquisas Tecnológicas.................................................................................................ABGE- Associação Brasileira de Geologia de Engenharia...........................................................................CESP - Companhia Energética de São Paulo ...............................................................................................TVA - Tenesse Valley Authority.................................................................................................................USBR - United States Bureau of Reclamation ..............................................................................................
LISTA DE SÍMBOLOS
π − Pi .....................................................................................................................................................% - Por cento ..........................................................................................................................................OC - Grau Celcius.....................................................................................................................................φ − Diâmetro de furo de sondagem ........................................................................................................
viii
LISTA DE ABREVIATURAS
E - Módulo de deformabilidade .............................................................................................................PE' - Perda d'água específica turbulenta ...................................................................................................PE - Perda d'água específica ....................................................................................................................Pe - Pressão efetiva de ensaio de perda d'água específica .......................................................................Pm - Pressão manométrica do ensaio de perda d'água específica.............................................................Cf - Coeficiente de forma........................................................................................................................Q - Vazão ...............................................................................................................................................L - Comprimento do trecho de ensaio de perda d'água específica .........................................................F - Fator de conversão de perda d'água específica em permeabilidade .................................................K - Coeficiente de permeabilidade em regime laminar .........................................................................K' - Coeficiente de permeabilidade em regime turbulento......................................................................Msnm - Metro sobre o nível do mar ..............................................................................................................Mpa - Mega Pascal .....................................................................................................................................KPa - Quilo Pascal .....................................................................................................................................Kgf - Quilograma-força.............................................................................................................................Atm - Atmosfera.........................................................................................................................................Cm - Centímetro........................................................................................................................................Km - Kilômetro .........................................................................................................................................Kg - Quilograma ......................................................................................................................................l - Litro .................................................................................................................................................m - Metro................................................................................................................................................min - Minuto..............................................................................................................................................mm - Milímetro .........................................................................................................................................N.ª - Nível d'água .....................................................................................................................................e - Espessura de fratura do maciço rochoso ..........................................................................................g - Aceleração da gravidade ..................................................................................................................s - Segundo ...........................................................................................................................................p. - Página...............................................................................................................................................cap. - Capítulo............................................................................................................................................vol. - Volume.............................................................................................................................................
ix
RESUMO
Com a intensificação da implantação de usinas hidrelétricas entre as décadas de 1950 e1980, a engenharia brasileira experimentou grande evolução, tanto pela experiênciaadquirida em construção, quanto na área de projeto e de auscultação das obrasimplantadas. Muitos desses empreendimentos foram adequadamente monitorados pormétodos de observação preocupados em avaliar suas condições de segurança, bemcomo comprovar a validade das hipóteses estabelecidas em projeto. Essa experiência,adquirida com esmero, pode ser expressa por intermédio de grande quantidade detrabalhos técnicos publicados em eventos realizados no Brasil e no exterior.
O objetivo desta dissertação é permitir aos técnicos da área de segurança de barragenso uso de uma ferramenta útil para o controle de infiltrações. Propõe-se a adoção destecritério para determinar a vazão da água de percolação esperada através da fundaçãoda barragem, levando em consideração os parâmetros geo-hidrológicos do substratorochoso do próprio empreendimento. Pretende-se assim estabelecer valores deinfiltração a serem possivelmente utilizados como números limite para controle dainstrumentação.
Tal critério, em essência, estabelece que a vazão entendida como aquela relativa àpercolação de águas de infiltração através do embasamento rochoso da barragem, sejaobtida pela fórmula da Lei de Darcy, onde o coeficiente de permeabilidade é calculadoa partir dos ensaios padronizados de perda de água realizados nesse material dafundação.
Descreve-se o método de execução e a aplicação do ensaio de perda de água. Um totalde 214 desses ensaios, realizados antes de 1982, foram analisados e 43 deles aplicados,pelo critério proposto, neste estudo de caso, para determinar a vazão pela fundação daEstrutura de Desvio da Barragem de Itaipu. Os mesmos indicaram uma vazão esperadaapenas 18,5% superior à medida nessa estrutura nos últimos 10 anos. Isso evidenciou obom ajuste do critério proposto para a presente aplicação. O valor estimado de 32 l/s,caso fosse admitido como limite de projeto, resultaria no dimensionamento de bombasde recalque com capacidade para 72 l/s, o que representaria uma economia de 50% emrelação à estação de bombeamento atualmente instalada.
Para continuidade do estudo sugere-se aplicar o critério proposto em barragensconstruídas mais recentemente, onde tenha sido aplicado tratamento da rocha maissimplificado, ou mesmo sem tratamento, para avaliar o custo benefício desse tipo detratamento mais simples em relação ao maior custo de instalações de bombas derecalque.
Palavras-chave: Ensaio de Perda de Água; Perda de Carga; Permeabilidade;Subpressão; Nível de Água em Furo de Sondagem; Percolação.
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ABSTRACT
The increase in the number of hydroelectric power plants in Brazil between the years1950 and 1980, caused a considerable gain as far as engineering dam design,construction and monitoring in the country is concerned. Dam instrumentation wasthen based on assumed safety and design hypothesis. Such experience is recorded in agreat number of technical papers that were published in several places an occasions,both in Brazil and abroad.
The objective of this dissertation is to call the attention of professionals involved indam safety for using a tool here described, as an aid in seepage control activities. Theadopted criteria is able to furnish the foundation seepage value considering the hydro-geological parameters of the local foundation material. It is intended to establish thedischarge which may be used for monitoring control.
The criteria considers that the rock strata foundation seepage follows Darcy's law, andthe permeability coefficient is obtained from standard water-pressure tests carried outin boreholes at the dam site. Description and discussions about the in situ tests arepresented, taking advantage of the broad amount of data available from the Itaipuexperience.
A total of 214 water pressure tests, carried out before 1982, were analyzed in thisstudy; 43 of them were used to apply this criteria to determine the seepage dischargethrough the Diversion Structure of Itaipu Dam. The results show values 18,5% abovethe average rate of flow measured during the past 10 years, which is a reasonably goodadjustment for the proposed method. The resultant discharge of 32,0 l/s, given by themethod applied to the present case, if had been adopted as a design parameter, wouldhave given pump capacity of 72 l/s, which is an economy of 50% compared to the sizeof pumps actually installed.
For future research on the subject, it is suggested the use of this criteria in recentlybuilt hydro developments, either with simplified rock foundation treatment or with notreatment at all, to evaluate the cost advantages is in comparison to the normally highcost of water pumps.
Key-words: Water-Pressure Test; Head loss, Permeability, Uplift, Water table,Seepage
xi
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ........................................................................................... ........................................ vLISTA DE FOTOS E TABELAS ............................................................................................................... viLISTA DE SIGLAS E SÍMBOLOS ............................................................................................................. viiLISTA DE ABREVIATURAS ..................................................... ................................................................ viiiRESUMO ............................................................................................................................................... ixABSTRACT........................................................................... ........................................................................ xSUMÁRIO ............................................................................................................................................... xi1 - INTRODUÇÃO ............................................................................................................................ 12 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................................... 82.1 - TEMPO GEOLÓGICO ................................................................................................................... 82.2. - GEOLOGIA DA BACIA DO PARANÁ ........................................................................................ 92.2.1 - Aspectos Geomorfológicos ............................................................................................................. 92.2.2 - Litologia .......................................................................................................................................... 112.2.3 - Aspectos Tectônicos........................................................................................................................ 132.2.4 - Fundações das Barragens de Itumbiara, Porto Colombia e Itaipu................................................... 152.3 - TRATAMENTO DE FUNDAÇÕES POR INJEÇÃO E DRENAGEM.................................................... 162.3.1 - O Exemplo de Itaipu........................................................................................................................ 172.4 - INJEÇÃO OU DRENAGEM? ........................................................................................................ 203 - ENSAIO DE PERDA D’ÁGUA SOB PRESSÃO........................................................................ 273.1 - HISTÓRICO.................................................................................................................................... 273.2 - RECOMENDAÇÕES SOBRE OS EQUIPAMENTOS DE ENSAIO............................................ 313.3 - PROCEDIMENTOS DE EXECUÇÃO DO ENSAIO .................................................................... 353.4 - CRITÉRIOS DE PRESSÃO OPERACIONAL DO ENSAIO (Pm) ............................................... 383.5 - PRESSÃO EFETIVA DE ENSAIO (Pe) ........................................................................................ 403.6 - CÁLCULO DO ENSAIO DE PERDA D'ÁGUA ESPECÍFICA (PE)............................................ 433.7 - PERDA DE CARGA NA TUBULAÇÃO DE ENSAIO................................................................. 433.7.1 - Diâmetros dos Equipamentos de Sondagens................................................................................... 443.7.2 - Critérios Recomendados para Avaliação da Perda de Carga........................................................... 453.7.2.1 - Perda de carga na tubulação de ensaio - Ábacos aplicados em Itaipu ............................................. 453.7.2.2 - Critérios de perda de carga proposto por Corrêa Filho.................................................................... 493.7.3 - Análise Comparativa ....................................................................................................................... 514 - CÁLCULO DA PERMEABILIDADE (K) A PARTI R DOS ENSAIOS (PE) ........................ 544.1 - COMPORTAMENTO DO FLUXO NO TRECHO ENSAIADO................................................... 565 - MODELO PARA DETERMINAÇÃO DA VAZÃO PEL A FUNDAÇÃO .............................. 615.1 - CRITÉRIO PROPOSTO PARA ESTIMAR A VAZÃO................................................................ 615.2 - ROTEIRO PARA DETERMINAR A VAZÃO DE INFILTRAÇÃO ............................................ 626 - ESTUDO DE CASO - BARRAGEM DE ITAIPU ..................................................................... 666.1 - OBJETO DO ESTUDO DE CASO................................................................................................. 666.2 - CARACTERÍSTICAS DA GEOLOGIA NA REGIÃO DE ITAIPU ............................................. 676.2.1 - Geologia do Maciço Rochoso da Fundação .................................................................................... 676.2.2 - Condutividade Hidráulica da Fundação .......................................................................................... 696.3 - DETERMINAÇÃO DA VAZÃO - APLICAÇÃO DO ROTEIRO ................................................ 706.3.1 - Definição da Estrutura do Estudo de Caso ...................................................................................... 706.3.2 - Análise dos Ensaios de Perda d'água Específica ............................................................................. 736.3.3 - Definição dos Horizontes Permeáveis da Fundação........................................................................ 746.3.4 - Permeabilidade Adotada.................................................................................................................. 776.3.5 - Determinação do Gradiente Hidráulico........................................................................................... 796.3.6 - Vazão Estimada pelo Critério Proposto .......................................................................................... 806.4 - COMPARAÇÃO COM OUTROS CRITÉRIOS ............................................................................ 847 - DISCUSSÕES E CONCLUSÕES ............................................................................................... 877.1 - DISCUSSÕES................................................................................................................................. 877.2 - CONCLUSÕES............................................................................................................................... 887.3 - RECOMENDAÇÕES ..................................................................................................................... 90REFERÊNCIAS ........................................................................................................................................... 91
1
1 INTRODUÇÃO
A experiência tem mostrado que a vazão constitui, em muitos casos, uma das
grandezas de engenharia mais importantes na avaliação das condições de segurança
das estruturas hidráulicas e de suas fundações. O monitoramento dessa grandeza
representa um dos métodos de observação das estruturas, no que se refere à comprovar
a validade das hipóteses de projeto, visando a avaliação de suas condições de
segurança. Isso se deve ao fato da vazão expressar de forma rápida qualquer anomalia,
tanto nas estruturas de concreto e terra, como nas fundações. A ocorrência de vazão
súbita em estruturas hidráulicas provoca desconforto e preocupações entre os técnicos
responsáveis pela segurança do empreendimento, por não poderem responder,
prontamente, às seguintes indagações:
a) qual a origem da água de surgência? ;
b) a vazão de infiltração é compatível com as hipóteses admitidas nos
cálculos de projeto? ;
c) quais as providências a serem tomadas?
Esta dissertação limita-se a responder à segunda indagação, ao apresentar o
critério para determinação de vazões pela fundação de barragens, as quais
representarão as águas que se esperam que percolem pela fundação da barragem.
Propõe-se que esses valores poderão ser utilizados como controle da instrumentação
de segurança das estruturas civis da barragem.
Na análise das vazões de infiltrações, os técnicos podem ser conduzidos a
uma situação de falsa segurança, pois os valores, geralmente conservadores, previstos
na fase de projeto poderão superar em muito os valores medidos. Assim, os acréscimos
localizados de vazões que poderiam representar sinais de alerta, por serem geradores
de situações mais graves ou até mesmo fora de controle, muitas vezes recebem pouca
importância na análise de desempenho das estruturas.
2
Preocupado em melhor atender às necessidades do monitoramento civil de
estruturas hidráulicas, propõe-se com este trabalho a adoção de um critério novo, por
intermédio do qual serão buscados valores mais próximos daqueles que expressam um
comportamento normal das infiltrações. Tal critério leva em consideração o
comportamento do maciço rochoso frente à percolação de água pelas fissuras das
rochas de fundação do empreendimento hidrelétrico. O critério proposto aplica-se a
um estudo de caso, visto que será desenvolvida uma retroanálise dos resultados de
ensaios de perda d’água, executados em grande número durante as investigações
geológicas e execução dos tratamentos de fundação das obras hidráulicas,
especialmente na barragem de Itaipu.
Em conseqüência do acidente da Barragem da Pampulha, em maio de 1954,
a prefeitura de Belo Horizonte/MG patrocinou a publicação do livro RUPTURA DA
BARRAGEM DA PAMPULHA, elaborado pelo IPT, com o objetivo de se conhecer
profundamente a relação causa efeito desse acidente. Na elaboração deste documento
técnico, VARGAS et all (1955) estabeleceram a classificação de quatro tipos ou
grupos de rupturas de barragem:
a) rupturas estruturais ocorridas por se terem ultrapassadas as resistências
dos materiais da fundação e do corpo da barragem;
b) rupturas hidráulicas ocorridas por excesso de forças resultantes da
percolação da água que venham a produzir condições desfavoráveis para
a estabilidade, ou permitir intensas erosões;
c) rupturas por galgamento da crista devido às condições hidrológicas não
previstas nos estudos de projeto ou por falhas na operação de vertedouros.
d) acidentes de construção referentes aos casos de rupturas isolados que não
podem ser sistematizados, pois referem-se mais aos defeitos de
construção do que devido a aspectos de cálculo.
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Nessa época, o superintendente do IPT, engenheiro Francisco João MAFFEI,
ao elaborar o prefácio do livro de VARGAS escreveu que, se há um país onde a
técnica de construção de barragens precisa ser desenvolvida, esse país é o Brasil.
Pode-se dizer que o desafio proposto por MAFFEI foi importante para o
desenvolvimento da Engenharia, gerando várias ações como descritas a seguir
Em meados da década de 50 e início da década de 60, o Brasil intensificou a
construção de hidrelétricas, sendo as barragens de grande porte concluídas até a
década de 1980. Essas obras formaram a base da matriz energética atual do país.
Nesse período, conforme relatado por AZEVEDO (1993), a engenharia
brasileira teve de construir, em curto espaço de tempo, grande número de barragens de
concreto de gravidade, tipo maciça, assentadas em basalto, o que propiciou ao meio
técnico nacional grande experiência em tratamento de fundações e análise de
subpressões nesse tipo de rocha, experiência traduzida por importantes trabalhos
técnicos.
Um dos importantes trabalhos publicados para consolidar essa experiência
foi o cadastro geotécnico de barragens da Bacia do Rio Paraná. Na apresentação desse
acervo técnico, SIGNER (1983) já considerava oportuna essa ocasião para reflexões,
análises e síntese da experiência adquirida pela geotecnia brasileira após a construção
de mais de trinta Usinas Hidrelétricas. O cadastro produzido contém os aspectos mais
relevantes do ponto de vista de projeto e constituiu-se em uma grande fonte de dados
de projetos e diversos problemas de execução de obras com características geotécnicas
ou físicas bastante semelhantes.
Dando continuidade à esse esforço de consolidar o conhecimento adquirido
pelas empresas brasileiras, o engenheiro SILVEIRA (1996), coordenador da Comissão
de Auscultação e Instrumentação de Barragens, apresentou um trabalho abordando e
4
historiando a experiência brasileira nessa área da engenharia. Esse documento
consubstanciava a experiência de três décadas de execução de um significativo número
de hidrelétricas de grande porte e o acúmulo de um vasto acervo de dados dessa área.
O trabalho apresentou o cadastramento de mais de cem obras instrumentadas, sendo
finalizado com a apresentação de diretrizes para a inspeção visual de barragens.
Outro esforço nesse sentido ocorreu através do Núcleo Regional de São
Paulo do Comitê Brasileiro de Barragens - CBDB, com a criação da Comissão
Regional de Segurança de Barragens, que estabeleceu entre suas metas prioritárias o
levantamento da situação da segurança de barragens no Estado de São Paulo, visando a
elaboração de um GUIA BÁSICO DE SEGURANÇA DE BARRAGENS.
A publicação desse guia pelo CBDB (2001) constituiu mais uma etapa
vencida para consolidar o desenvolvimento da engenharia brasileira na área de
segurança de barragens e possibilitou aos profissionais acesso às informações mais
recentes e, principalmente, definição de requisitos e recomendações mínimas a serem
seguidos em estudos relativos a segurança das estruturas, segundo critérios uniformes
e coerentes com o atual estágio do conhecimento. Assim, procurou-se através desse
guia atingir os seguintes objetivos:
a) definir requisitos mínimos de segurança;
b) uniformizar os critérios empregados;
c) permitir supervisão consistente da segurança de barragens, de modo a
conduzir à execução de melhorias que contribuam para aumentar a
confiabilidade da mesma e permitam melhor avaliação do desempenho
das estruturas;
d) fornecer uma base para a legislação e regulamentação da segurança de
barragens, em âmbito nacional. Um sonho a ser alcançado.
Dando continuidade à consolidação desses conhecimentos, a ELETROBRÁS
(2001) formou um grupo de profissionais, ainda atuantes no setor elétrico, do qual o
5
autor é um dos colaboradores, para elaborar um documento de critérios de projeto civil
de usinas hidrelétricas. Esse documento encontra-se com a minuta em revisão, e tem
como objetivo preservar a memória do setor elétrico, adquirida ao longo dos últimos
50 anos. Com esse documento pretende-se garantir no futuro o padrão de qualidade
dos projetos hidrelétricos, buscando perpetuar o conhecimento técnico da engenharia
brasileira, adquirido nas últimas cinco décadas em projetos, construção e controle de
barragens. Assim, procurou-se apresentar o desenvolvimento de projeto de usinas em
todas as suas etapas, visando fixar as condições exigíveis para a verificação da
segurança das estruturas, estabelecer definições, normas e critérios de quantificação
das ações atuantes nas estruturas, bem como definir os ensaios de caracterização e
propriedades dos materiais, principalmente de resistência. A incorporação dessas
exigências nos projetos tem por finalidade garantir a máxima eficiência, durabilidade e
confiabilidade das estruturas, as quais garantem a integridade do reservatório, primeiro
elemento da cadeia de geração da energia elétrica.
Em julho de 2001, o Núcleo Regional do Estado de São Paulo do CBDB
(2001) promoveu o SIMPÓSIO DE RISCOS ASSOCIADOS À BARRAGENS onde o
jurista POMPEU(2001) abordou com muita clareza o fato de que se não houvesse
“risco” não haveria preocupação com a segurança da barragem, em tema sobre os
aspectos desse campo da engenharia. Ainda nesse evento, SILVEIRA (2001), buscou
sensibilizar os participantes para a importância do controle das condições de segurança
das barragens, porque no caso de acidente, as conseqüências muitas vezes são
catastróficas, em termos perda de vidas humanas, materiais e danos ao meio ambiente.
Mais recentemente, em novembro de 2001, durante o XXIV Seminário
Nacional de Grandes Barragens (SNGB) em Fortaleza, observou-se grande
preocupação e esforço da comunidade técnica para a criação de normas de
regulamentação de segurança de barragens, as quais constituiriam um projeto de lei,
que submetido ao Congresso Nacional se transformasse em lei. Esses esforços vêm
6
sendo intensificados, mais recentemente, em vista da tendência nacional de
privatização dos empreendimentos hidrelétricos em operação e de novas concessões de
usinas, necessárias para garantir o aumento da matriz energética do Brasil.
O debate de temas como esses evidencia a preocupação do CBDB com o
estado limite de servicibilidade das obras construídas. Ou seja, preocupa-se com o
estado limite de serviço dos empreendimentos, onde a estrutura hidráulica deve
apresentar comportamento aceitável quanto ao seu estado de deformação, fissuração e
permeabilidade.
Diante do cenário exposto acima, o controle de vazões de infiltração torna-se
fundamental para a análise de desempenho de uma estrutura hidráulica. Essa grandeza
de engenharia evidencia de forma rápida, possíveis anomalias pela fundação da
estrutura. A simples comparação dos valores medidos com os previstos na fase de
projeto, por critérios conhecidos como de Lugeon e de Pautre descritos no item 6.4, ou
ainda, com os valores obtidos pelo critério proposto nesta dissertação, permitirá aos
técnicos responsáveis pela segurança da barragem avaliar a urgência e a classe de
intervenção.
No projeto de uma barragem, a subpressão atuante em descontinuidades da
fundação e no contato concreto/rocha é amplamente avaliada na verificação da
estabilidade do bloco. Pouca importância é dada à vazão, até mesmo porque o projeto
adota na avaliação da estabilidade, critérios de subpressão recomendado pelo Bureau
of Reclamation (USBR), que leva em consideração a carga hidráulica do reservatório e
a posição da cortina de drenagem com drenos operantes, como descrito no item 2.4.
ELETROBRÁS (2001) recomenda a verificação de estabilidade do bloco com drenos
inoperantes, onde a subpressão variará linearmente entre as cargas hidrostáticas de
montante e jusante, desprezando-se o efeito da cortina de drenagem.
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Dessa forma, a elaboração do critério proposto nesta dissertação para
determinação de vazões mais próximas da realidade, constitui um recurso adicional à
disposição dos técnicos de segurança da barragem, visando subsidiar a análise do
desempenho das estrutura.
Na primeira parte deste trabalho (capítulo 2), apresenta-se uma revisão
bibliográfica, com destaque para a geologia da Bacia do Rio Paraná, incluindo a
descrição da litologia, aspectos geomorfológicos e tectônicos dessa formação
geológica que constitui a fundação de quarenta e uma barragens da região sul do
Brasil. Ainda neste capítulo, apresentam-se três dessas barragens, com descrição das
características de suas fundações, fazendo-se uma abordagem sobre drenagem e
tratamento do maciço rochoso por injeção de cimento.
Gil(1991) recomenda que no estudo de caso é importante indicar a forma de
coleta dos dados, e por essa razão, no capítulo 3 apresentam-se as instruções
necessárias para a execução do ensaio de perda d'água, compreendendo desde a
seqüência de procedimentos de campo e processamento de cálculo do ensaio. O
capítulo 4 indica a forma de conversão desses resultados em permeabilidade da rocha.
No capítulo 5 desenvolve-se o critério de determinação da vazão, sendo apresentado
no capítulo 6, o estudo de caso para as fundações da Estrutura de Desvio da barragem
de Itaipu. Nesse capítulo, procede-se a um estudo comparativo entre o valor da vazão
estimada pelo critério proposto com outros critérios utilizados para prever vazões pelas
fundações da barragem. Sugere-se que a vazão estimada pelo critério proposto
represente a vazão normal de água que se espera que percole pela fundação da
barragem, a qual poderá ser utilizada como referência para o controle dessa grandeza.
Finalmente, no capítulo 7 apresentam-se as discussões e conclusões e
encerra-se com a indicação de continuidade de pesquisa, sugerindo a aplicação do
critério, ora proposto, em outras barragens, para avaliar o custo benefício de um
tratamento da fundação sofisticado e oneroso em relação à outro mais simples.
8
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Neste capítulo apresentam-se os aspectos geológicos de caracterização das
ocorrências de derrames basálticos com idade aproximada de 140 milhões de anos,
incluindo uma abordagem sobre o tratamento dessas rochas de assentamento de 41
importantes barragens da região centro-sul do Brasil.
2.1 TEMPO GEOLÓGICO
Segundo ALMEIDA e RIBEIRO (1998), a idade relativa da terra pode ser
obtida observando-se as marcas dos eventos nela registrados e pela ordem natural de
superposição das camadas de sedimentares e de fósseis. Os autores apresentam a
figura 1, onde a coluna estratigráfica foi estabelecida considerando os eventos maiores
da história geológica, como as etapas da evolução da vida e soerguimento das grandes
cadeias de montanha. Para referência, considera-se que a Terra surgiu há 4500 milhões
de anos e, embora seja incerta, aceita-se a idade do universo de 15.000 milhões de
anos.
FIGURA 1 - ESCALA DE TEMPOS GEOLÓGICOS
FONTE: ALMEIDA e RIBEIRO (1998)
9
2.2 GEOLOGIA DA BACIA DO ALTO PARANÁ
BARTORELLI(1983) descreve a geologia geral das barragens da Bacia do
Rio Paraná, abrangendo os aspectos relativos ao relevo, litologia, tectonismo e
condicionantes geológico-geotécnicos relevantes.
A bacia hidrográfica do Rio Paraná abrange uma área, em território
brasileiro, superior a um milhão de km2 e eqüivale, de modo aproximado, à área da
bacia sedimentar homônima, a qual assim se caracterizou desde o período Devoniano
até o fim do Mesozóico. A bacia sedimentar resulta do movimento crustal
caracterizado pelo afundamento da superfície sólida da terra em relação a áreas
circunvizinhas.
Esse comportamento tectônico propiciou condições favoráveis a
sedimentação em ambientes os mais diversificados, envolvendo depósitos marinhos,
estuarinos, lacustres, glaciais, desérticos e fluviais recobertos, em grande parte, pelo
espesso pacote vulcânico representado pelas rochas basálticas da Formação Serra
Geral. Esses materiais correspondem à unidade geológica de maior importância para
projetos de Engenharia nessa área.
2.2.1 Aspectos Geomorfológicos
Sob o ponto de vista fisiográfico, a Bacia do Rio Paraná drena,
essencialmente, uma extensa área planáltica, variando desde a cota 2.000 metros sobre
o nível do mar (msnm) nas cabeceiras orientais, até 100 msnm no médio curso do rio
Paraná, na fronteira do Brasil com o Paraguay e Argentina.
As diferenças mais marcantes das feições geomorfológicas, hidrográficas, de
relevo e vegetação permitiram dividir o planalto basáltico do Paraná em duas unidades
principais, uma representada pela Bacia do Alto do Paraná ao norte, e outra
meridional, subdividida em Planalto das Araucárias na região leste do Estado e Zona
das Missões na porção oeste, como mostrado na figura 2.
10
FIGURA – 2 MAPA DO PARANÁ E ÁREA DE MATAS DE ARAUCÁRIA
FONTE: PÁGINA DA ARAUCÁRIA, DISPONÍVEL NA INTERNERT (2003)
A Bacia do Alto do Paraná caracteriza-se por apresentar uma cobertura
sedimentar mesozóica generalizada, representada pelos arenitos do Grupo Bauru, os
quais incluem a Formação Caiuá. O relevo é suavisado, com vales pouco encaixados,
sendo que os grandes rios possuem seus leitos já escavados sobre o substrato basáltico.
Essa unidade geomorfológica setentrional encontra-se naturalmente limitada com a
unidade ao sul pelo fim de ocorrência dos sedimentos supra-basálticos, início das
matas de Araucária, e pelas cataratas das Sete Quedas, que dividiam o alto e o médio
curso do Rio Paraná. Na região da Bacia do Alto do Paraná distinguem-se duas sub-
unidades, uma representada pelas “cuestas” basálticas marginais e outra representada
pelos planaltos sedimentares da parte central da bacia, onde o terreno natural
apresenta-se variando entre as altitudes de 200 a 800 m em relação ao nível do mar.
Na Bacia do médio Paraná, ao sul de Sete Quedas, o Planalto das Araucárias
atinge freqüentemente altitudes superiores a 600 m, possuindo relevo acidentado, com
vales bastante encaixados, enquanto a zona das Missões é mais suave e as altitudes vão
decrescendo progressivamente até a altitude de 100 msnm, em direção à Bacia
Pampeana.
11
A cobertura cenozóica, por sua vez, é muito mais evidente na Bacia do Alto
Paraná, onde o nível de base local, representado antigamente pelos Saltos das Sete
Quedas, barrou a migração dos aluviões, os quais originaram extensas planícies e
terraços cenozóicos, com significativa expressão morfológica nos vales do Rio Paraná
e seus afluentes a montante de Sete Quedas. Essa situação é marcante na área de
Guaíra, onde depósitos aluviais recentes e de terraço atingem vários quilômetros de
largura logo a montante das Sete Quedas, praticamente não existindo a partir desse
local, onde o Rio Paraná precipitava-se num estreito “ canyon” com menos de 100 m
de largura. Em 1982, esse "Canyon" ficou submerso pelas águas do reservatório da
Usina de Itaipu.
2.2.2 Litologia
Com interesse para obras de engenharia, sob o ponto de vista litológico,
merecem citação apenas as rochas das camadas que capeiam a seqüência sedimentar
paleozóica e mesozóica média - superior, constituídas pelos basaltos com gênese no
período Jurássico e Cretáceo médio e superior da Formação Serra Geral, e arenitos do
Grupo Bauru correspondente ao cretáceo médio e superior. BARTORELLI (1983,
p.13) considerou os depósitos coluvionares e aluvionares cenozóicos importantes e
bastante freqüentes nas fundações de obras de engenharia.
As rochas basálticas constituem o substrato formado pelas seqüências
sedimentares mais novas e, praticamente, é nesse substrato que se apoiam as grandes
estruturas de concreto de barragens na Bacia do Paraná. Este embasamento
caracteriza-se por seqüências de sucessivos derrames de lava com espessuras
individuais variando de 10 metros a várias dezenas de metros acumulando espessura
média de até 1.600 metros. Exemplo é a região central da Bacia, onde a Usina de
Capivara localizada no Rio Paranapanema a 60 km de Presidente Prudente no estado
de São Paulo, a espessura média das camadas de basalto atinge 900 metros, como foi
12
registrado por BARTORELLI (1983, p.122). Já na região de Ciudad Del Este, no
Paraguai, a perfuração de um poço artesiano indicou a espessura do basalto de 430
metros abaixo do terreno natural, quando atingiu o arenito situado abaixo do basalto na
profundidade correspondente à cota -230 metros em relação ao nível do mar.
Cada derrame de lava é caracterizado por forte diaclasamento horizontal na
base, realçado pelas estruturas de fluxo, o qual cede lugar, no corpo do derrame, ao
diaclasamento vertical que pode chegar a isolar blocos de rocha de estrutura maciça e
textura microcristalina (denso). No topo, os derrames mostram incipiente
diaclasamento horizontal e carcterizam-se por apresentar inúmeras vesículas e/ou
amígdalas preenchidas por diversos minerais como quartzo, calcita, zeolitas, argilo-
minerais, etc. Geralmente ocorrem camadas de brechas aglomeráticas que podem
atingir 10 metros ou mais de espessura, sendo freqüente sua utilização para
fechamento de grandes rios e, também, empregadas na construção de enrocamento,
devido à sua resistência e tamanho dos blocos.
De maneira geral, os basaltos constituem fundações de boa qualidade para
grandes estruturas de concreto. As maiores descontinuidades que apresentam são
quase sempre horizontais e quando interferem com a segurança de obras, os problemas
são resolvidos, em grande parte das vezes, por rebaixamento das cotas de escavação
das fundações ou por substituição do material fraco das descontinuidades por outro de
propriedades mecânicas adequadas ao projeto. Um exemplo do último caso citado
ocorreu com o reforço das fundações de Itaipu, na região do leito do Rio Paraná, onde
o contato entre dois derrames posicionado 20 m abaixo da fundação apresentava-se
com preenchimento de argila e seus parâmetros de coesão e atrito não atendiam aos
cálculos de estabilidade do bloco de concreto da barragem. A solução nesse caso foi a
abertura de túneis com seção de 3,5 x 2,5m de altura escavados ao longo do contato
frágil, os quais foram preenchidos com concreto em substituição ao material de
resistência inadequada. Esse tratamento de fundação foi denominado de "Chavetas", as
quais correspondem aos túneis preenchidos de concreto que substituíram o material
mais fraco da fundação. PORTO et all (1999) registraram o desempenho desse
tratamento, 17 anos após o enchimento do lago de Itaipu.
13
Os depósitos coluviais são constituídos principalmente por argilas arenosas e
siltosas, muitas vezes com níveis de cascalho na base, e possuem coloração típica
marrom-avermelhada escura. Nas áreas de cobertura arenítica a percentagem de areia
chega a oscilar em torno de 50%. Segundo BARTORRELI (1983, p.13), os colúvios
prestam-se muito bem à utilização como material de empréstimo devido ao seu
excelente comportamento quando submetidos aos processos de compactação.
2.2.3 Aspectos Tectônicos
A Bacia do Paraná foi afetada mais intensamente por tectonismo, durante a
reativação dos períodos Jurássico e Cretáceo, responsáveis por extensos fraturamentos
da crosta que permitiram o acesso de grande volume de lavas basálticas provenientes
do manto superior do núcleo da terra. Dessa maneira originaram-se extensas camadas
de derrame fissural definido por ALMEIDA e RIBEIRO (1998, p.26), como resultante
do extravasamento da lava por meio de uma rede de fraturas na superfície terrestre.
É caracterizada, assim, sob o ponto de vista estrutural, por grandes
alinhamentos transversais ao eixo da bacia, orientados dominantemente para noroeste
e oeste-noroeste, os quais se estendem por várias centenas de quilômetros e ocupam
faixas com 20 até 100 km de largura. Os alinhamentos ocupam faixas coincidentes
com os vales de alguns grandes afluentes do Rio Paraná pela margem esquerda, como
os dos rios Iguaçu, Piquirí, Paranapanema, Tiete, Grande e outros, além do próprio rio
Uruguai que forma uma bacia praticamente independente, conforme indicado por
BARTORELLI (1983, p.14).
Quanto aos fenômenos de sismicidade induzida, caso venham a ocorrer, é
provável que os mesmos apresentem epicentro, com maior freqüência, em áreas de
reservatórios localizados ao longo da direção de fraqueza crustal. ANDE e
ELETROBRÁS (1974) registraram que em várias partes do mundo, inclusive no
Brasil, tem ocorrido sismos induzidos por reservatório. A formação do lago pode
alterar as condições estáticas da rocha de duas maneiras. Uma mecânica devida à
14
massa de água e outra hidráulica devida às infiltrações de águas subterrâneas em
camadas mais profundas. A combinação dessas duas forças podem gerar distúrbios
tectônicos, caso ocorra em região de descontinuidades e falhas maiores.
Na figura 3, mostram-se as áreas de ocorrência de derrames basálticos da
Bacia do Rio Paraná com localização de quarenta barragens da região sul do Brasil e a
barragem de Yacyretá localizada no Paraguay. Nessa bacia foram demarcadas as
formações geológicas dos derrames de basalto, abrangendo a região sul do Brasil,
parte leste do Paraguai e a porção setentrional da Argentina. Várias barragens da
Cemig, Cesp e Copel encontram-se assentadas nesses derrames de basalto.
FIGURA – 3 MAPA DA BACIA DO PARANÁ E ÁREA DE OCORRÊNCIA DE DERRAMES BASÁLTICOS
FONTE: CBDB (2000) e NAKAO (1983)
15
2.2.4 Fundações das Barragens de Itumbiara, Porto Colômbia e Itaipu
NAKAO (1983), descrevendo uma síntese das percolações pela fundações
das barragens de terra de Itumbiara, Porto Colômbia e Itaipu, apresentou o perfil
estratificado com as características das camadas de cobertura, as quais resultam em
produto de intemperização “in situ” do basalto, sobre o maciço rochoso matriz. A
transição entre essas duas unidades geológicas se faz com a variação gradual nas
propriedades físicas, químicas, mecânicas e hidrogeotécnicas, constituindo o solo
alterado do basalto, denominado de saprolito na área do projeto de Itaipu. Esse solo
está caracterizado pela ABNT (1980) como um solo de alteração de rocha, por ser
proveniente da desintegração, "in situ", da rocha matriz de basalto por agentes de
intempérie, tanto físico como vento, calor e pressão, como químicos pela presença de
águas de chuvas e de percolação.
Um perfil dessa região apresenta do topo para a base, os seguintes estratos:
a) a camada de solo superficial, que se caracteriza por sua homogeneidade,
coloração avermelhada a marrom escura, porosidade elevada, baixa
resistência à penetração SPT e altos valores de limite de liquidez. Na base
dessa camada superficial ocorrem, em geral, níveis de concreções
limoníticas, pedregulhos e cascalhos arredondados de quartzo e
calcedônia;
b) subjacente à camada homogênea segue-se o material saprolítico de
basalto, com cores variáveis, predominando a cinza e amarela, com
vestígios da rocha matriz cada vez mais nítidos com a profundidade,
destacando-se fraturas antigas bastante visíveis por onde se faz a
percolação da água subterrânea. As percolações preferenciais se fazem na
base dessa camada saprolítica, onde o basalto se apresenta fraturado e
com alteração pronunciada ao longo das paredes das fraturas. Os ensaios
de perda d’água nessa camada apresentam, em geral, perdas elevadas ou
totais da água de ensaio;
16
c) o maciço rochoso imediatamente subjacente é pouco permeável e
altamente resistente, apesar das juntas-falhas e microfissuras freqüentes.
Entretanto, essas características podem sofrer mudanças bruscas pela
presença de camadas de brechas, arenitos intertrapeanos, basalto vesicular
ou amigdaloidal e basalto desagregável.
2.3 TRATAMENTOS DE FUNDAÇÕES POR INJEÇÃO E DRENAGEM
LORENZ e VAZ (1998, p.361) registraram a necessidade de melhoria ou
reforço das características originais de um maciço geológico, aplicando um tratamento
através do qual sejam melhoradas as propriedades mecânicas e hidráulicas da rocha de
forma a adequá-la às solicitações impostas por uma obra de engenharia.
Os critérios de projeto civil em fase de emissão pela ELETROBRÁS (2001)
recomendaram o melhoramento das propriedades do maciço em seus aspectos de
resistência, deformabilidade e permeabilidade através da execução de tratamento do
maciço com injeção profunda, para eliminar zonas de grande concentração de fluxo e
um sistema de drenagem eficiente. A redução da permeabilidade não tem efeito direto
na estabilidade, mas contribui para a diminuição do fluxo afluente ao sistema de
drenagem, não havendo necessidade do projeto contemplar impermeabilização
absoluta da rocha. Essa proposta da Eletrobrás representa os procedimentos aplicados
nas construções das barragens do Brasil, sendo mencionado pelo seu caráter
regulamentador, assegurando a sua aplicação nos projetos civis de barragens a serem
desenvolvidos pelos consórcios privados, hoje responsáveis pelo crescimento da
matriz energética brasileira, em vista do processo de privatização, ora em andamento.
BIRINDELLI (1987) também registrou que a implantação de obras que
acarretam alterações nas solicitações atuantes nos maciços rochosos e, por outro lado,
a necessidade de um funcionamento adequado e seguro das estruturas, exige uma
intervenção para melhorar suas características de suporte, estanqueidade e
permeabilidade.
17
No que se refere à hidrogeotecnia, esses tratamentos da rocha se resumem,
basicamente, em dois tipos: cortina de injeção e drenagem. Geralmente, as injeções
constituem-se de uma ou mais linhas de furos dispostos ao longo do pé de montante da
barragem, igualmente espaçados e injetados com calda de cimento. Menos comum é a
utilização de outros materiais como resina orgânica, devido ao alto custo dos produtos
químicos. Um exemplo de aplicação de resina foi registrado por BARBI (1991), em
que essa resina foi utilizada no tratamento do concreto de alta permeabilidade da Casa
de Força de Itaipu. De modo geral, quando o tratamento por injeção de cimento não
reduz a permeabilidade aos níveis indicados pelo projeto, utiliza-se uma calda de
injeção com mais de um tipo de material. Nesse caso, primeiro injeta-se a calda de
cimento, e em seguida a resina orgânica, que somente será aplicada no final do
processo de injeção, visando minimizar o consumo do produto de maior custo. A
resina preenche as microfissuras do meio tratado, reduzindo sua permeabilidade a
valores inferiores a 10-6 cm/s, como indicado por LORENZ e VAZ (1998, p.368).
CASAGRANDE(1961) considerou a importância de se investigarem as
injeções constituídas de uma linha de furos, as quais podem não ser confiáveis.
Atualmente são mais executados tratamentos com cortinas profundas compostas de
mais de uma linha de furos, injeções rasas de colagem do contato concreto/rocha e
injeções de consolidação da porção superior do maciço, que geralmente se apresentam
com fraturas de alívio em vista dos abalos provocados pelos fogos de escavação.
2.3.1 O Exemplo de Itaipu
As estruturas de Itaipu estão apoiadas sobre os derrames basálticos da Bacia
do Alto Paraná pertencentes à Formação Serra Geral, de idade jurássica. Os derrames
são bastante uniformes, variando de um basalto cinzento no corpo do derrame, a uma
rocha vesicular, amigdaloidal e brechosa, nas zonas de transição da porção superior.
As principais características desses derrames na região de Itaipu são:
18
a) camadas praticamente horizontais com espessura variando entre 20 m e
60 m, tendo o basalto denso do corpo do derrame E = 20.000 MPa;
b) camadas de brecha posicionadas entre os derrames, apresentando-se
heterogêneas, mais fracas, e mais deformáveis (E = 7.000 a 10.000 MPa),
apresentando permeabilidade bem superior à do basalto (ver figura 26);
c) descontinuidades localizadas em planos paralelos aos derrames,
normalmente posicionadas próximas ao topo dos derrames ou na base do
basalto amigdaloidal.
O tratamento das fundações de Itaipu consistiu basicamente em uma cortina
de injeção profunda, executada ao longo do pé de montante da barragem, utilizando 3
linhas de furos verticais. O tratamento raso da fundação aplicou injeções de
consolidação e colagem. A figura 4 ilustra os esquemas de injeção aplicados em Itaipu,
onde o detalhe X permite observar a existência de três linhas de injeção profunda
executadas para o tratamento da rocha.
FIGURA 4 - ITAIPU - CORTINA DE INJEÇÃO NA OMBREIRA DIREITA
FONTE: GOMBOSSY (1981)
34m
El. 99
El. 00
19
Os procedimentos de execução das injeções em Itaipu foram indicados pela
IECO/ELC (1997), tendo a cortina profunda 3 linhas de furos, sendo obrigatória a
execução dos furos primários e secundários das linhas externas e eventual, os furos de
ordem terciária da linha central. Os furos primários e secundários estão espaçados de 3
metros entre si, tanto na linha de jusante como de montante. Nos locais com absorção
de cimento superior a 12,5 kgf/m, executaram-se furos de ordem superior na linha
central, utilizando o critério de "split spacing", que reduz o espaçamento entre os furos
terciários e quaternários pela metade, resultando em 1,5 metro a distância entre furos
na linha central. A profundidade das cortinas de injeção e drenagem foi governada,
essencialmente, pelas características do maciço basáltico de fundação, sempre
atingindo os níveis mais permeáveis das descontinuidades e contatos entre derrames.
No caso do basalto, o tratamento da rocha por injeções é importante para
reduzir a permeabilidade através do preenchimento das zonas de fraturas ou
descontinuidades presentes nesse tipo de rocha, caracterizada por planos sub-
horizontais, geralmente de grandes extensões.
A eficiência dessa cortina é fundamental para garantir melhorias físicas e
hidráulicas da rocha tratada, reduzindo o afluxo de águas de infiltração para o sistema
de drenagem.
As cortinas de drenagem são constituídas de furos igualmente espaçados e
dispostos logo a jusante da cortina de injeção profunda, com o objetivo de drenar as
águas que fluem através do maciço e aliviar as subpressões impostas pela carga
hidráulica do reservatório.
A figura 5 mostra o arranjo das cortinas de injeção e drenagem na região do
leito do rio da barragem de Itaipu.
20
FIGURA 5 - ARRANJO DAS CORTINAS DE INJEÇÃO E DRENAGEM NA REGIÃO DO LEITO DO RIO
FONTE: PORTO (2001)
2.4 INJEÇÃO OU DRENAGEM?
Durante a conferência “A primeira leitura de Rankine”, realizada para a
Sociedade Britânica de Mecânica de Solos e Fundações, CASAGRANDE (1961)
demonstrou que o sistema de drenagem é sempre mais eficiente para reduzir as
subpressões, quando comparado com cortinas de injeções executadas para tratamento
das fundações de barragens.
Nessa conferência, ele registrou o seu parecer à respeito do comportamento
de engenheiros, até de renome, ao dizerem-lhe que nos seus projetos, nunca
consideravam o efeito da cortina de injeção no dimensionamento da subpressão e, na
DIMENSÕES INDICADAS EM METRO
21
realidade, contavam somente com a drenagem, porém relutavam em defender essa
posição em público. Na verdade, os defensores das injeções respeitam o tratamento de
rocha por injeção de cimento como se fosse um dogma.
Nesse evento CASAGRANDE estabeleceu um marco nos conceitos de
tratamento de rocha de fundação, ao abrir um debate onde ele defendia, claramente,
apenas o uso de drenos para controle da subpressão. Esse procedimento ia contra uma
filosofia de 160 anos de uso de cortinas de injeção e uma prática estabelecida
empiricamente e adotada pelos técnicos da época. A barragem Dieppe na França, em
1802, foi a primeira a tratar suas fundações por injeção de cimento.
Como definido por ANDRADE(1982), essa afirmação do Profº Casagrande
fundamentava-se na sua consciência de homem prático, objetivo, que persistia
sustentando uma experiência que lhe dava suporte para enfrentar dogmas estabelecidos
no meio técnico. Naquela época era comum o uso de uma cortina de injeção seguida
por uma linha de drenos distando do paramento de montante, aproximadamente, 10%
da largura da base da barragem. Essa prática admitia diagramas de subpressão
recomendadas pelo Bureau of Reclamation (USBR), Corps of Engineers e Tennessee
Valley Authority (TVA), como mostrado por ANDRADE (1982, p.65).
O Corps of Engineers recomendava a cortina de vedação próxima ao
paramento de montante e profundidade até a camada impermeável.
As hipóteses de subpressão recomendadas para as barragens do Tennessee
Valley Authority(TVA) admitem a eficiência da cortina de injeções, que deverá ter
profundidade aproximadamente de 1/3 da carga hidráulica de montante, e
recomendam, uma linha de drenos com espaçamento inferior ou igual a três metros
entre furos e profundidade da linha de injeção. Apesar do TVA admitir a eficiência da
cortina de injeção, o seu critério de subpressão é mais conservador e expressa que a
22
intensidade de pressão na linha de drenos pode atingir 50% da diferença de carga
hidrostática entre o nível do reservatório e o topo da fundação a jusante da barragem,
nos casos com níveis de jusante baixos. Se ocorrer nível d'água alto a jusante, o
critério de subpressão do TVA é menos conservador e admite na linha de drenos a
carga hidráulica inferior a 25% da diferença de carga hidrostática entre o nível do
reservatório e de jusante, como mostrado na figura 6.
FIGURA 6 - CRITÉRIOS DE SUBPRESSÃO DO TVA
FONTE: ANDRADE (1982)
O Bureau of Reclamation(USBR) adotou um critério semelhante para suas
barragens na década de 1950, admitindo para a subpressão na linha de drenos um valor
igual ao nível de jusante mais 1/3 da carga hidráulica entre o nível do reservatório e de
jusante, como mostrado na figura 7.
FIGURA 7 - CRITÉRIO DE SUBPRESSÃO DO BUREAU OF RECLAMATIONS(USBR)
FONTE: ANDRADE (1982)
23
SABARLY(1968) foi um importante aliado do Professor Casagrande ao
mostrar que numa barragem estanque fundada em terreno homogêneo e contínuo, o
efeito de uma cortina de injeções, mesmo perfeita, a menos que possua uma
profundidade considerável, praticamente não é notado nas medidas de subpressões na
base da barragem. SABARLY fez uma análise da subpressão de uma barragem de
gravidade, sobre a qual o autor do artigo mostrou a figura 8 e fez a seguinte afirmação:
"Pode-se ver que a cortina de injeções é eficaz, pois, em combinação com o sistema de
drenagem, reduz consideravelmente o valor das subpressões".
FIGURA 8 - SUBPRESSÃO MEDIDA NA FUNDAÇÀO DE UMA BARRAGEM DE GRAVIDADE
FONTE: SABARLY (1968)
Na abordagem crítica do artigo citado, SABARLY não concordou com a
afirmação do autor e considerou justamente o contrário, ou seja, se a cortina fosse
realmente estanque, o nível indicado pelos piezômetros posicionados a montante da
cortina de injeção deveria situar-se próximo do nível do reservatório. Este exemplo
mostra claramente a conveniência de pôr de novo em discussão o tema denominado
por CASAGRANDE em 1961 de “dogma”, em relação à idéia que a maioria dos
técnicos tem como ponto pacífico, de que é inconcebível realizar uma obra sem cortina
de injeção, enquanto a drenagem é relegada a um plano secundário.
24
Recomenda-se que não se trata de suprimir sistematicamente a cortina de
injeção e de se executar sempre sistemas de drenagem considerável. A arte do
projetista consiste em ter profundo conhecimento dos fenômenos físicos e
condicionantes geológicos envolvidos para adaptar, para cada caso, os princípios
gerais sem subestimar ou superestimar um em relação aos outros.
É fato conhecido que é muito mais difícil melhorar a resistência à
compressão, cisalhamento e hidrogeotécnicas de uma fundação por injeções quando a
permeabilidade inicial da rocha é muito baixa, sendo relativamente simples reduzir de
diversas potências de dez, por meio de injeções, a permeabilidade de um terreno muito
permeável. Porém a injeção clássica não terá qualquer efeito em terreno de baixa
permeabilidade. Assim, pode-se concluir por uma linha de ação geral:
a) em terreno pouco permeável (k < 10-6 cm/s), a cortina de injeção não terá
qualquer efeito, sendo portanto inútil. Mas, as subpressões irão se
desenvolver exatamente como num terreno mais permeável e a drenagem
será portanto indispensável. Deixar-se-á de lado a cortina de injeção
(apesar do dogma), e todo esforço deverá ser concentrado na drenagem;
b) em terreno muito permeável (k > 10-4 cm/s), somente a drenagem, sob o
ponto de vista de subpressões, teria a mesma eficácia que em terrenos
pouco permeáveis, mas a sua vazão poderia ser considerável e
inadmissível para a economia do projeto, com possibilidade de saturação
do sistema de drenagem. Além disso, há grande risco de erosões internas
do material de fundação, devido às elevadas velocidades de percolação.
Mas nesse caso, a cortina de injeção é capaz de reduzir de reduzir de
várias potências de dez a permeabilidade do terreno. Executando a cortina
de injeção, o sistema de drenagem se tornará menos necessário, pois o
25
terreno a jusante da cortina continua muito permeável em relação à
cortina de injeção, e as subpressões perigosas não se desenvolvem. Para
concluir o assunto, que evidentemente não está esgotado, Sabarly
mencionou o baixo custo de uma rede de drenagem em relação aos
tratamentos da rocha por injeções.
No Brasil é comum e amplamente aplicado nos projetos, o diagrama
recomendado pelo USBR. Nos Critérios de Projeto Civil de Usinas Hidrelétricas, a
Eletrobrás(2001) recomendou a adoção de um diagrama de subpressão igual ao critério
do USBR, com drenos operantes e não operantes, nos cálculos de estabilidade do
bloco da barragem.
RUGGERI(2001), relator do grupo de trabalho europeu em subpressão de
barragens, publicou um diagrama de subpressão que leva em conta o diâmetro do furo
do dreno, o espaçamento entre drenos e a distância da linha de drenos ao paramento
molhado da estrutura. Esse diagrama resultou do estudo de caso de subpressão na
fundação de centenas de barragens de gravidade, que foi elaborado pelos comitês de
países europeus. Desse estudo, resultaram os ábacos apresentados na figura 9, os quais
permitem determinar o percentual de redução da subpressão na linha de drenos.
26
FIGURA 9 - EXEMPLOS DE SUBPRESSÃO - ESTUDO DE CASOS DE BARRAGENS DA EUROPA
(a) - espaçamento entre drenos
(b) - distância entre linha de drenos e paramento molhado
(c) - constante de cálculo
(h) - carga do reservatório
(h*) - subpressão na linha de drenos
(1 ) - curvas acrescentadas para o caso de Itaipu
( r ) - raio do furo de drenagem
FONTE: RUGGERI (2001)
As retas tracejadas sobre os ábacos de estudo de caso da figura acima
representam a barragem maciça da Estrutura de Desvio de Itaipu, a qual indicou nos
diagramas de RUGGERI uma subpressão do contato concreto rocha igual a 10% do
total da coluna hidráulica do lago. Essa subpressão medida a partir dos piezômetros
instalados no interior dessa estrutura, atualmente (ano de 2002) representa 5% da
altura da coluna de água do reservatório. Pode-se observar que esse valor medido na
fundação da Estrutura de Desvio representa uma subpressão na linha de drenos bem
inferior aos valores preconizados nos diagramas do USBR e ELETROBRÁS.
27
3. ENSAIO DE PERDA D'ÁGUA SOB PRESSÃO
O ensaio de perda d'água consiste em medir a vazão de água injetada sob
pressão no interior do maciço rochoso, através de um trecho de um furo de sondagem,
com o objetivo de determinar a permeabilidade e o comportamento da rocha frente à
percolação de água pelas fissuras da camada ensaiada. O resultado desse ensaio é
expresso em função do comprimento unitário do trecho ensaiado e representa a perda
d'água específica do maciço (PE), a qual é representada por l/(min.m.atm).
3.1 HISTÓRICO
O simples ensaio de injeção de água no meio rochoso proposto pelo geólogo
LUGEON (1933) mostrou-se satisfatório para avaliar a condutividade hidráulica da
rocha e investigar a sua injetabilidade. Atualmente, é prática normal efetuar ensaios de
perda d’água sob pressão, também denominado "ensaio Lugeon", em furos de
investigações geológicas dos maciços rochosos e nas sondagens executadas durante o
tratamento da rocha por injeções.
Esse ensaio bastante simples consiste em medir a vazão d’água que penetra
no maciço, em um trecho do furo de sondagem, geralmente variando de 3 a 6 metros
de comprimento. O ensaio proposto por Lugeon é realizado sob a pressão de 1 MPa
(10 kgf/cm2), a qual é aplicada em todos os trechos do furo, qualquer que seja a
profundidade do trecho ensaiado. A quantidade de água injetada, avaliada em
litro/minuto, por metro de furo sob a pressão de 10 atm (10 kgf/cm2) é conhecida por
unidade Lugeon e eqüivale a uma perda d'água específica PE=1,0 l/(min.m.10 atm). A
partir desse ensaio adotou-se a seguinte regra prática para avaliar a injetabilidade do
maciço rochoso:
a) a rocha do maciço é considerada estanque, ou seja, de baixa
permeabilidade, quando o ensaio de perda d'água apresentar resultado
28
inferior a uma unidade Lugeon e, nesse caso, a rocha poderá não ser
tratada por injeção de material de impermeabilização;
b) a rocha do maciço é considerada permeável, quando o ensaio de perda
d'água apresentar resultado maior do que uma unidade Lugeon e, nesse
caso, a rocha deverá ser tratada por injeção de material de
impermeabilização;
Na tradução do artigo de SABARLY (1968), os geólogos Guidicini e Barros
registraram que essa regra muito simples, citada acima, obteve grande sucesso junto
aos projetistas, pois estabelecia os critérios de injetabilidade da rocha e indicava , para
o tratamento da fundação, a pressão de injeção em 1 Kgf/cm2 por metro de
profundidade do furo.
No Brasil, o ensaio de Lugeon ficou consagrado como o “ensaio de perda
d’água sob pressão”. O ensaio foi paulatinamente utilizado a partir da década de 50,
durante a implantação dos grandes aproveitamentos hidrelétricos, com importantes
modificações conforme descritas por CORRÊA FILHO e IYOMASA (1983), no item
referente à evolução histórica deste ensaio, como mostrado abaixo:
a) em 1954, as pressões de injeção d’água passaram a ser relacionadas com
a profundidade, tendo sido aplicado 1 Psi/pé de profundidade do trecho
ensaiado, correspondendo de forma aproximada a ≅ 23 kPa por metro de
profundidade de furo. Dessa forma não era mais aplicada a pressão de
1000 kPa ao longo do furo, conforme preconizado por Lugeon, e assim,
para o ensaio realizado nessa nova condição de pressão foi introduzida
uma nova unidade expressa em litro/(min.metro.100kPa), a unidade de
perda d'água específica (PE). Esse critério de pressão máxima do ensaio
relacionado com a profundidade do trecho ensaiado é aplicado até hoje.
Tal critério tem como premissa, para definir a pressão máxima de ensaio,
a densidade média do maciço sobreposto, ou seja, a pressão aplicada em
29
uma hipotética fissura plana da rocha deverá ser inferior à pressão
provocada pelo peso do bloco de rocha situado acima dessa fissura. Com
isso, podem-se evitar possíveis alterações dos parâmetros geomecânicos e
hidrogeológicos das fraturas da rocha;
b) em 1968, as pressões efetivas de cálculo do valor de perda d‘água
passaram a considerar os efeitos do atrito exercido pela água nas paredes
internas das tubulações e conexões utilizadas na composição do ensaio;
c) a partir de 1975, o estabelecimento das diretrizes para execução dos
ensaios de perda d’água sob pressão, editadas pela ABGE, foi um marco
importante para a padronização dos procedimentos de execução, cálculos,
interpretação e comparação entre os resultados obtidos dos ensaios em
diversas obras. Esse ensaio busca determinar a permeabilidade de
maciços rochosos de fundação de barragens, com o objetivo de se estudar
a percolação e possíveis tratamentos de impermeabilização.
Após 1975, pouco foi acrescentado nos procedimentos do ensaio,
destacando-se:
a) ensaio de múltiplo estágio(EME), visando melhor comparação e
correlação entre os dados obtidos no campo e os ensaios de laboratório,
em estudos do IPT, apud QUADROS(2002);
b) ensaio TRH (Teste de Ruptura Hidráulica) proposto por
ANDRADE(1987) e que consiste de uma tela permeável acoplada à parte
inferior do obturador utilizado no ensaio de perda d'água. A tela tem a
finalidade de registrar as descontinuidades portadoras de água existentes
no trecho submetido ao ensaio. Ao encerrar o teste, o fluxo d'água para o
interior do furo cessa deixando impressos na tela as descontinuidades
permeáveis. Ainda em 1986, o IPT utilizou membrana de borracha
30
substituindo a tela permeável, para melhor gravação das fissuras da
parede do furo e incluiu um transdutor eletrônico de pressão no interior
do obturador, para medir a pressão efetiva atuante no trecho de ensaio,
conforme mostrado por QUADROS(2002).
PIERRE(1973) reconhece o teste de perda d’água, originalmente proposto
por Maurice Lugeon em 1933, como um critério de injetabilidade da rocha. Mas,
alertou que alguns autores têm mostrado que o total de água injetada sob pressão
absorvida pela rocha, não é um parâmetro intrínseco de sua permeabilidade, mas
preferencialmente do seu grau de fraturamento. No entanto, após a execução das
injeções de cimento para tratamento da rocha de fundação da barragem, espera-se que
o ensaio de perda d'água seja realizado em meio mais homogêneo, permitindo um
fluxo laminar da água de ensaio de forma a expressar a condutividade hidráulica do
maciço nos locais ensaiados.
Naquela época aceitava-se que a curva vazão versus pressão do ensaio de
Lugeon deveria ser corretamente interpretada antes de ser considerada como um
simples valor de injetabilidade do maciço rochoso ensaiado sob pressão de 1000 kPa,
como proposto por ele. Discutia-se que sendo o comprimento do trecho ensaiado
variável, outras informações podem ser obtidas a partir do trecho ensaiado, como por
exemplo conhecer a abertura das descontinuidades e a posição das fissuras permeáveis.
É mostrado na figura 10 o tratamento da rocha, a instrumentação e a
drenagem da fundação de um bloco mais alto de Itaipu posicionado na região do leito
do Rio Paraná. Nessa figura está indicado um dos furos da cortina de injeção
executada para o tratamento da rocha, onde foi realizado um ensaio de perda d'água.
31
FIGURA 10 - BLOCO MAIS ALTO DE ITAIPU
FONTE: PORTO (1999)
Na figura 10 podem ser observadas as cortinas de injeção executadas ao
longo do pé de montante e de jusante da barragem, além de indicar um dos furos onde
se realiza o ensaio de perda d'água, também denominado de "Lugeon".
3.2 RECOMENDAÇÕES SOBRE OS EQUIPAMENTOS DE ENSAIO
Os equipamentos básicos utilizados nos ensaios estão mostrados no esquema
de montagem apresentado na figura 11.
FURO DE ENSAIO
32
FIGURA 11 - ESQUEMA DE MONTAGEM DOS EQUIPAMENTOS DO ENSAIO
FONTE : OLIVEIRA, SILVA e FERREIRA (1975)
As características técnicas dos equipamentos e recomendações práticas
apresentadas a seguir, referem-se às campanhas de sondagem mais comuns, como
furos de diâmetro de 76,2 mm e comprimento em torno de 50 metros:
a) Bomba d’água – com capacidade de 100 litros/min sob pressão de 1 MPa.
CORRÊA FILHO e IYOMASA(1983), registraram que já havia
mudanças nos equipamentos de sondagem, visando melhorar os
resultados. Assim foi testado nas tubulações de diâmetro até 1 1/4" para
reduzir a perda de carga na tubulação e bombas de 100 litros/min. a 1
MPa. Em Itaipu a bomba especificada foi de vazão livre de 120
litros/min.
b) Tubulação – também denominada de composição de ensaio, compõe-se
de tubos galvanizados, conexões como joelho, T, luvas, etc. O diâmetro
desses equipamentos é fundamental para a definição do valor de perda de
carga na tubulação, a qual deverá ser considerada na pressão efetiva de
ensaio e aplicada nos cálculos do ensaio. Sabe-se que as tubulações com
33
diâmetro acima de 50,8mm, a perda de carga é menor, como pode-se
observar nos ábacos apresentados no item 3.7.2.1, onde o diâmetro de
tubulação maior indica perda de carga menor. No entanto, sua aplicação
exigiria furos de maior diâmetro, de custo mais alto. Como a maioria das
campanhas de sondagem é executada com furos de 3” (76,2 mm), a
tubulação de ensaio mais usual é de 1” (25,4 mm), que representa uma
perda de carga de valor médio ao longo das tubulações utilizadas nos
ensaios.
c) Estabilizador de pressão – constitui-se de um tambor posicionado entre a
bomba e o manômetro que possibilita amortizar as oscilações de pressão,
provocadas pelo impacto da bomba, por meio da variação de volume do
ar contido no interior do tambor. A variação de pressão lida no
manômetro dever ser inferior a 10% da pressão indicada em cada estágio
do ensaio. É recomendável utilizar mais de um tambor, conectado em
linha, para atingir essa variação de pressão.
d) Hidrômetros – os hidrômetros utilizados nos ensaios de perda d'água são
do tipo volumétrico e indicam o volume de água injetada no trecho de
ensaio. A capacidade nominal da maioria dos hidrômetros é de três a
cinco m3/h nas canalizações com diâmetro de 3/4” e de 7 a 10 m3/h para
diâmetro de 1”. É recomendável que esse equipamento seja sensível para
medir vazão mínima de 3 litros/min. O hidrômetro deve ser aferido antes
de entrar em uso e a diferença entre a vazão real e nominal deve ser
inferior a 10 %, para ser considerado aceitável para uso no campo;
e) Manômetro – utilizar com fundo de escala inferior a duas vezes a pressão
máxima a ser aplicada no ensaio;
f) Salva-manômetro - dispositivo montado antes do manômetro para sua
proteção;
g) Obturador – é mais comum o uso de obturador de reação mecânica para
expansão da borracha que permite vedar e isolar o trecho de ensaio. A
34
foto 1 mostra dois obturadores simples de reação mecânica..
FOTO 1 - OBTURADOR SIMPLES TIPO MECÂNICO DE 4" (101,6 mm) e de 3" (76,2 mm)
FONTE: ITAIPU - DIVISÃO DE GEOLOGIA
h) Nota: é tecnicamente aconselhável que o ensaio de perda d'água seja
realizado durante a execução da perfuração e em trechos descendentes, ou
seja, a cada três a seis metros interrompe-se a perfuração, executa-se o
ensaio, e em seguida retoma-se a perfuração. Nesses casos, a
confiabilidade do ensaio é maior, se comparada com o ensaio executados
utilizando obturador duplo. Esse tipo de obturador dificulta perceber na
superfície, qualquer vazamento ou fuga da água de ensaio, devido à uma
vedação imperfeita entre a borracha do obturador e a parede do furo. Os
obturadores mecânicos tem menor custo, porém exigem mais tempo
operacional de ensaio, por dificuldades de manuseio da tubulação.
Podem-se também, utilizar obturadores infláveis acoplados à mangueiras,
que permitem menor tempo de descida e retirado do equipamento do
interior do furo, porém de custo mais alto. No Brasil, não é comum o uso
dos obturadores pneumáticos
4"
3"
35
3.3 PROCEDIMENTOS DE EXECUÇÃO DO ENSAIO
O ensaio de perda d'água consiste em medir a água injetada em um trecho do
furo, a qual deve ser aplicada em três ou cinco estágios de pressão. Cada estágio de
pressão deve ser mantido até que se obtenha a vazão constante, representando a
condição de fluxo permanente, devendo-se, em seguida, medir a absorção de água que
infiltra na rocha, efetuando-se cinco medidas de vazão a cada minuto
aproximadamente. A média dessas medidas constitui um ponto da curva de vazão
versus pressão efetiva de ensaio. Esses pares de dados devidamente tratados permitem
calcular a perda d'água específica (PE), a qual reflete a permeabilidade do trecho
ensaiado. OLIVEIRA, SILVA e FERREIRA (1975), registraram que o ensaio de perda
d'água é muito utilizado para calcular a permeabilidade da rocha ensaiada, bastando
para isso, multiplicar seu valor por fatores que dependem de parâmetros
hidrogeológicos e geométricos do trecho ensaiado, conforme será mostrado no item 4.
A execução do ensaio em trechos de furos já perfurados exige o uso de
obturador duplo, o que torna mais difícil identificar na superfície qualquer vazamento
da água injetada, caso ocorra a vedação imperfeita entre a parede do furo e o
obturador, principalmente no seu trecho inferior. Assim, os resultados dos ensaios
devem ser analisados com reserva, em vista da pouca confiabilidade da operação de
vedação entre a borracha do obturador e a parede do furo.
A seguir apresentam-se, "passo a passo", os procedimentos operacionais do
ensaio, os quais estabelecem a sua seqüência de execução:
a) 1º passo: com o furo obturado e efetuadas as medidas de profundidade do
trecho de ensaio, nível d’água do terreno, nível freático, comprimento da
composição e altura do manômetro, passa-se a injetar água com a pressão
de 10 kPa do 1º estágio do ensaio, estabelecido pelo critério de pressão
indicado a seguir no item 3.4. Mantém-se injetando água sob pressão
36
constante, durante o tempo necessário para o estabelecimento de um
regime de percolação permanente. Ao atingir esse regime, a cada minuto
registram-se cinco valores de vazão correspondentes aos volumes de água
lidos no hidrômetro, os quais representam a absorção de água injetada no
maciço. Caso as três primeiras leituras de vazão não sofram alterações
significativas, ou seja, quando a variação dessas leituras for inferior a
10%, o ensaio desse estágio pode ser encerrado, passando-se para o
estágio seguinte de pressão
Em geral tem-se adotado um tempo de 10 minutos para atingir a
estabilização do fluxo, para iniciar as leituras de vazão;
b) 2º passo: concluído o estágio inicial procede-se ao aumento cuidadoso da
pressão para o estágio intermediário (2º estágio do ensaio), registrando
cinco valores de vazão após a estabilização do fluxo;
c) 3º passo: aumentar gradualmente a pressão do manômetro para aplicar a
pressão de estágio máximo (3º estágio do ensaio) e registram-se as vazões
conforme estabelecido no passo anterior;
c) 4º passo: após a conclusão do estágio com pressão máxima, dar início ao
processo de redução da pressão para o estágio intermediário de pressão
(4º estágio do ensaio) e, finalmente, reduzir para o estágio mínimo (5º
estágio do ensaio). Registrar as vazões da mesma forma indicada
anteriormente, ou seja, após o estabelecimento de fluxo permanente da
água injetada. Em seguida encerra-se o ensaio;
d) na folha de campo devem ser registradas todas as anotações indicadas
acima, como mostrado na figura 12.
37
FIGURA 12 - FOLHA DE CAMPO DE ANOTAÇÕES DO ENSAIO DE PERDA D'ÁGUA
FONTE ; ITAIPU (DIVISÃO DE GEOLOGIA)
No caso do trecho ensaiado apresentar alta absorção é muito importante
anotar, a vazão máxima registrada pela bomba e a pressão manométrica atingida no
ensaio.
Os procedimentos de execução do ensaio indicados acima complementam
aqueles recomendados por OLIVIERA, SILVA e FERREIRA (1975), sob o ponto de
vista de procedimentos do ensaio de perda d'água, os quais foram também
apresentados pelos autores como roteiro operacional de execução do ensaio.
38
3.4 CRITÉRIOS DE PRESSÃO OPERACIONAL DO ENSAIO (Pm)
A definição da pressão do ensaio é de fundamental importância, por ter
grande influência nos resultados a serem obtidos. De maneira geral, a pressão
operacional de ensaio, ou seja, a pressão a ser lida no manômetro (Pm) é definida por
duas escolas de tendências diferentes:
a) a primeira de “altas pressões”, representada pelo circuito europeu de
ensaio (figura 13), tem suas raízes em Lugeon, com aplicação de pressões
de 1 MPa, independentemente da profundidade do trecho ensaiado;
b) a segunda de “baixas pressões” representa a escola americana que
considera a pressão máxima operacional de ensaio igual a 1 Psi por pé de
profundidade ≅ 23 kPa por metro de profundidade do trecho em ensaio;
SABARLY (1968) mostrou os esquemas dos circuitos de montagem do
ensaio de perda d'água dessas duas escolas, os quais constam da figura 13, onde se
observa que para altas pressões (circuito europeu), a tubulação de ensaio não está
equipada com dispositivo de retorno da água injetada.
FIGURA 13 - CIRCUITOS DE MONTAGEM DO ENSAIO DE PERDA D'ÁGUA (ESCOLAS AMERICANA E EUROPÉIA)
FONTE : SABARLY (1968)
No Brasil o ensaio de perda d'água adota a escola de "baixas pressões", as
quais devem ser aplicadas em cinco estágios, sendo dois estágios de pressão mínima,
dois estágios de pressão intermediária e um estágio de pressão máxima como
recomendado no trabalho de OLIVEIRA, SILVA e FERREIRA(1975). Considerando
CIRCUITO EUROPEU CIRCUITO AMERICANO
39
que nesse trabalho, denominado de "Diretrizes ABGE", foi recomendado o cálculo da
pressão máxima de ensaio igual a 1 Psi/ pé de profundidade, sem indicar a referência
dessa profundidade, considera-se oportuno apresentar abaixo tanto o critério
recomendado pelas Diretrizes ABGE, como o critério utilizado em Itaipu para cálculo
da pressão manométrica máxima de ensaio (Pm):
a) critério ABGE - recomendou a aplicação de 25 kPa (0,25 kgf/cm²) por
metro de profundidade do obturador para determinar a pressão máxima de
ensaio. A partir dessa pressão, são estabelecidas as pressões dos demais
estágios do ensaio conforme indicado a seguir:
- 1º estágio = pressão mínima = 0,10 kgf/cm2;
- 2º estágio = pressão intermediária = 50% da pressão máxima;
- 3º estágio = pressão máxima = 0,25 kgf/cm2/m de profundidade do
obturador;
- 4º estágio = pressão intermediária. = 50% da pressão máxima;
- 5º estágio = pressão mínima = 0,10 kgf/cm2.
b) critério Itaipu - nos ensaios realizados em Itaipu, foi utilizado o critério de
20 kPa (0,20 kgf/cm2) por metro de profundidade do ponto médio do
trecho de ensaio, para determinar a pressão manométrica máxima de
ensaio. Essa pressão manométrica maior, principalmente se o trecho
ensaiado atingir 6 m de comprimento, resultará em pressão efetiva do
ensaio ( Pe ) também maior. Com isso, os valores de perda d'água
específica serão menores, conforme pode-se observar na equação 5. Para
os demais estágios os valores de pressão operacional (Pm) serão
calculados conforme indicado no item anterior. Pelo critério recomendado
pelas Diretrizes ABGE, o ensaio teria a pressão máxima menor, pelo fato
de considerar a profundidade do obturador, ou seja, o nível do topo do
trecho de ensaio.
O critério de pressão manométrica aplicado em Itaipu resultará em valores
menores de permeabilidade da rocha ensaiada, a qual conduzirá à valores menores de
40
vazão de água, considerada normal, que se espera que percole pela fundação da
barragem. Assim procedendo, pretende-se obter um de determinação de vazão mais
conservador.
É comum a aplicação de apenas três estágios de pressão ao invés de cinco, e
a adoção de trechos de ensaios de 5 m, com o objetivo de otimizar os trabalhos de
sondagem, deixando de executar o 2º e 4º estágios. A boa técnica de ensaio recomenda
a sua realização em trechos descendentes, ou seja, a cada trecho perfurado do furo
paralisa-se a perfuração, executa-se o ensaio e retoma-se a perfuração novamente.
Nesse caso, nenhum CONTRATADO aceita passivamente a paralisação do
equipamento de produção, para aguardar a execução do ensaio de perda d'água, de
grande importância para caracterizar a condutividade hidrogeológica da rocha de
fundação da barragem. Por essa razão, recomenda-se a inclusão de cláusulas
contratuais que permitam a execução desses ensaios.
3.5 PRESSÃO EFETIVA DE ENSAIO (Pe)
Definida a pressão operacional (Pm) e realizado o ensaio, pode-se calcular a
pressão efetiva, ou seja, aquela pressão atuante no trecho em ensaio, a qual considera
outras forças envolvidas, como o peso da coluna d'água, artesianismo, a posição do
lençol freático do furo e a perda de carga que ocorre ao longo da tubulação.
Para avaliar numericamente o ensaio, deve-se primeiro calcular a pressão
efetiva (Pe). Para isso, a figura 14 apresenta três situações de atuação do peso da
coluna de água (H) em relação à posição do nível freático do furo (N). O peso dessa
coluna de água é uma das parcelas de cálculo a pressão efetiva (Pe). A figura 14
apresenta também outros parâmetros a serem considerados no cálculo da pressão
efetiva atuante no trecho de ensaio:
41
FIGURA 14 - PARÂMETROS UTILIZADOS NO CÁLCULO DO ENSAIO DE PERDA D'ÁGUA
FONTE: OLIVEIRA, SILVA e FERREIRA (1975)
a) Parâmetros hidrológicos e geométricos
- N = Profundidade do nível d'água do furo (NA), em metro;
- N’ = Pressão de artesianismo mca (metro de coluna de água);
- Pob = Profundidade do obturador, em metro;
- H = Peso da coluna d’água atuante no ponto médio do trecho ensaiado,
em metros, a qual dividida por 10 mca fornece o valor de H em
kgf/cm2;
- h = Altura do manômetro, em metro;
- L = Comprimento do trecho ensaiado, em metro;
- C = Comprimento da tubulação entre o manômetro e o obturador (m);
CASO 3
TRECHO ENSAIO ABAIXO DO N.A. (CASO 2)TRECHO ENSAIO ACIMA DO N.A. (CASO 1)
42
- d = Diâmetro do furo = 2r, em metro.
b) Cálculo da Pressão efetiva aplicada no trecho médio do ensaio
- Para determinar a Pe temos três casos de "H" (peso da coluna d'água)
conforme mostrado na figura 14:
- Caso 1 Trecho do ensaio acima do nível d'água do furo (N)
- 2
LPobhH ++= (1);
- Caso 2 Trecho do ensaio abaixo do nível d'água do furo (N)
- hNH += (2);
- Caso 3 Furo de ensaio com artesianismo (N')
- hNH +−= ' (3);
A pressão efetiva de ensaio(Pe) é calculada com a seguinte equação:
- PcPmH
Pe −+=10
(4)
ondePe em kgf/cm2
Pm em kgf/cm2
Pc indica a perda de carga em do fluxo de água ao longo datubulação, em kgf/cm2 e seu valor pode ser obtido pelos ábacosapresentados no item 3.7.2.1 em kgf/cm2 Observação: para expressar os valores de pressão em kPa, deve-seutilizar a relação 1kgf/cm2 = 100 kPa;
c) Resumo dos dados de ensaio
- Q = Vazão média em l/min de água injetada e em cada estágio de
pressão, como registrado na folha de campo da figura 12;
- Pm = Pressão manométrica (kgf/cm2) indicada pelo critério apresentado
no item 3.4;
- Pc = Perda de carga (kgf/cm2) calculada pelos ábacos mostrados no
item 3.7, tendo como referência o comprimento da tubulação(C) e da
vazão "Q" medida no ensaio;
- Pe = Pressão efetiva de ensaio em kgf/cm2, a ser calculada pela
equação 4.
43
3.6 CÁLCULO DO ENSAIO DE PERDA D’ÁGUA ESPECÍFICA (PE)
Após a determinação dos valores e parâmetros anteriormente mostrados,
pode-se calcular o valor da perda d'água específica do ensaio com o uso da fórmula
abaixo (equação 5), apresentada por Mello e Cruz (1960), apud CORRÊA FILHO
(1985, p.76), para determinar o coeficiente de perda d'água específica (PE) do ensaio
de perda d'água sob pressão,
)2/..min/(,..min.
min.
22
cmkgfml em
cm
kgfm
l
cm
kgfm
litro
PeLQ
PE ============ (5)
Essa equação é muito utilizada para expressar a permeabilidade do maciço
rochoso, apesar dos erros grosseiros que ocorrem nesse ensaio. A ampla utilização
desses resultados se deve ao seu baixo custo, simplicidade e rapidez de execução,
quando comparado com os ensaio de permeabilidade tradicionais.
OLIVEIRA, SILVA e FERREIRA (1975, p.8), autores das Diretrizes da
ABGE indicam que esse valor do ensaio de perda d'água (PE) é muito utilizado para
determinar a permeabilidade da rocha, considerando o ensaio com regime de fluxo
laminar, apesar de pouco ocorrer esse regime em meios fraturados.
3.7 PERDA DE CARGA NA TUBULAÇÃO DE ENSAIO
É de fundamental importância determinar a perda de carga gerada pelo atrito
entre a água e a parede da tubulação durante a execução do ensaio, em conseqüência
do fluxo de água injetada sob pressão. Antes da apresentação dos critérios de perda de
carga, julgou-se necessário fazer uma descrição sobre os diâmetros utilizados nos
serviços de sondagens, como registrado a seguir.
44
3.7.1 Diâmetros dos Equipamentos de Sondagens
Com relação à nomenclatura utilizada para especificação de diâmetros dos
equipamentos de perfuração e segundo o fabricante MAQUESONDA (1970), a
primeira tentativa de enquadrar, padronizar e identificar todo material usado em
sondagens rotativas a diamante ocorreu em 1880. Inicialmente, a coroa "A" seria
acoplada num barrilete "A", acionado por hastes "A", através de um revestimento "A"
fabricado em tubo de 2" (50,8 mm), o revestimento "B" em tubo de 2,5" (63,5 mm), o
revestimento "E" em tubo de 1,5" (38,1 mm) e o revestimento "N" em tubo de 3" (76,2
mm). À medida que novos diâmetros de tubos se tornavam mais acessíveis, os
fabricantes se uniram para ajustar e padronizar as dimensões de diâmetros mestre
integrando-os num grupo seqüencial. Nessa oportunidade foi acrescentada uma
segunda letra para caracterizar o diâmetros mestre, como EX, AX, BX e NX em ordem
crescente. Posteriormente, decidiu-se pelo uso da letra W de "worldwide", ou seja,
mundial ao invés da letra X, sendo que as letras W e X são sinônimas. Até hoje foram
aprovados 11 jogos de ferramentas pela DCDMA - Diamond Core Drill Manufacturers
Association, os quais constam da tabela 1.
TABELA 1 - DIÂMETROS DE EQUIPAMENTOS DE SONDAGEM ROTATIVA
FONTE: MAQUESONDA (1970)
Diâmetro nominaldo Furo
Denominçãodasérie POL mm
RevestimentoLinha X
(1)
HastesLinha W
(1)
DiâmetroAmostra
R 1" 25,4 36,6 x 30,3 27,8 x 10,3 18,3
E 1 1/2" 38,1 46,2 x 41,2 34,9 x 11,1 20,6
A 2" 50,8 57,3 x 50,7 43,7 x 15,9 30,0
B 2 1/2" 63,5 73,2 x 65,0 54,0 x 19,0 41,3
N 3" 76,2 89,1 x 80,8 66,7 x 34,0 54,0
K 3 1/2" 88,9 89,1 x 80,8 73,0 x 60,3 * 68,3
H 4" 101,6 114,5 x 104,6 88,9 x 60,3 76,0
P 5" 127,0 139,7 x 127,9 92,1
S 6" 152,4 168,3 x 155,0 112,0
U 7" 177,8 193,7 x 179,9 139,0
Z 8" 203,2 219,0 x 206,0
114,3 x103,2 **
ouA P I
165,0
* Haste munida de rosca cônica API** Haste da Linha "Q" (wire line)(1) Diâmetros Externo e Interno
45
3.7.2 Critérios Recomendados para Avaliação da Perda de Carga
As Diretrizes ABGE consideram que uma tubulação com diâmetro igual ou
inferior a 3/4" (19,05 mm) introduz grandes perda de carga e deve ser evitada. Ao
contrário, as tubulações de diâmetro superior a 2" (50,8 mm) apresentam valores de
perda de carga bem menores. Por essa razão, é recomendada pelas Diretrizes ABGE a
execução de ábacos de perda de carga nas próprias canalizações de ensaios que serão
utilizados nos trabalhos de campo.
3.7.2.1 Perda de carga na tubulação de ensaio - Ábacos aplicados em Itaipu
Seguindo as recomendações das Diretrizes ABGE, a Itaipu executou diversos
ensaios de perda de carga em tubulações que foram utilizadas nos trabalhos de
sondagem e elaborou os ábacos apresentados nas figuras 15 a 18, que mostram a perda
de carga em tubulações de quatro diferentes diâmetros de composição de ensaio. Os
ábacos apresentados foram elaborados para os serviços de geotecnia de Itaipu e
resultaram de medições diretas da perda de carga em vários comprimentos de
tubulação (C), com extensão de até 150 m, por onde passaram diferentes vazões (Q),
que permitiram a elaboração das curvas de perda de carga apresentadas a seguir.
1º Ábaco - Para elaborar as curvas de perda de carga apresentadas na figura
15 utilizou-se para circulação de água uma tubulação de hastes (AW) do equipamento
de perfuração, com diâmetro interno de 15,9 mm e obturador de tubo galvanizado com
φ "1"(25,4 mm). As medições mostraram uma perda de carga elevada de 2200 kPa que
corresponde a 22 kgf/cm2 em condições extremas de ensaio. Isso se deve à reduzida
dimensão do diâmetro interno da tubulação. O uso desse ábaco não é recomendável
devido aos grandes valores de perda de carga registrados nessa composição de ensaio.
46
FIGURA 15 -.ÁBACO COM HASTE DE PERFURAÇÃO AW (15,9 mm) e OBTURADOR DE 1" (25,4 mm)
FONTE: ITAIPU (DIVISÃO DE GEOLOGIA)
2º Ábaco - As curvas apresentadas na figura 16 foram obtidas utilizando para
circulação de água o próprio revestimento de torque do barrilete do equipamento de
perfuração com diâmetro nominal de 76,2 mm (NX) e obturador de tubo galvanizado φ
1" (25,4 mm). As medições mostraram uma perda de carga abaixo de 380 kPa que
corresponde a 3,80 kgf/cm2 para vazão de 100 litros/min passando ao longo de uma
tubulação de 150 metros de comprimento.
COMPRIMENTO DA TUBULAÇÃO L (m)
PE
RD
A C
AR
GA
EM
kgf
/cm
2
47
FIGURA 16 - ÁBACO COM HASTE DE PERFURAÇÃO NX (76,2 mm) E OBTURADOR DE 1" (25,4 mm)
FONTE: ITAIPU (DIVISÃO DE GEOLOGIA)
3º Ábaco - Nos ensaios de perda de carga realizados para obter as curvas do
ábaco da figura 17 foi utilizada uma tubulação com diâmetro (φ 11/4"; 31,75 mm) para
circulação de água e um obturador perfurado de φ 1" (25,4 mm) posicionado na
extremidade da tubulação de saída do fluxo de água. As medições realizadas em vários
comprimentos de tubulação para cada vazão de ensaio permitiram elaborar as curvas
mostradas no ábaco da figura 17, onde o valor máximo medido de perda de carga não
superou 170 kPa (1,70 kgf/cm2). Essa composição de ensaio é mais recomendável para
execução dos ensaios por apresentar as menores perda de carga pela tubulação.
48
FIGURA 17 - ÁBACO COM TUBULAÇÃO φ 1,25" (31,75 mm) e OBTURADOR PERFURADO φ 1" (25,4 mm)
FONTE: ITAIPU (DIVISÃO DE GEOLOGIA)
4º Ábaco - Nos ensaios de geração das curvas do ábaco da figura 18 foi
utilizado para circulação de água uma tubulação e um obturador de tubos galvanizados
com diâmetro de 1"(25,4mm). As medições mostraram perda de carga máxima de 600
kPa, que é equivalente a uma pressão de 6,0 kgf/cm2, quando a vazão foi de 100
litros/min e a tubulação estava com 150 metros de comprimento.
49
FIGURA 18 - ÁBACO COM TUBULAÇÃO GALVANIZADA E OBTURADOR DE 1" (25,4 mm)
FONTE: ITAIPU (DIVISÃO DE GEOLOGIA)
Os ábacos apresentados acima foram utilizados para determinar a pressão
efetiva dos ensaios de perda d'água, realizados nos trabalhos de investigações
geotécnicas e tratamento da rocha de fundação da barragem de Itaipu.
3.7.2.2 Critério de perda de carga proposto por Corrêa Filho
Em relação à perda de carga, CORRÊA FILHO (1985, p.48) recomendou
limitar o comprimento da composição de ensaio entre 10 e 40 m, para obter uma vazão
operacional ideal em torno de 70 litros/min em tubulação com diâmetro 3/4"(19,05
mm), e uma vazão de 220 litros/minuto para tubulação com diâmetro de 1"(25,4 mm).
50
Esses valores foram definidos a partir do critério proposto pelo autor, no qual admitia-
se como ideal, uma perda de carga específica de 1 mca/metro de tubulação. A partir
dessa premissa, podem-se calcular os valores dessas vazões pelos ábacos das figuras
19 e 20.
FIGURA 19 - ÁBACO PERDA DE CARGA EM TUBULAÇÃO GALVANIZADA DE 3/4"(19,05 mm)
FONTE: CORRÊA FILHO (1985)
51
FIGURA 20 - ÁBACO PERDA DE CARGA EM TUBULAÇÃO GALVANIZADA DE 1" (25,4 mm)
FONTE: - CORRÊA FILHO (1985)
3.7.3 Análise Comparativa
A seguir é mostrado um estudo comparativo entre as perdas de carga em
tubulação galvanizada de 1" (25,4 mm) indicadas pelo ábaco da figura 18, apresentado
por Itaipu, e aqueles indicados por Corrêa Filho na figura 20. Os valores obtidos
constam na tabela indicada a seguir.
52
TABELA 2 - COMPARAÇÃO DE PERDA DE CARGA EM TUBULAÇÃO 25,4 mm (ITAIPU E CORRÊA FILHO)
Pc= Perda de carga fornecidapelos ábacos
( kgf/cm2)
i = Perda carga específica (Pc /C )(mca/ metro de tubulação)
Comprimento daTubulação (C)
(m)
.Vazão (Q)(litros / min)
Itaipu Corrêa Filho Itaipu Corrêa Filho
10 30 0,06 0,04 0,06 0,04
20 40 0,15 0,12 0,07 0,06
30 50 0,30 0,25 0,10 0,08
40 55 0,45 0,41 0,11 0,10
50 60 0,70 0,59 0,14 0,12
60 65 1,00 0,89 0,16 0,13
70 70 1,45 1,00 0,21 0,14
90 90 2,95 1,90 0,33 0,21
100 100 3,70 2,50 0,37 0,25
150 100 6,00 * 0,40 *
( * ) Fora do limite do ábaco.
FONTE: CORRÊA FILHO (1985)
A análise dos resultados da tabela 2 permite observar:
a) a vazão máxima fornecida pelos ábacos limitou-se aos 100 litros/min, que
representa a capacidade da maioria das bombas especificadas para os
serviços de injeção. Em Itaipu, a capacidade máxima das bombas
utilizadas foi de 150 litros/minuto;
b) os valores de perda de carga indicadas por Itaipu foram maiores, em vista
desse ábaco resultar de várias medidas diretas da perda de carga na
composição de ensaio completa, incluindo obturador e os instrumentos de
medida da vazão e pressão, como hidrômetro e manômetro.
A partir dos valores de perda de carga fornecidos pelos ábacos e de perda de
carga específica calculadas na tabela 2, podem-se inferir as seguintes observações de
ordem prática:
a) é fundamental que a tubulação a ser utilizada nos ensaios seja submetida
ao ensaio de perda de carga, a qual deverá ter em sua composição todas
conexões, hidrômetro, manômetro e inclusive o obturador;
53
b) é coerente limitar a vazão de 120 litros/minuto para tubulação de 1"
(25,4mm), estabelecida por CORRÊA FILHO (1985, p.48), em vista
dessa vazão apresentar uma perda de carga específica de 0,40 mca/metro,
como mostrado na tabela 2, para tubulação de 150m e vazão de 100 litros/
minuto;
c) o valor proposto por Corrêa Filho para a perda de carga específica "i" de
1 mca/metro de tubulação é bastante conservador, como pode ser
observado na tabela 2, onde os valores de perda de carga indicada pelos
ábacos correspondem a coeficientes "i" máximo igual a 0,40.
54
4 CÁLCULO DA PERMEABILIDADE (K) A PARTIR DOS ENSAIOS (PE)
QUADROS(2002) registrou que a proposta do ensaio de perda d'água de
Maurice Lugeon constituiu-se em marco para o desenvolvimento da caracterização
hidráulica dos maciços de fundação, visando as obras de engenharia. Nesses ensaios os
horizontes rochosos são considerados homogêneos lateralmente.
A partir dos valores do ensaio de perda d'água obtidos pela equação (5)
mostrada no item 3.6, pode-se calcular a permeabilidade “in situ” representativa das
camadas sub-horizontais da rocha, por meio da aplicação da fórmula utilizada por
Franciss, apud OLIVEIRA, SILVA e FERREIRA (1975, p.8):
r
L
PeL
QK
.66,0ln
...2π= (6)
onde,
L.Pe
Q, é a expressão de cálculo do ensaio PE (Perda d'água; equação 5);
Cfr
L=
.66,0ln = coeficiente de forma, cujo valor depende da relação entre
o comprimento do trecho ensaiado e o raio do furo de sondagem;
em seguida, transformando as unidades de PE de litros/(min.m.kgf/cm2)
para um resultado de permeabilidade (K) em cm/s, temos
)/.(10.66,1 4 scmPE −−−−==== que, substituindo na equação 6, fornece o valor da
permeabilidade:
CfPEscmK .2
10.66,1.)/(
4
ππππ−−−−
==== (7)
Admitindo a parcela constante da equação FCf ====−−−−
..210.66,1 4
ππππ e substituindo
na equação 7, temos;
FPEscmK .)/( ==== (8)onde os valores de F estão indicados na figura 21, a qual leva emconsideração o coeficiente de forma do trecho ensaiado.
55
FIGURA 21 - CURVAS DE CONVERSÃO DE PERDA D'ÁGUA ESPECÍFICA EM PERMEABILIDADE (cm/s)
FONTE : OLIVEIRA, SILVA e FERREIRA (1975)
A título de exemplo, o coeficiente de permeabilidade de um furo de diâmetro
NX ensaiado em um trecho de 5 m, com uma a perda específica de 1l/(min.m.kgf/cm2)
será igual a 1,0 x (1,19x10-4 ) ≅ 1,2 x 10-4 cm/s.
É de uso corrente, a execução do ensaio em trecho de 3 m de furo com
diâmetro NX (3"), o qual indicará no gráfico da figura 21 um fator de conversão de
1,04 x 10-4 cm/s, que na prática é adotado com o valor de 1,0x10-4 para expressar a
permeabilidade do meio. Assim, um trecho com perda específica de
4l/(min.m.kgf/cm2) tem sua permeabilidade expressa por 4,0 x (1,0x10-4 ) ≅ 4,0x10-4
cm/s.
Outro exemplo de conversão de perda d'água em permeabilidade da rocha
ensaiada foi objeto do trabalho de BULUT et all (1996) que, no entanto não é aplicável
no caso desta dissertação, pois os autores utilizam a vazão de água injetada com
FATOR DE CONVERSÃO ( F ) DE PERDA D'ÁGUA (PE) EM PE RMEABILIDADE ( K )
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
1,10
1,20
1,30
1,400,
1
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4
3,6
3,8
4,0
4,2
4,4
4,6
4,8
5,0
COMPRIMENTO (L) DO TRECHO ENSAIADO (m)
VA
LOR
ES
DE
" F
" (x
10-4
cm/s
)
NX(76,2mm) HX(101,6mm) AX(50,8mm)
NX
AX
HX
56
pressões crescentes de 2, 4, 6, 8 e 10 atm durante 10 minutos, bem diferente do caso de
Itaipu, que aplica estágios de pressão crescente e decrescente. BULUT calculou o
coeficiente de permeabilidade da rocha a partir do total de água injetada sob diferentes
pressões. Para isso, os autores fizeram uso de equações matemáticas do método de
ensaio de permeabilidade do Bureau of Reclamation (1951) , apud BULUT (1996), e
no final do trabalho, apresentou-se um gráfico que indica o coeficiente de
permeabilidade médio da rocha, conhecendo-se apenas a vazão média de água injetada
nas pressões indicadas acima. Esse trabalho mostra também a maneira de transformar
os valores do ensaio de perda d'água em permeabilidade em meio poroso.
Como o ensaio de perda d'água é executado em três ou cinco estágios de
pressão, obtém-se para o mesmo trecho ensaiado, mais de um valor de PE, que
aplicados na equação (8) geram, também, mais de um resultado de permeabilidade.
Devido a esse fato, há necessidade de se definir qual dos resultados representa melhor
a permeabilidade do maciço. OLIVEIRA, SILVA e FERREIRA (1975, p.9)
recomendaram adotar os valores do primeiro estágio de pressão, obtidos antes do
maciço ser submetido aos valores maiores de pressão dos estágios subseqüentes. Além
disso, deve-se considerar como condição necessária para o cálculo da permeabilidade,
a existência de um regime laminar, para evitar a alterações físicas da feição ensaiada.
Para atender esse requisito, é importante conhecer o comportamento do fluxo durante
o ensaio, conforme será visto no item a seguir.
4.1 COMPORTAMENTO DO FLUXO NO TRECHO ENSAIADO
O comportamento do fluxo pode ser determinado com auxílio de gráficos de
vazão versus pressão efetiva de ensaio, a partir dos quais pode-se inferir como o
escoamento d’água ocorreu através das fissuras. Uma aplicação direta dessa
observação pode ser a definição dos valores limites de pressão a ser aplicada nos
tratamentos dos maciços por injeção. A figura 22 mostra o modelo de comportamento
esperado para o fluxo, indicando quatro casos teoricamente esperados para os regimes
57
de escoamento laminar, turbulento, de deformação da fissura e de vazão total, os quais
admitem ainda uma subdivisão do comportamento físico das fissuras do trecho
ensaiado em “sem alteração”, “com fechamento” e “com abertura”.
FIGURA 22 - MODELO ESPERADO DE COMPORTAMENTO DO FLUXO DURANTE O ENSAIO
1) - "a" e "b" indicam vazão e pressão crescentes respectivamente;2) - 1 a 5 indicam a seqüência de aplicação dos estágios de execução do ensaio;
FONTE : OLIVEIRA, SILVA e FERREIRA (1975)
58
O comportamento apresentado é de caráter qualitativo por considerar apenas
o trecho ensaiado, sem se preocupar com o grau de fraturamento do maciço rochoso.
Segundo Cruz (1979), apud CORRÊA FILHO (1985, p.78), em ensaios de
perda d'água sob pressão, quando o trecho ensaiado intercepta uma feição de elevada
permeabilidade, a natureza do fluxo tem condição de ser turbulenta ou pelo menos
transacional. Nesse caso, e admitindo-se para o trecho de ensaio do maciço rochoso a
presença de fraturas abertas, paralelas e espaçamento uniforme, Cruz relacionou uma
perda d’água específica turbulenta (PE’) com a abertura da fratura da rocha (e) e o
número de fraturas por centímetro no trecho de ensaio (N), pela expressão:
a) NeePE . .10.4,2' 5−= , sendo a unidade de PE' igual a
)/...(min / 2cmkgml (9);
b) Nos gráficos da figura 23 e nas equações da tabela 3, apresentadas por
CRUZ (1979) e BOTELHO (1960) apud CORRÊA FILHO(1985, p.79),
mostra-se a relação entre a perda d'água em regime turbulento e laminar
com a abertura das fraturas do maciço ensaiado. As fórmulas mostradas
na tabela 3 permitem calcular a perda específica e a permeabilidade em
função da abertura da fratura.
FIGURA 23 - RELAÇÃO ENTRE PERDA D'ÁGUA E ABERTURA DE FRATURAS
FONTE: CRUZ (1979), APUD CORRÊA FILHO (1985)
59
TABELA 3 - EQUAÇÕES DE CÁLCULO DA PERMEABILIDADE EM REGIME TURBULENTO E LAMINAR
INDICES DE PERMEABILIDADEREGIME PROPOSTO POR
PERDA D'ÁGUAPERMEABILIDADE
LAMINAR MELLO e CRUZ ..
PeL
QPE =
r
L
PeL
QK
. 66,0ln
. .2 π=
TURBULENTOBOTELHO e CRUZ
(Várias fraturas) PeL
QPE
'=
e gK .4' ====
Q Vazão do ensaio;L Comprimento do trecho ensaiado;Pe Pressão efetiva do ensaio;e Abertura da fratura;g Aceleração da gravidade.
FONTE: CORRÊA FILHO (1985)
Identificando-se o regime de fluxo que ocorreu no ensaio, podem-se utilizar
adequadamente as fórmulas da tabela 3 para obter os índices de permeabilidade da
rocha ensaiada.
Entretanto, quando se trata de um bom tratamento das fundações por injeção
de materiais impermeabilizantes, é mais provável que as fissuras estejam fechadas e
não inter-comunicantes, consubstanciando portanto, a hipótese de fluxo laminar nos
ensaios de perda d'água específica. Visando confirmar essa hipótese, durante a reunião
do Board de Consultores Civis realizada em novembro de 2002 na Usina de Itaipu, foi
discutido esse assunto com o Profº Paulo T. Cruz que ratificou a validade em se
considerar como laminar o fluxo nesse tipo de ensaio e sua transformação em
coeficiente de permeabilidade da rocha, conforme sua resposta no Relatório do Board
(ITAIPU BINACIONAL 2002), transcrita a seguir:
"A estimativa de vazões pelas fundações tem implícita algumas hipóteses simplificadoras,como por exemplo: fluxo radial uniforme em toda a altura do trecho ensaiado e a validadeda lei de Darcy, ou seja, de fluxo laminar.
60
Estas condições só ocorreriam no maciço rochoso se o mesmo fôsse um meio poroso,contínuo e saturado. Esta condição dificilmente ocorre a não ser nas feições basálticascomo as brechas e as porções centrais dos derrames, que, no entanto, são práticamenteimpermeáveis. Todo o fluxo se concentra nos contatos e nas juntas como ilustrado porGuidicini já em 1976 (figura 26).
Portanto, estimar as permeabilidades destas feições descontínuas, com ensaios da perda deágua, é uma prática usual, mas apenas aproximada. Quando os ensaios são procedidos apósas injeções, e na área injetada, as condições do meio rochoso são mais uniformes e asestimativas da permeabilidade equivalente do meio rochoso são um pouco menos afetadaspelas descontinuidades já injetadas"
Por essas razões, no estudo de retroanálise de dados dos ensaios de perda
d'água realizados em Itaipu, os quais foram objeto de estudo de caso desta dissertação,
algumas premissas foram estabelecidas para o tratamento desses resultados:
a) os cálculos foram efetuados considerando os ensaios em regime laminar;
b) os horizontes rochosos são considerados homogêneos lateralmente, como
caracterizado nas sondagens, o que permite a identificação dos sub-
horizontes mais permeáveis do maciço rochoso;
c) a permeabilidade indicada para representar os sub-horizontes do maciço
foi estabelecida a partir dos ensaios de perda d'água e constitui, em
essência, o critério adotado para determinar a vazão esperada pela
fundação da barragem, objeto principal desta dissertação.
Essas premissas constituem uma prática geral e admitem que o ensaio de
perda d'água expressa a condutividade hidráulica do maciço de fundação nos locais
ensaiados. Segundo QUADROS(2002), apesar do ensaio de perda d'água fornecer a
permeabilidade de meio isotrópico, ele é aceito por ser o único que existe de largo uso
na geotecnia, ser de baixo custo e de resultado imediato.
61
5 MODELO PARA DETERMINAÇÃO DA VAZÃO PELA FUNDAÇÃO
Apresentam-se neste capítulo, os procedimentos e a seqüência das etapas a
serem desenvolvidas para aplicar o critério de determinação de vazões de percolação
de água pela fundação de barragens.
5.1 CRITÉRIO PROPOSTO PARA ESTIMAR A VAZÃO
A proposta fundamental desta dissertação é a de estabelecer um critério
válido para determinação da vazão de águas que percolam pela fundação de barragens,
a partir de ensaios de perda d'água realizados na própria rocha do empreendimento.
Tal critério, em essência, propõe que a vazão, entendida como aquela relativa
à percolação de águas de infiltração sob pressão em meios porosos, seja obtida por
intermédio de simples aplicação da Lei de Darcy, cujo coeficiente de permeabilidade
nela contido seja definido a partir dos ensaios padronizados de perda de água.
Assim, a variável a ser verificada será o coeficiente de permeabilidade da
rocha, a ser obtido a partir dos ensaios de perda de água realizados na fundação da
barragem.
A partir da conversão dos resultados dos ensaios de perda d'água em
coeficiente de permeabilidade da rocha, como indicado no capítulo anterior, é possível
identificar os sub-horizontes mais permeáveis da fundação. Com a definição desses
horizontes pode-se iniciar o roteiro para determinação da vazão de infiltração pela
fundação da barragem.
62
5.2 ROTEIRO PARA DETERMINAR A VAZÃO DE INFILTRAÇÃO
O roteiro apresentado buscou, de forma seqüencial, apresentar todas as
etapas necessárias para calcular a vazão de infiltração pela fundação, conforme
mostrado a seguir:
a) definir o trecho da estrutura da barragem, onde o estudo de caso deverá se
desenvolver para cálculo da vazão esperada pela fundação;
b) analisar os resultados dos ensaios de perda d'água realizados nos furos de
sondagem, executados tanto na fase de investigações geológicas, quanto
durante o tratamento da fundação do maciço rochoso e por ocasião da
instalação dos piezômetros de fundação da barragem;
c) definir os horizontes da fundação de características hidrogeológicas
semelhantes. Para isso, é necessário um estudo prévio da geometria
escavada, da geologia e suas principais descontinuidades. Após esse
estudo da fundação a ser avaliada, pode-se estabelecer um ou mais sub-
horizontes permeáveis, geralmente caracterizados por extensos planos de
descontinuidade do maciço rochoso ou ainda pela fundação rasa, cujo
contato entre o bloco de concreto e a rocha apresenta-se mais permeável
por serem de materiais diferentes;
d) definir a permeabilidade média desses sub-horizontes rochosos. Tal valor
terá como base os resultados dos ensaios de perda d'água convertidos em
permeabilidade, conforme mostrado no capítulo 4, e representará a
condutividade hidráulica da rocha. Para estabelecer o valor médio da
permeabilidade da fundação deste estudo de caso houve a necessidade de
se fixar algumas premissas, as quais resultaram em limitações a serem
impostas na aplicação do critério proposto para determinar a vazão pela
fundação da barragem. Essas limitações foram:
d1) os ensaios que registram perda total da água injetada, ou seja,
aqueles cuja pressão máxima especificada para o ensaio não foi
63
atingida, foram considerados de alta permeabilidade com o valor
de 10-3 cm/s. Esse valor eqüivale a um ensaio de perda d'água em
um trecho de 3m de um furo com diâmetro NX (76,2 mm) que
apresentou uma vazão de 120 l/min, sob uma pressão mínima de
200 kPa (2 kgf/cm2).
Aplicando os valores desse exemplo na equação 5, obtém-se a
perda d’água específica PE = 120/(3.2) = 20 l/(min.m.kgf/cm2).
Esse valor aplicado na equação (8) com o fator F de conversão
mostrado na curvas da figura 21, conduz à permeabilidade de
20(1,04x10-4 )cm/s ≅ 2x10-3 cm/s ≅ 10-3 cm/s;
d2) aos ensaios situados em zonas de baixa permeabilidade, os quais
mostraram-se impermeáveis, atribuiu-se o coeficiente de
permeabilidade inferior a 10-7cm/s, sendo esse valor considerado
nos cálculos somente uma vez. Como regra geral, recomenda-se
praticar:
d2-a) em horizontes de alta permeabilidade com absorção de
água superior à capacidade da bomba de ensaio (120 l/min),
adotar o coeficiente de permeabilidade da rocha igual a 10-3
cm/s;
d2-b) em horizontes impermeáveis, onde o ensaio apresentar
perda de água específica PE < 0,01 adotar o coeficiente de
permeabilidade da rocha variando entre 10-6 e 10-7 cm/s;
d3) o valor utilizado do ensaio de perda d'água para conversão da
permeabilidade equivalente da rocha foi do 3º estágio, embora os
autores OLIVEIRA, SILVA e FERREIRA, apud item 4 desta
dissertação, recomendassem o uso dos resultados do 1º estágio dos
ensaios. Com a adoção do 3º estágio, recomendada neste trabalho,
pretende-se obter um critério de determinação de vazão mais
conservador, do ponto de vista de se atingir valores menores de
64
vazão, considerada como normal, que se espera de percolação pela
fundação da barragem, a qual será determinada pelo critério
proposto nesta dissertação. Espera-se tal fato, pois o 3º estágio do
ensaio é realizado com maior pressão efetiva, que resultará em
perda d'água específica e permeabilidade equivalente da rocha de
fundação também menores, ao aplicar as equações 5 e 8;
e) estabelecer o gradiente hidráulico responsável pela percolação de água
entre o lago e a drenagem. Essa água que atravessa a seção molhada da
cortina de injeção, onde serão realizados os ensaios de perda d'água
específica, é conduzida para os medidores de vazão, onde será
quantificada. O gradiente é estabelecido em função dos parâmetros
geométricos do conjunto estrutura e fundação, levando em conta a
pressão hidrostática e a distância entre a face de montante da estrutura e a
linha de drenos de alívio das subpressões. Para exemplo, ver o item 6.3.5,
que apresenta os valores calculados para a estrutura do estudo de caso
apresentado no próximo capítulo;
f) estimar a vazão de infiltração utilizando a Lei de Darcy transformada
analiticamente, aplicando a equação10, em que a vazão é expressa em
função do gradiente hidráulico e da área de seção molhada da cortina de
injeção, a qual constitui o meio de percolação das águas de infiltração.
Assim, os valores de gradiente hidráulico e de permeabilidade
estabelecidos segundo as alíneas "d" e "e", aplicados na equação10,
indicarão a vazão de infiltração, cujas águas que atravessam a cortina
deverão ser capturadas pelo sistema de drenagem, aliviando as
subpressões.
AikQ . . = (10)
sendo
65
Q em cm3/s;
K = cm/s;
i = gradiente hidráulico, adimensional e corresponde ao gradiente da
carga hidráulica entre o paramento de montante e a cortina de
drenagem;
A = cm2 corresponde à área molhada da seção longitudinal da
fundação, tratada por injeção de cimento;
g) finalmente, e com os dados obtidos nos itens anteriores, podem-se
elaborar as tabelas com os parâmetros indicados acima, os quais aplicados
na equação 10 indicarão a vazão que se espera, como normal, de
percolação pela fundação da barragem. Essas tabelas constam do estudo
de caso, que será objeto do capítulo seguinte, em que efetuou-se a
aplicação do roteiro proposto neste item para determinar a vazão esperada
pela fundação da barragem.
66
6 ESTUDO DE CASO - BARRAGEM DE ITAIPU
A seguir, apresenta-se uma aplicação do roteiro proposto para determinar a
vazão esperada pela fundação da Estrutura de Desvio da Barragem de Itaipu. O estudo
de caso apresentado segue todos os itens do roteiro proposto em 5.2.
6.1 OBJETO DO ESTUDO DE CASO
Nesta dissertação foram analisadas duas situações de aplicação da hipótese,
indicada no item 5.1, ou seja, o coeficiente de permeabilidade da rocha, obtido a partir
dos ensaios de perda d’água realizados em furos de sondagem, que aplicado na
equação 10 indicará a vazão esperada pela fundação. Essas duas situações referem-se
aos ensaios de perda d'água realizados no tratamento da rocha de fundação de Itaipu,
em fases distintas:
a) antes do tratamento das fundações por injeção de cimento, utilizando os
ensaios dos furos de sondagens executados na fase de investigações
geológicas e de estudos de reconhecimento, prévio, da injetabilidade da
rocha a ser tratada;
b) após o tratamento das fundações, utilizando os ensaios dos locais onde a
cortina de injeção indicou maiores absorções de cimento. Nesses locais,
foi recomendado executar furos de sondagem com extração de
testemunhos de rocha, para avaliar o preenchimento das fraturas por calda
de cimento, bem como para verificar a injetabilidade residual da rocha.
Essa verificação se realiza por meio de novos ensaios de perda d'água
executados nesses furos de verificação da cortina. Os resultados desses
ensaios permitem avaliar a eficiência da cortina de injeção e fizeram parte
do conjunto de dados analisados nesta dissertação.
67
6.2 CARACTERÍSTICAS DA GEOLOGIA NA REGIÃO DE ITAIPU
Considerando que já encontra-se definida a estrutura da barragem, onde o
estudo de caso será aplicado, julgou-se necessário apresentar a geologia desse local
antes de aplicar o roteiro proposto no item 5.2.
6.2.1 Geologia do Maciço Rochoso da Fundação
As fundações da barragem de Itaipu constituem-se de rochas vulcânicas que
se formaram em toda a região centro-sul do Brasil e a região leste do Paraguai, durante
os períodos Jurássico e Cretáceo da era mesozóica (capítulo 2). Essas rochas na região
de Itaipu compreendem os espessos derrames de lavas de formação Serra Geral do
Grupo São Bento, também conhecido por "Trap do Paraná" ou basalto da Bacia do Rio
Paraná.
Os derrames sucessivos de lavas vulcânicas estão intercalados por brechas,
sendo que um derrame é representado por uma camada de lava mais uma camada de
brecha. A espessura média desse derrame varia entre 30 e 60 metros. O derrame
apresenta-se quase horizontalmente, com pequeno mergulho para montante,
originando planos com caimento da ordem de 1º a 2o NE.
Na área onde se encontram implantados os blocos da Estrutura de Desvio,
objeto deste estudo de caso, foram executadas sondagens rotativas com extração de
testemunhos, ensaios de perda d'água e abertos poços de prospecção. A análise de
todos esses dados levou a caracterizar como de interesse do maciço rochoso de
fundação, os derrames basálticos "A" , "B", "C", "D" e "E". Em Itaipu, a denominação
dos derrames é indicada por letras do alfabeto na ordem de baixo para cima, ou seja o
derrame "E" é o mais superficial. De modo geral, os derrames sucessivos apresentam o
seguinte perfil de estratificação:
68
a) basalto denso cinzento na base e porção central do derrame;
b) basalto vesicular e amigdaloidal posicionado no topo da lava vulcânica,
que no processo de resfriamento do magma aprisiona gases, formando
vesículas nessa parte da camada superficial de lava;
c) brechas, também denominadas de inter-derrames representam o topo de
um derrame, e constituem uma zona de transição entre dois
derramamentos de lava vulcânica. A origem das brechas se deve ao
cozimento, que ocorre através do calor da lava do derrame superior, a
qual é responsável pelo processo de endurecimento do solo transportado e
de coluvião sedimentados sobre a lava do derrame inferior, durante o
período decorrido entre duas lavas vulcânicas, formando assim, a zona de
transição entre derrames;
d) descontinuidades associadas a cada derrame da fundação, as quais se
posicionam no terço médio superior da camada de derrames basálticos
formando falhas horizontais em planos de alcance regional. Essas zonas
de fraqueza assumem importante papel de condicionante geológico para o
projeto.
As espessuras médias das camadas de basalto e zonas de transição composta
de basalto vesicular e brechas estão indicadas na tabela 4
TABELA 4 - ESPESSURA MÉDIA DOS DERRAMES DE BASALTO DA FUNDAÇÃO DE ITAIPU
ESPESSURA MÉDIA (M)DERRAME
COTA MÉDIA CONTATOSUPERIOR CAMADA DE
BASALTO DENSOZONA DE TRANSIÇÃO
(BASALTO VESICULAR E BRECHA)
E 170 50 9-10
D 135 21-23 8-9
C 112 30-32 4-5
B 80 40 15-20
A 20 55 6-9
FONTE: IECO/ELC (1974)
69
6.2.2 Condutividade Hidráulica da Fundação
O comportamento da fundação em Itaipu, sob o ponto de vista de
condutividade hidráulica, não foge dos padrões habitualmente observados para outras
barragens situadas em litologia similar.
Nos derrames basálticos, é a estratificação natural que condiciona o
aparecimento de horizontes mais permeáveis, os quais, ao lado das descontinuidades
formadas durante a consolidação do magma basáltico e do contato artificial entre a
rocha e a estrutura, constituem os principais planos de percolação. O contato concreto
rocha pode ser controlado através de um eficiente trabalho de preparo do topo rochoso
e de injeções de ligação.
As descontinuidades, por outro lado, que acompanham o mergulho regional
dos derrames, acabam aflorando a jusante da barragem, por onde são abastecidas pela
água do rio. Assim essas falhas horizontais assumem importante papel na condução do
aquífero e drenagem do maciço.
Os contatos inter-derrames têm um desempenho muito parecido com as
descontinuidades, a menos da alimentação a partir dos níveis superiores, que aqui é
dificultada pela barreira apresentada pelos horizontes de basalto vesículo-amigdalóide,
posicionados acima e abaixo do contato.
As brechas, por não apresentarem um sistema definido de fraturas,
funcionam como esponja, ou seja, apenas armazenam água sem capacidade de permitir
a sua transmissão.
O corpo dos derrames pode ser considerado impermeável, já que 65% dos
ensaios mostram perda d'água específica, PE < 0,01.
70
Do ponto de vista de condutividade hidráulica da fundação de Itaipu, as
descontinuidades associadas a cada derrame e os contatos entre derrames se
destacaram pela alta permeabilidade da rocha na fase de investigações e pelas maiores
absorções de cimento durante o tratamento das fundações.
6.3 DETERMINAÇÃO DA VAZÃO - APLICAÇÃO DO ROTEIRO
Conhecida a geologia da fundação da estrutura de aplicação do estudo de
caso, apresentam-se as etapas, de forma seqüencial, do roteiro do item 5.2, as quais
permitem estimar a vazão esperada pela fundação.
6.3.1 Definição da Estrutura do Estudo de Caso
Para aplicação do critério proposto, em estudo de caso, optou-se pela
fundação do trecho da barragem de Itaipu denominado Estrutura de Desvio, em vista
dessa estrutura ter sido construída no canal de desvio do Rio Paraná, com 150m de
largura, altura máxima de 90m e extensão de 2 km, o que permitiu obter um fluxo
hidráulico, praticamente bidimensional das águas de percolação. Dessa forma, os
valores de infiltração medidos no protótipo foram utilizados para aferição dos valores
indicados pelo critério proposto. A localização da Estrutura de Desvio no arranjo geral
de Itaipu está apresentada na figura 24.
71
FIGURA 24 - ARRANJO GERAL DE ITAIPU
FONTE: ITAIPU
A Estrutura de Desvio, denominada de trecho "H" do barramento de Itaipu, é
uma barragem de concreto, tipo gravidade maciça que encontra-se encaixada no canal
construído para o desvio do Rio Paraná. É composta de dez blocos de largura simples
72
de 12,3 metros e blocos duplos de 24,6 metros de largura, todos separados por juntas
de contração.
A geologia da fundação dessa estrutura abrange, nas ombreiras direita e
esquerda do canal, taludes com alturas de 50 e 79 metros, os quais expõem ao longo
das paredes do canal, os derrames C, D e E, brechas B, brecha D e junta D. Sob a
estrutura de concreto, e em toda extensão de largura do canal, a fundação abrange os
maciços dos derrames A com espessura de 20 m e derrame B com espessura média de
50 metros. A camada do derrame B já inclui a espessura da brecha B, na qual se
encontra no topo desse derrame, e constitui a fundação rasa do contato entre o
concreto e a rocha de fundação. Outra feição geológica importante refere-se ao contato
entre derrames, o qual é representado por um plano sub-horizontal formado entre o
topo da brecha e o derrame subseqüente, onde se observa elevada permeabilidade.
Ainda destacam-se nessa fundação, do ponto de vista geomecânico e de percolação de
águas, as descontinuidades denominadas juntas A e B, sendo a primeira de alta
permeabilidade. As principais feições geológicas e a geologia da fundação da estrutura
de desvio estão apresentadas na figura 25.
73
FIGURA 25 - GEOLOGIA DA FUNDAÇÃO DA ESTRUTURA DE DESVIO
FONTE: ITAIPU 1 - Derrame A 2 - Derrame B
6.3.2 Análise dos Ensaios de Perda d'água Específica
De modo geral, no estudo de injetabilidade da fundação em rocha basáltica
destacam-se três situações de condutividade hidráulica da rocha, as quais puderam
facilmente ser observadas com o andamento dos ensaios de campo:
a) Zonas de alta permeabilidade- correspondentes aos contatos abertos entre
derrames, descontinuidades e falhas geológicas. Nesses locais, as
pressões indicadas para a execução do ensaio de perda d'água são,
geralmente, difíceis de ser atingidas, exigindo equipamentos adequados
para atender as especificações dos ensaios. Essas feições quase sempre
têm ampla continuidade e são facilmente identificadas nas sondagens e
ensaios;
b) Zonas impermeáveis - tipicamente, representam o basalto denso e
amigdaloidal do corpo rochoso do maciço. Facilmente identificados por
exporem sua estanqueidade, mostrando ensaios sem absorção de água;
Junta A
Junta D
Brecha B
Derrame
Derrame
2
1
Derrame
Brecha B
Junta B
74
c) Zonas de permeabilidade variada - correspondem às litologias onde o
comportamento dos ensaios de perda d'água apresenta maior variabilidade
de resultados. Geralmente correspondem às zonas ou faixas fraturadas
dos derrames, brechas e às vezes contatos mais fechados entre derrames.
Essas feições representam as incertezas com relação ao consumo de
cimento para o tratamento da rocha por injeções.
A classificação mostrada acima vem ao encontro da afirmação de
AZEVEDO (1993), em que o autor destacou a forte anisotropia da permeabilidade nos
maciços basálticos, sendo mais acentuada nas juntas falhas sub-horizontais do que no
próprio maciço rochoso. Foi observado, também, a tendência de aumento da
condutividade hidráulica desses sub-horizontes com o aumento de profundidade da
ocorrência geológica, ao contrário do que ocorre nos maciços intrusivos, como
mostrado na figura 26.
FIGURA 26 - DISTRIBUIÇÃO TEÓRICA DA PERMEABILIDADE EM MACIÇOS BASÁLTICOS E INTRUSIVOS
FONTE: OLIVEIRA, SILVA E GUIDICINI(1976), APUD AZEVEDO (1993)
6.3.3 Definição dos Horizontes Permeáveis da Fundação
Após a análise de dados dos ensaios de perda d'água, foi necessário um
estudo prévio da geometria escavada, geologia e descontinuidades importantes da
fundação da estrutura a ser avaliada. Assim, no estudo de caso da Estrutura de Desvio,
a fundação foi divida em três áreas, como mostrado na figura 27:
, respectivamente
75
FO
NT
E: IT
AIP
U
FIG
UR
A 27 - S
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AZ
ÃO
75
76
a) Área 1 - considerada como a fundação de assentamento da estrutura de
concreto, a qual se prolonga 20 metros sob a ombreira direita do canal e
40 metros na outra ombreira, totalizando 210 metros de extensão de
fundação e espessura de 55m, entre as cotas 10 e 65. As dimensões de 20
e 40 m referem-se, respectivamente, ao alcance dos leques de injeção e
drenagem executados para tratamento da rocha sob as ombreiras. A área 1
abrange, três importantes feições geológicas consideradas no estudo de
caso;
- Contato concreto rocha, considerado o topo da fundação, o qual pode
ter sido abalado pelos fogos de desmonte, apresentando-se de difícil
tratamento por injeção. Essa dificuldade se deve ao fato desse contato
ser superficial, o que não permite aplicação de pressões elevadas nos
trabalhos de injeções. Essa feição abrange a fundação rasa da Estrutura
de Desvio e se posiciona entre as cotas 60 e 65;
- Descontinuidade do derrame B - denominada "junta B", a qual foi
admitida, para cálculo da vazão, com espessura de 5m e está
posicionada entre as cotas 50 e 55. Essa feição que foi objeto de
intensas investigações geológicas das fundações de Itaipu, sob a
Estrutura de Desvio apresentou-se, porém, com preenchimento de
minerais e de baixa permeabilidade;
- Descontinuidade do derrame A - denominada "Junta A", que
caracterizou o horizonte mais permeável das fundações antes do
tratamento por injeções. O sub-horizonte do maciço rochoso que
contém essa descontinuidade foi considerado no presente estudo com a
espessura de 15m, entre as cotas 10 e 25, para incorporar no mesmo
horizonte permeável, a brecha e o contato inter-derrames A e B. Essas
feições são caracterizadas por elevadas permeabilidade e apresentaram
excelentes resultados de redução de permeabilidade, após o tratamento
da rocha;
77
b) Área 2 - correspondente a uma faixa da fundação do talude direito do
canal de desvio, a qual possui 20m de largura em direção ao leito do rio e
profundidade entre as cotas 115 e 65. Esse pacote do maciço é constituído
pela brecha B e derrames C e D, onde está apoiado o primeiro bloco da
Estrutura de Desvio. Esse maciço mostrou alta permeabilidade inicial da
rocha, em vista do seu desconfinamento lateral duplo, resultante da sua
geometria de escavação, sendo de um lado a parede direita do canal e, do
outro lado, os taludes escavados para assentar os blocos de concreto da
região da encosta do Rio Paraná;
c) Área 3 - considerada com a largura de 40m a partir do talude esquerdo do
canal em direção ao blocos do trecho I. Essa área da fundação possui a
espessura máxima de 79m, entre as cotas 65 e 144. Essa fundação está
desconfinada somente de um lado pelo talude de esquerda hidráulica do
canal, onde afloram a junta D, derrames C, D e E e brechas B e D, dando-
lhe uma característica de permeabilidade variável;
d) Áreas não consideradas - a porção inferior do basalto denso do derrame B
posicionado abaixo da junta B entre as cotas 25 e 50, e a porção desse
derrame abaixo da cota 10 não foram consideradas na área da seção de
tratamento por injeção de cimento. Tal procedimento teve como base os
resultados dos ensaios nesse local, os quais não indicaram absorção da
água injetada.
6.3.4 Permeabilidade Adotada
A utilização dos valores de perda específica dos ensaios padronizados, para
definir a permeabilidade equivalente da rocha, constituiu a variável a ser verificada
que, em essência, representa o critério proposto nesta dissertação, ou seja estimar a
vazão esperada pela fundação da barragem, com base nos ensaios de perda d'água,
conforme descrito no item 5.1. Assim, as permeabilidades adotadas para representar a
78
condutividade hidráulica dos sub-horizontes foram consubstanciadas nos ensaios de
perda d'água e constam nas tabelas do item 6.3.6 de cálculo da vazão esperada.
Em Itaipu foi realizado um universo de 9500 ensaios de perda d'água nas
fundações de todos os trechos da barragem, tanto nas fases de investigações no início
da década de 70, como antes e após o tratamento das fundações por injeções de
cimento durante a construção da usina.
Embora o total de ensaios sob a Estrutura de Desvio nessa época de
investigação seja da ordem de 800 ensaios, a tabela 5 indica a origem de 214 deles que
foram pré-avaliados para identificar a condutividade hidráulica da rocha e definir os
sub-horizontes permeáveis da fundação.
TABELA 5 - TOTAL DE ENSAIOS PERDA D'ÁGUA UTILIZADOS NA DEFINIÇÃO DOS SUB-HORIZONTES
Nº DE ENSAIOS PERDA D'ÁGUAÁREA DOS SUB-
HORIZONTESFASE DAS SONDAGENS
ANTES DASINJEÇÃO
APÓS ASINJEÇÕES
INVESTIGAÇÕES 76
PRÉ-INJEÇÕES DE RECONHECIMENTO 22
CONTROLE DA EFICIÊNCIA DAS INJEÇÕES 101
PIEZÔMETROS DA FUNDAÇÃO 54
PRÉ-INJEÇÕES DE RECONHECIMENTO 11
CONTROLE DA EFICIÊNCIA DAS INJEÇÕES 102
PIEZÔMETROS DA PARDE DO CANAL 8
PRÉ-INJEÇÕES DE RECONHECIMENTO 9 (a)
CONTROLE DA EFICIÊNCIA DAS INJEÇÕES 6 (a)3
PIEZÔMETROS DA PARDE DO CANAL 8
118 96TOTAL
214
(a) Na ombreira direita foram utilizados os resultados de zoneamento da permeabilidade antes e depoisdo tratamento da rocha. Nessa área não foram executados furos de controle das injeções.
FONTE: ITAIPU
Do total de 214 ensaios pré-analisados, no estudo de caso concentrou-se a
atenção em 23 ensaios efetuados antes do tratamento e em 20 ensaios efetuados após o
79
tratamento, por estarem situados na região da cortina de injeção de montante e
coincidirem com os horizontes pré-definidos de percolação. Esses ensaios constam das
tabelas 6 e 7 do item 6.3.6.
6.3.5 Determinação do Gradiente Hidráulico
A seguir é mostrada a seção transversal da Estrutura de Desvio, que indicou
os parâmetros geométricos e hidráulicos utilizados para determinar o gradiente
hidráulico, responsável pela percolação das águas de infiltração. Nas tabelas 6 e 7
constam os valores desses gradientes, bem como das áreas de prováveis caminhos de
percolação dessas águas.
O gradiente é definido, essencialmente, a partir da geometria do bloco de
concreto da estrutura e da posição das cortinas, tanto de injeção, responsáveis pela
redução das águas de percolação, como de drenagem, onde a subpressão é aliviada e as
águas são conduzidas pelos drenos até os medidores de vazão.
Na figura 28 apresentam-se as dimensões para calcular os parâmetros
geométricos e hidráulicos utilizados para determinar a vazão esperada pela fundação.
FIGURA 28 – SEÇÃO TRANSVERSAL DA ESTRUTURA DE DESVIO
FONTE: ITAIPU
EL.67
SUPOSTA TRINCA
DE TRAÇÃO
EL.83
80
Parâmetros calculados nos três horizontes da fundação:
a) Área 1
i = gradiente hidráulico(adimensional)
i = (220 – 67) / 22 = 6,95 sendo 220 o nível do reservatório, 67 a cota
da boca dos drenos no interior da galeria e 22 a distância entre o lago e
a linha de drenagem;
A = área de percolação de água pela cortina de injeção
A (contato concreto rocha)= 210 x 5 = 1050m2 ;
A (junta B) = 210 x 5 = 1050m2 ;
A (junta e brecha A) =210 x 15 = 3150m2 .
b) Área 2 - Ombreira direita do canal entre cotas 115 e 65
i = gradiente hidráulico(adimensional)
i = (220 – 90) / 41 = 3,17 sendo 90 a elevação média da ombreira, onde
aplica a carga hidráulica do reservatório e 41m a distância entre o lago
e a linha de drenagem posicionada no centro do poço de captação de
águas de ombreira;
A = área de percolação de água pela cortina de injeção
A = 50x20 = 1000m2 sendo 50 (115-65) a altura da seção molhada e
20 a largura considerada em direção aos blocos do leito do Rio Paraná;
c) Área 3 - Ombreira esquerda entre cotas 144 e 65
i = gradiente hidráulico(adimensional)
i = (220 – 104,5) / 41 = 2,82 sendo 104,5 a elevação média da
ombreira, onde se aplica a carga hidráulica do reservatório.
A = área de percolação de água pela cortina de injeção
A = 79x40 = 3160m2, sendo 79 (144-65) a altura da seção molhada e
40 a largura considerada em direção aos blocos do trecho I.
6.3.6 Vazões Estimadas pelo Critério Proposto
As vazões estimadas pelo critério proposto serão obtidas pela aplicação da
equação 10, Q = k.i.A, conforme indicado no item 5.2. A seguir, apresentam-se nas
tabelas 6 e 7 as vazões calculadas para a fundação da Estrutura de Desvio de Itaipu,
antes e após o tratamento da rocha de fundação por injeções de cimento. A partir das
81
vazões apresentadas nessas tabelas, as quais foram calculadas pelo critério e medidas
no protótipo, podem-se inferir as seguintes observações:
a) os valores indicados na tabela 6 referem-se às vazões calculadas antes do
tratamento da rocha por injeções de cimento. Por isso, os valores são
altos, se comparados com as vazões medidas na fundação da barragem
(protótipo) em setembro de 2002, em se tratando de águas de percolação.
A apresentação dessas vazões antes e após o tratamento da rocha teve por
objetivo mostrar a eficiência das injeções aplicadas no tratamento da
rocha;
b) os valores indicados na tabela 7 expressam as vazões determinadas pelo
critério proposto nesta dissertação, obtidas utilizando os resultados dos
ensaios de perda d'água executados nos furos de verificação da qualidade
da cortina de injeção. As águas que percolam através da cortina de
injeção serão conduzidas para o sistema de drenagem e controladas nos
medidores de vazão;
c) a comparação dos resultados das vazões apresentadas na tabela 7 mostrou
um bom ajuste da vazão total da estrutura do estudo de caso, apenas
18,5% o superior ao valor medido no protótipo. Sugere-se que a vazão de
32 l/s, determinada pelo critério, seja utilizada como valor de referência,
portanto, considerada como normal que se espera de percolação pela
fundação. Caso essa vazão seja ultrapassada, a equipe de segurança da
barragem deve entrar em alerta;
d) ainda na tabela 7, as vazões parciais das áreas 1 e 2 mostraram-se,
respectivamente 60% e 68% maiores que aquelas medidas no protótipo,
enquanto que na área 3 o critério mostrou-se inadequado, indicando uma
vazão menor que a medida. Tal fato deveu-se à extensão regional da junta
geológica do derrame D, cuja vazão total é medida no sistema da área 3,
portanto, incluindo contribuições de trecho situado fora do limite de 40 m
considerado nos cálculos de vazão dessa área.
82
Largura (m) Altura (m) Área (cm2) Vazão/Feição Vazão Total
4,1E-05
1,0E-03
2,0E-04
1,0E-04
Junta B 5,0E-04
2,0E-05
5,0E-05
5,0E-04
2,0E-04
5,0E-06
4,1E-03
4,8E-05
2,6E-04
3,2E-05
5,9E-04
4,2E-04
1,1E-03
7,0E-04
1,0E-04
1,0E-03
5,0E-04
5,0E-06
5,0E-05
EL. 50/55
Fundação Rasa El. 60/65
Derrames C e D, brecha B
entre El. 65/115
ÁR
EA
1
F
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ção
das
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RE
A 2
Om
brei
ra D
ireita
Vazão
(cm3/s)SUB-HORIZONTES
(FEIÇÃO) (1)
Distância Drenagem
(m)
Vazão Medida no Protótipo(l/s)
Vazão pelo Critério (l/s) (5)K (ensaio) cm/s (2)
K (adotado) cm/s (3)
Carga Hidráulica.
(m)
Seção drenante
51,5
Derrames C e D brechas B e D
entre El. 65/144
89,8
25,9 25,9
34,6 34,6
24,5
13,9
ÁREA
Junta A e Contato entre Derrames A/B
(El. 10/25)
i (Gradhidr) (4)
12,0
VAZÃO TOTAL 150,3 27,0
5,0
10,0
ÁR
EA
3
Om
brei
ra
Esq
uerd
a
41 2,817073 40
153
153
3,4E-04
1,9E-04
2,4E-04
8,2E-04
3,9E-04
153
130
115,5
6,95454522
210
210
210
22
22
6,954545
6,954545
15
1,1E+07
1,1E+07
3,2E+07
41 3,170732 20 50
79 3,2E+07 34606,3354
24480,8693
13874,3182
51481,0227
1,0E+07 25894,3089
5
5
1 - Os sub-horizontes geralmente estão caracterizados por uma feição geológica;2 - Permeabilidade obtida a partir do ensaio de perda d'água executado em trecho de 3m. Fator conversão igual 1,0x10-4 cm/s;3 - Permeabilidade equivalente média do sub-horizonte da rocha;4 - Valor do gradiente hidráulico calculado no item 6.3.5;5 - Vazão calculada pelo Critério proposto. Q = K.i.A;6 - As cores correspondem aos horizontes permeáveis indicados na figura 27
TA
BE
LA 6 - R
OT
EIR
O D
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S V
AZ
ÕE
S A
NT
ES
DA
S IN
JEÇ
ÕE
S
FO
NT
E: IT
AIP
U
83
Largura (m)
Altura (m)
Área (cm²)
Vazão/Feição Vazão Total
1,7E-04
2,1E-04
8,0E-06
1,5E-04
5,7E-04
2,9E-04
Junta B El. 50/55
5,0E-06 5,0E-06 153 22 6,954545 210 5 1,1E+07 365,1136 0,4
1,0E-05
5,0E-06
2,8E-04
5,9E-05
1,5E-04
3,1E-05
1,6E-04
5,0E-06
1,2E-05
1,5E-04
1,7E-04
2,5E-04
ÁR
EA
3
Om
brei
ra
Dire
ita Derrames C e D
brechas B e D entre El.65/144
5,0E-05 5,0E-05 115,5 41 2,817073 40 79 3,2E+07 4450,9756 4,5 4,5 10,0
Fundação Rasa El. 60/65
Seçao Drenante
ÁR
EA
1
Fun
daçã
o da
s es
trut
uras
ÁR
EA
2
Om
brei
ra D
ireita
K (ensaio) cm/s (2)
K(adotado) cm/s (3)
ÁREASUB-HORIZONTES
FEIÇÃO (1)i
(Gradhidr) (4)Vazão Medida no
Protótipo (l/s)
17,1
Vazão (cm3/s)
Vazão pelo Critério(l/s) (5)
8,420 50 1,0E+07 8402,4390
210
Carga Hid. (m)
Distância Drenagem (m)
41 3,170732
22 6,954545
22 6,954545
5,0
12,0
VAZÀO TOTAL 32,0 27,0
1,6
19,1
8,42,7E-04
2,3E-04
3,2E+07 1643,0114
1,1E+07 17111,6591210 5
Derrame C e D brecha B
entre El. 65/115
157,5E-06
153
153
130
Junta e Contato entre derrames A/B
El.10/25
1 - Os sub-horizontes geralmente estão caracterizados por uma feição geológica;2 - Permeabilidade obtida a partir do ensaio de perda d'água executado em trecho de 3m. Fator conversão igual 1,0x10-4 cm/s;3 - Permeabilidade equivalente média do sub-horizonte da rocha;4 - Valor do gradiente hidráulico calculado no item 6.3.5;5 - Vazão calculada pelo Critério proposto Q = K.i.A;6 - As cores correspondem aos horizontes permeáveis indicados na figura 27
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AIP
U
84
6.4 COMPARAÇÃO COM OUTROS CRITÉRIOS
Na tabela 8, as vazões indicadas pelo critério proposto nesta dissertação
foram comparadas com valores de outros critérios, amplamente utilizados no meio
técnico, como aqueles de Lugeon, e Pautre. Esses critérios definem valores de
referência para infiltrações em barragens, de forma empírica com base em observação
de drenos operantes.
O critério Lugeon, descrito no item 3.1, estabelece que uma fundação com
perda de água igual ou superior a 1 Lugeon é injetável e deve ser tratada por injeções
para reduzir as infiltrações. Assim, a unidade de 1 Lugeon corresponde ao ensaio de
um trecho do furo que apresentou uma absorção de água de 1 l/(min.m.10 kgf/cm2).
Dessa forma, 1 Lugeon = 0,1 PE l/(min.m.kgf/cm2) em vista da relação de pressão, em
que o resultado da perda d'água específica (PE) é calculado sob pressão (kgf/cm2)
unitária. Aplicando-se o fator de conversão de perda d'água em permeabilidade
mostrado no gráfico da figura 21, em ensaio padrão com trecho de 3m de um furo com
diâmetro NX, obtém-se o fator "F" igual a 1,04x10-4 cm/s, que aplicado na equação 8
do item 4, permite identificar a seguinte relação:
1 Lugeon = 0,1 PE = 0,1.1,04.10-4 ≅ 10-5 cm/s, o qual indica o coeficiente de
permeabilidade do trecho ensaiado;
Portanto, o critério Lugeon recomenda haver necessidade de tratamento por
injeção, o maciço rochoso com permeabilidade superior a 10-5 cm/s.
Aplicando o critério Lugeon na fundação da Estrutura de Desvio, na qual a
drenagem foi executada com profundidade de 67 m, pode-se calcular a vazão de um
dreno, utilizando esse critério simulando um ensaio de perda d'água. Para isso, a carga
do reservatório aplicada na profundidade média do furo foi considerada a pressão de
85
ensaio e seu valor é igual a 186,5 mca (18,65 kgf/cm2 ) = {220 - (67/2)}. Aplicando
esses valores na equação 5 temos a expressão do ensaio Lugeon:
a) PELu = Q/(min.m.10kgf/cm2);
Para a condição de injetabilidade de Lugeon, PELu = 1,0 Lugeon, pode-se
obter a vazão de um dreno;
b) QLu/dreno = 67.(18,65/10,0) = 125 l/min = 2,08 l/s, da expressão
PE=Q/(min.m.10kgf/cm2). Considerando a área 1 da figura 27 que possui
a extensão de 210m e admitindo o espaçamento padrão de 3m entre
drenos, essa região foi drenada por 70 drenos. Assim, a vazão total pela
drenagem nessa região calculada pelo critério Lugeon foi de
QLu/total/fundação = 2,08.70=145,5 l/s.
O critério Pautre admite, de forma bastante empírica, a vazão pela barragem
em função da área em contato com o reservatório (área molhada). Nesse critério,
admite-se a infiltração de 1cm3/s por metro quadrado de área em contato com o
reservatório, sem considerar as influências do tempo, da altura da barragem, do tipo de
rocha de fundação. A sua aplicação para a fundação da Estrutura de Desvio,
considerando a cortina de injeção como área molhada, indicou uma vazão de 17,8 l/s
TABELA 8 – COMPARAÇÃO DA VAZÃO ESTIMADA COM OUTROS CRITÉRIOS
VAZÃO (l/s)DIFERENÇA EM RELAÇÃO AO
PROTÓTIPOSITUAÇÃO
CRITÉRIOPROPOSTO
LUGEON PAUTREPROTÓTIPO
(1)CRITÉRIO
PROPOSTOLUGEON PAUTRE
ANTES DOTRATAMENTO
150,3 456%
APÓS OTRATAMENTO
32,0 145,5 17,8 27,0 18,5% 438% -34%
(1) Valor da vazão medida na fundação da Estrutura de Desvio.
A tabela 8 evidencia um ajuste razoável da vazão estimada pelo critério
proposto com o valor medido na Estrutura de Desvio, o qual foi superado em apenas
18,5%, quando considerados os resultados dos ensaios de perda de água efetuados
após o tratamento por injeções. Além desse ajuste, o critério proposto mostrou que o
86
valor da permeabilidade adotado para a rocha de fundação, a partir desses ensaios
padronizados e executados nela própria, é mais confiável e razoável para expressar a
vazão esperada pela fundação, ao invés de adotar coeficientes de permeabilidade
tabelados, muito utilizados de forma conservadora para estimar a vazão teórica
admitida nos projetos.
Outro dado importante que pode ser observado refere-se à vazão estimada
pelo critério proposto de 32,0 l/s, para a fundação tratada por cortina de injeção
composta de três linhas de furos, que representa uma redução da vazão de infiltração
de 4,6 vezes, caso não fosse tratada. Essa constatação é muito coerente com afirmação
de BARBI, apud AZEVEDO (1993), de que a experiência com tratamento de fundação
de rocha basáltica por injeção de cimento exerce um efetivo controle das vazões,
reduzindo a permeabilidade das feições de maior condutividade hidráulica em centenas
de vezes e reduzem o fluxo de água para o sistema de drenagem em dezenas de vezes.
Na verdade, o critério proposto mostrou uma redução com ordem de grandeza meia
dezena, caso a rocha não tivesse sido tratada.
Os valores dos critérios empíricos mostraram-se altos para Lugeon,
evidenciando desfavorável para a segurança da barragem, enquanto Pautre subestima
esse valor.
O critério Lugeon foi idealizado para indicar necessidade de tratamento e
não propriamente para prever vazões pela fundação. É aplicado a um único dreno e
não considera a quantidade e espaçamento entre drenos. A vazão obtida pela analogia
feita mostrou coerência com a vazão estimada pelo critério proposto, usando-se a
permeabilidade antes do tratamento indicou convergência entre os métodos de prever a
vazão de infiltração, proposto nesta dessertação.
O critério Pautre é indicado para previsão de infiltração pelo concreto, pois
considera a área molhada do paramento da barragem. Na analogia feita, considerando
como área molhada a área da cortina de injeção, esse critério indicou vazão prevista
inferior à medida, mostrando que não é adequado para estimar vazão pela fundação.
87
7 DISCUSSÕES E CONCLUSÕES
A seguir, apresenta-se um resumo das etapas desenvolvidas neste trabalho,
avaliando os resultados obtidos com discussões, conclusões, recomendações dos
produtos e contribuições esperadas nesta dissertação.
7.1 DISCUSSÕES
A avaliação efetuada no estudo de caso permitiu concluir que o critério
proposto para determinar as vazões pela fundação de barragens foi satisfatório e
confirmou que a permeabilidade estabelecida a partir dos ensaios padronizados de
perda de água pode ser um bom indicador para estimar a vazão esperada pela
fundação. Essa constatação foi expressa pela vazão calculada de 32,0 l/s que superou
apenas 18,5% o valor medido na fundação da Estrutura de Desvio nos últimos 10 anos.
Dessa maneira, considera-se que o tema de pesquisa "Como estimar as
vazões esperadas pela fundação de barragens" foi resolvido, ao aplicar o modelo
proposto no item 5.
Para atingir esse objetivo, o trabalho foi consubstanciado em pesquisa
bibliográfica e no estudo de caso, onde utilizaram-se os ensaios de perda d'água
executados nos furos, pós injeção, de tratamento da fundação da Estrutura de Desvio
de Itaipu. A seguir, apresentam-se as principais etapas desenvolvidas nesta dissertação:
a) registo da evolução da engenharia nacional, em relação à construção e de
segurança de barragens, ocorrida a partir da década de 50, quando se
iniciou a construção intensa de hidrelétricas de grande porte;
b) detalhamento das atividades de execução do ensaio de perda d'água,
envolvendo equipamentos, critérios de pressão, análises dos resultados e
sua conversão em coeficientes de permeabilidade da rocha;
88
c) em essência, esses coeficientes representaram o critério para determinar a
vazão pela fundação da barragem, a qual foi obtida pela aplicação da Lei
de Darcy, cujo coeficiente de permeabilidade equivalente da rocha pode
ser definido a partir dos ensaios padronizados de perda de água;
d) desenvolvimento do modelo para determinar as vazões esperadas pela
fundação da barragem, o qual foi aplicado no estudo de caso da fundação
da Estrutura de Desvio de Itaipu;
e) aplicação do modelo utilizando 43 ensaios em trechos de furos
posicionados na região da cortina de injeção, os quais indicaram a
permeabilidade da rocha, que aplicada na expressão da Lei de Darcy
indicou uma vazão 18.5% acima do valor medido na barragem nos
últimos 10 anos. Esse resultado evidencia que o modelo proposto foi
adequado para estimar a vazão esperada pela fundação de barragem,
sendo viável a sua aplicação em outras fundações de geologia semelhante.
f) estabelecimento de uma correlação entre os ensaios de perda d'água e o
coeficiente de permeabilidade do maciço rochoso dentro de condições de
fluxo laminar em meios porosos preconizado pela expressão da Lei de
Darcy. Essa condição de fluxo do ensaio de perda d'água foi objeto de
pergunta ao Professor Dr. Paulo Teixeira da Cruz, por ocasião da reunião
do Board de Consultores Civis, que foi realizada em 2002 na Usina de
Itaipu. A resposta do professor foi registrada no relatório da junta de
Consultores e no item 4.1 desta dissertação.
7.2 CONCLUSÕES
A aplicação do modelo no estudo de caso de Itaipu exigiu ampla análise de
dados de sondagens e permitiu as seguintes observações:
a) a cortina de injeção de 3 linhas em fundação de basalto, caracterizada por
planos sub-horizontais e zonas fraturadas de ampla extensão, foi eficiente
89
para reduzir as infiltrações. No caso da Estrutura de Desvio, o cálculo
pelo critério proposto mostrou que sua redução foi da ordem de 5 vezes;
b) após um bom tratamento das fundações por injeção de materiais
impermeabilizantes, é mais provável que as fissuras estejam fechadas e
não inter-comunicantes, consubstanciando, portanto, a hipótese de fluxo
laminar, quando os ensaios são procedidos após as injeções. Nessa área
tratada, as condições do meio rochoso são mais uniformes e as
estimativas da permeabilidade equivalente do meio rochoso são um pouco
menos afetadas pelas descontinuidades já injetadas;
c) a vazão estimada pelo critério proposto sem tratamento mostrou-se cerca
de 5 vezes superior ao valor medido com fundação tratada. Portanto, caso
o projeto venha a conviver com ausência de tratamento da rocha, é
necessário que o dimensionamento de bombas seja majorado;
d) o critério proposto indicou a vazão igual a 32,0 l/s, a qual pode ser
admitida como um valor limite de alerta para controle de infiltrações em
condições normais de operação. A vazão de projeto da Estrutura de
Desvio de Itaipu utilizada como valor de referência é de 70 l/s. Além
disso, é normal no dimensionamento das bombas de recalque prever a
majoração da vazão admitida no projeto civil e ainda considerar no
projeto uma ou mais bombas de reserva. Essas majorações asseguram um
dimensionamento da estação de bombas praticamente 100% superior à
vazão prevista pelo projeto civil. Aplicando o valor de 32,0 l/s do critério
para dimensionar uma estação de bombas, teremos:
- vazão estimada pela civil 32,0 l/s;
- coeficiente de segurança de 50% 48,0 l/s;
- serão necessárias 2 bombas de 24,0 l/s de capacidade para atender o
valor da vazão majorada de 48,0 l/s, e mais 1 bomba de reserva,
conduzem o dimensionamento de uma estação de bombas com
capacidade de 72,0 l/s, que praticamente representa o dobro da vazão
do projeto civil.
90
7.3 RECOMENDAÇÕES
Como sugestão para continuidade de pesquisa, recomendam-se as seguintes
situações possíveis de aplicação do critério proposto:
a) aplicar o critério proposto em outros trechos da barragem de Itaipu;
b) aplicar o critério ora apresentado em outras barragens, principalmente
naquelas construídas recentemente, com tratamento de injeção mais
simplificado ou até ausente, avaliando o custo benefício do tratamento
mais simples aplicado nessas barragens, em relação ao custo de instalação
de uma estação de bombas de maior capacidade.
91
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