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Campus de Ilha Solteira
Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira Cursos: Agronomia, Ciências Biológicas, Eng. Civil, Eng. Elétrica, Eng. Mecânica, Física, Matemática e Zootecnia. Avenida Brasil Centro, 56 Caixa Postal 31 CEP 15385-000 Ilha Solteira São Paulo Brasil pabx (18) 3743 1000 fax (18) 3742 2735 [email protected] www.feis.unesp.br
UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO”
FACULDADE DE ENGENHARIA - CAMPUS DE ILHA SOLTEIRA
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
JHABER DAHSAN YACOUB
INTERPRETAÇÃO DOS REGISTROS DOS APARELHOS DE AUSCULTAÇÃO DA UHE ENGENHEIRO SOUZA DIAS (JUPIÁ)
ILHA SOLTEIRA – SP
JUNHO DE 2014
Campus de Ilha Solteira
Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira Cursos: Agronomia, Ciências Biológicas, Eng. Civil, Eng. Elétrica, Eng. Mecânica, Física, Matemática e Zootecnia. Avenida Brasil Centro, 56 Caixa Postal 31 CEP 15385-000 Ilha Solteira São Paulo Brasil pabx (18) 3743 1000 fax (18) 3742 2735 [email protected] www.feis.unesp.br
UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO”
FACULDADE DE ENGENHARIA - CAMPUS DE ILHA SOLTEIRA
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
INTERPRETAÇÃO DOS REGISTROS DOS APARELHOS DE AUSCULTAÇÃO DA UHE ENGENHEIRO SOUZA DIAS (JUPIÁ)
JHABER DAHSAN YACOUB
Orientador: Prof. Dr. José Augusto de Lollo
Co-Orientador: Prof. Dr. Fagner Alexandre Nunes de França
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Faculdade de Engenharia do Campus de Ilha Solteira – UNESP, como parte dos requisitos para obtenção do grau de Engenheiro Civil.
ILHA SOLTEIRA – SP
JUNHO DE 2014
ii
Dedico
Aos meus pais Harb e Maria por sempre
acreditarem em mim e estarem ao meu
lado, na esperança de um dia poder
retribui-los, em tudo que me
proporcionaram.
iii
AGRADECIMENTOS
Agradeço ao Professor Doutor Fagner Alexandre Nunes de França não
somente pela orientação deste trabalho, mas principalmente pela amizade,
compreensão e paciência diante das minhas dificuldades.
Ao Professor Doutor José Augusto de Lollo por ter me aceitado como seu
orientado na continuação deste trabalho, bem como pelo companheirismo,
paciência e ajuda sempre que necessário.
Aos engenheiros da Companhia Energética de São Paulo (CESP), Aloísio
Celeri, Euclydes C. Jr. e Wilerson Cestari, pela paciência e ensinamentos
transmitidos, assim como o companheirismo neste um ano de convivência.
Aos técnicos da CESP, Antônio Piquera, Heron Oliveira e Oracy da Silva,
pelo companheirismo e conhecimentos repassados de larga experiência em
planejamento e execução de programas de instrumentação em barragens da
CESP.
À CESP pelo estágio oferecido e fornecimento dos dados necessários para
realização deste trabalho.
Aos colegas de faculdade Bruna Pavão, Celina Honorio, Eduardo Berti,
Fábio Igue, Felipe Maximiano, Francisco D.Jr, Henrique Berto, José M. Jr, João
Perez, João Poletto, Lucas Pereira, Luís Pinheiro, Manuel Llajaruna, Matheus
Pires, Mônica Carneiro, Natasha Nakamura, Paulo Prado, Renan Oliveira,
Rodolpho Orioli, Rodrigo Kumagai, Suelen Guimarães, Thiago Pereira, Thiago
Rotta, e Wilhernaiky Silva, por tantos momentos inesquecíveis ao longo destes
5 anos de faculdade.
À minha namorada Bruna dos Santos por sempre me apoiar e acreditar em
meu potencial, mesmo nos momentos mais difíceis. .
iv
Yacoub, Jhaber. INTERPRETAÇÃO DOS REGISTROS DOS APARELHOS DE
AUSCULTAÇÃO DA UHE ENGENHEIRO SOUZA DIAS (JUPIÁ). 2014. 164 p. Trabalho de
Conclusão de Curso – Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” – UNESP,
Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Ilha Solteira-SP, 2014.
RESUMO
Este trabalho teve por objetivo verificar a percolação de água por seções
transversais representativas do maciço de terra da UHE Engenheiro Souza
Dias (Jupiá), assim como sua estabilidade de taludes, utilizando os dados
presentes no Sistema CESP de Segurança de Barragens (SICESP), e deste
modo compará-los com os resultados obtidos por meio de análises
computacionais, empregando-se o software SEEP/W e SLOPE/W para
análises de percolação e estabilidade de taludes, respectivamente, ambos do
pacote GeoStudio. Há uma grande presença de instrumentos instalados na
usina hidrelétrica analisada (piezômetros, medidores de nível d’água,
medidores de recalque, medidores triortogonais, células de tensão total e
medidores de vazão), entretanto, deu-se prioridade de análise aos
instrumentos voltados à percolação de água no maciço da barragem
(piezômetros e medidores de nível d’água). A análise de percolação pelo
maciço da UHE Engenheiro Souza Dias mostrou resultados discrepantes dos
obtidos por meio computacional, de acordo com a análise do software
SEEP/W, o maciço de terra acima do filtro deveria ser completamente seco, no
entanto, esses apresentaram carga hidráulica positiva. O software interpretou
que após o filtro chaminé, instalado sob a crista da barragem, não há
percolação alguma, quando na realidade existe, tal resultado demonstrou a
importância do projeto e execução do filtro vertical, juntamente com o tapete
drenante, visando minimizar a percolação de água e trabalhar com o menor
gradiente hidráulico possível de modo que não haja surgências e/ou erosões
internas (piping). Os resultados obtidos por simulação do software SLOPE/W,
mostraram-se satisfatórios com um de Fator de Segurança passante em
praticamente todos os quesitos, no entanto uma rotina de análises por meio de
v
observações e possíveis manutenções na seção são recomendáveis, devido à
própria idade da barragem e o desgaste natural dela.
Palavras-chave: Auscultação de Barragens, Softwares SEEP/W–SLOPE/W,
Usina Hidrelétrica Engenheiro Souza Dias (Jupiá).
É autorizada a reprodução total ou parcial deste trabalho, desde que citada
a fonte.
vi
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Exemplo de níveis de advertência de perigo. ................................ 72
Tabela 2 - Frequências mínimas de leitura na barragem de terra-enrocamento
......................................................................................................................... 82
Tabela 3 - Frequências mínimas de leitura na barragem de concreto .............. 83
Tabela 4 - Classificação da consequência de ruptura de barragens – potencial
consequência incremental da ruptura (*). ......................................................... 92
Tabela 5 - Frequência de reavaliações da segurança de barragens. .............. 93
Tabela 6 – Resumo comparativo dos métodos utilizados na simulação
computacional. ............................................................................................... 126
Tabela 7 – Características da UHE Jupiá. ..................................................... 127
Tabela 8 – Instrumentos instalados na Barragem de Concreto e Eclusa. ..... 130
Tabela 9 – Instrumentos instalados na Barragem de Terra ........................... 131
Tabela 10 – Materiais e suas características utilizadas na simulação. .......... 137
Tabela 11 – Materiais e suas características utilizadas na simulação. .......... 137
Tabela 12 – Controle de compactação no período construtivo, próximos s
estaca 62+04 m. ............................................................................................. 138
Tabela 13 – Controle de compactação no período construtivo, próximos s
estaca 84+15 m. ............................................................................................. 139
Tabela 14 – Simulação da carga piezométrica e valores reais da seção em
análise. ........................................................................................................... 148
Tabela 15 – Valores de gradientes hidráulicos simulados e reais da seção em
análise. ........................................................................................................... 150
Tabela 16 – Valores de Fator de Segurança para várias etapas de uma
barragem. ....................................................................................................... 151
Tabela 17 – Simulação da carga piezométrica e valores reais da seção em
análise. ........................................................................................................... 164
Tabela 18 – Valores de gradientes hidráulicos simulados e reais da seção em
análise. ........................................................................................................... 166
vii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Barragem de concreto gravidade. .................................................. 24
Figura 2 – Barragem Three Gorges Dam em concreto gravidade. .................. 24
Figura 3 – Barragem de concreto estrutural com contrafortes......................... 25
Figura 4 – Barragem Salto Grande em contra fortes. ...................................... 26
Figura 5 – Barragem principal de Itaipu em gravidade aliviada ....................... 27
Figura 6 – Barragem de concreto em arco de dupla curvatura........................ 27
Figura 7 – Barragem Hoover Dam de concreto em arco. ................................ 28
Figura 8 – Barragem de Terra Homogênea. .................................................... 29
Figura 9 – Barragem de Terra Homogênea da UHE Três Marias, MG. ........... 30
Figura 10 – Barragem de terra-enrocamento (a) com núcleo central e (b)
inclinado. .......................................................................................................... 32
Figura 11 – Barragem Emborcação em terra-enrocamento. ........................... 32
Figura 12 – Barragem de Xingó em enrocamento com membrana de concreto.
......................................................................................................................... 33
Figura 13 – Barragens em aterro hidráulico. ................................................... 34
Figura 14 – Etapas construtivas de uma barragem de rejeitos........................ 35
Figura 15 – Barragem Pontal da VALE em rejeitos ......................................... 36
Figura 16 – Execução de concreto compactado com rolo na barragem da
Usina Hidrelétrica Mauá, no Paraná. ................................................................ 37
Figura 17 – Esquema de um medidor de nível d’água. ................................... 40
Figura 18 -Medidor de vazão tipo triangular. .................................................... 42
Figura 19 – Medidor de vazão triangular. ........................................................ 42
Figura 20 – Calha tipo Parshall. ...................................................................... 43
Figura 21 – Esquema geral de um piezômetro de tubo aberto. ....................... 44
Figura 22 – Piezômetro de tubo aberto sendo lido com auxilio do pio. ........... 45
Figura 23 – Piezômetro de tubo aberto com manômetro para leitura em locais
de elevada pressão. ......................................................................................... 45
Figura 24 – Esquema de funcionamento de um piezômetro pneumático. ....... 47
Figura 25 – Aparelho de leitura para instrumentos pneumáticos (PN e TS). ... 47
Figura 26 – Painel para leituras de instrumentos pneumáticos (PN e TS). ..... 48
Figura 27 – Esquema de funcionamento de um piezômetro hidráulico. .......... 49
viii
Figura 28 – Caixa seletora para leituras de instrumentos elétricos. ................ 50
Figura 29 – Diferentes tipos de piezômetros de corda vibrante....................... 51
Figura 30 – Esquema de funcionamento de um transdutor de corda vibrante 51
Figura 31 – Estrutura de um cabo de fibra óptica ............................................ 52
Figura 32 – Propagação de luz em um cabo de fibra óptica. .......................... 53
Figura 33 – Cabos e aparelhos sonoros utilizados nas leituras dos PZ, NA e
PA, que eram confeccionados e recebiam manutenção pelo LCEC. ............... 54
Figura 34 – Esquema geral de uma célula de tensão total. ............................. 55
Figura 35 – Célula de tensão total. .................................................................. 56
Figura 36 – Caixa seletora Mayhak - aparelho de leitura de célula de tensão
total e piezômetro elétrico. ............................................................................... 56
Figura 37 – Medidor de recalque de tubos telescópicos. ................................ 58
Figura 38 – Aparelho de leitura do medidor de recalque magnético MM. ....... 60
Figura 39 – Esquema típico de um medidor de recalques tipo KM. ................ 61
Figura 40 – Aparelho de leitura do medidor de recalque de placas KM. ......... 62
Figura 41 – Esquema geral de um medidor triortogonal. ................................. 64
Figura 42 – Medidor triortogonal instalado na galeria entre dois blocos de
concreto............................................................................................................ 64
Figura 43 – Modo de leitura do medidor triortogonal. ...................................... 65
Figura 44 – Aparelho de leitura do medidor triortogonal. ................................. 65
Figura 45 – Esquema geral de instalação do aparelho Base para Alongâmetro.
......................................................................................................................... 66
Figura 46 – Base para Alongâmetro instalado na galeria de entre dois blocos
de concreto. ...................................................................................................... 66
Figura 47 – Esquema geral de um pêndulo direto. .......................................... 67
Figura 48 – Esquema geral de um pêndulo invertido. ..................................... 68
Figura 49 – Pêndulo direto instalado na galeria de concreto. .......................... 68
Figura 50 – Aparelho de leitura para Pêndulos direto e invertido. ................... 69
Figura 51 – Esquema didático de um extensômetro de hastes. ...................... 70
Figura 52 – Terminais de leituras de extensômetros de hastes. ..................... 70
Figura 53 – Região crítica da barragem de concreto. ...................................... 75
Figura 54 - Diferença entre acurácia e precisão. ............................................. 78
Figura 55 - Locação dos piezômetros na parte central da galeria. .................. 85
Figura 56 – Piezômetro localizado na parte central da galeria. ....................... 86
ix
Figura 57 – Elemento bidimensional de solo sujeito percolação. .................... 97
Figura 58 – Modelo Físico reduzido de percolação para dentro de uma
escavação. ....................................................................................................... 99
Figura 59 – Trajetória de uma partícula de fluido. ......................................... 100
Figura 60 – Trajetória de uma partícula de fluido. ......................................... 101
Figura 61 – Canal de Fluxo. .......................................................................... 103
Figura 62 – Percolação de água através da fundação permeável de uma
cortina de estacas pranchas........................................................................... 104
Figura 63 – Percolação de água através da fundação permeável de uma
cortina de estacas pranchas........................................................................... 104
Figura 64 – Percolação através de barragens de terra homogênea. ............. 106
Figura 65 – Solução teórica de Kozeny – Parábola básica. .......................... 107
Figura 66 – Condições de entrada da freática. .............................................. 108
Figura 67 – Condições de saída da freática. ................................................. 108
Figura 68 – Gráfico para locar o ponto de saída da freática. ......................... 109
Figura 69 – Parábola básica e correções para situar a freática..................... 109
Figura 70 – Perdas de carga ao longo da freática são altimétricas. .............. 110
Figura 71 – Rebaixamento rápido do nível de água do reservatório. ............ 111
Figura 72 – Erros comuns em redes de percolação. ..................................... 112
Figura 73 –. Correções necessárias (c) e rede final corrigida (d). ................. 112
Figura 74 – Exemplos de redes de fluxo. ...................................................... 113
Figura 75 – Exemplos de redes de fluxo. ...................................................... 113
Figura 76 – Rede de fluxo pela fundação de uma barragem concreto e
diagrama de subpressões. ............................................................................. 114
Figura 77 – Encosta natural sujeita à percolação. ......................................... 116
Figura 78 – Determinação da força de percolação a partir da rede de fluxo. 117
Figura 79 – Exemplos de casos em que a linha de ruptura não é circular. ... 119
Figura 80 – Método sueco ou das lamelas e forças na lamela genérica. ...... 120
Figura 81 – Convenção de sinais do ângulo θ............................................... 121
Figura 82 – Forças aplicadas em uma lamela do solo pelo método Bishop. . 123
Figura 83 – Forças aplicadas em uma lamela do solo pelo método Janbu
(simplificado). ................................................................................................. 124
Figura 84 – Forças aplicadas em uma lamela do solo pelo método Spencer.
....................................................................................................................... 125
x
Figura 85 – Forças aplicadas em uma lamela do solo pelo método
Morgenstern-Price. ......................................................................................... 125
Figura 86 – Localização da UHE Jupiá. ........................................................ 126
Figura 87 – Detalhe da localização da UHE Jupiá. ....................................... 127
Figura 88 – Esquema de partição de quedas do rio Paraná. ........................ 129
Figura 89 – Vista superior do vertedouro de superfície da UHE Jupiá. ......... 129
Figura 90 – Vista à jusante do vertedor de superfície. .................................. 130
Figura 91 – Seção típica da barragem de terra da margem esquerda. ......... 132
Figura 92 – Materiais utilizados como condição de contorno na simulação
computacional, em ambas as seções. ........................................................... 136
Figura 93 – Malha de elementos finitos utilizados como condição de contorno
para simulação computacional, em ambas as seções. .................................. 136
Figura 94 – Materiais utilizados como condição de contorno na simulação
computacional nas duas seções em análise. ................................................. 140
Figura 95 – Superfície de escorregamento utilizada como condição de
contorno nas duas seções em análise. .......................................................... 140
Figura 96 – Resultado da simulação computacional considerando a percolação
somente pelo maciço de terra a montante da seção 62+04 m. ...................... 141
Figura 97 – Resultado da simulação computacional considerando a percolação
pelo maciço de montante e de fundação da seção 62+04 m. ........................ 142
Figura 98 – Variação temporal das leituras do piezômetro 635 no maciço de
jusante da seção 62+04 m. ............................................................................ 142
Figura 99 – Variação temporal das leituras do piezômetro 633 no maciço de
jusante da seção 62+04 m. ............................................................................ 143
Figura 100 – Variação temporal das leituras do piezômetro 631 no maciço de
jusante da seção 62+04 m. ............................................................................ 143
Figura 101 – Variação temporal das leituras do Medidor de Nível d’Água 602
no filtro da seção 62+04 m. ............................................................................ 144
Figura 102 – Variação temporal das leituras do piezômetro 635, em escala
ampliada. ........................................................................................................ 145
Figura 103 – Variação temporal das leituras do piezômetro 627 no maciço de
fundação a montante da seção 62+04 m. ...................................................... 146
Figura 104 – Variação temporal das leituras do piezômetro 626 no maciço de
fundação a jusante da seção 62+04 m. .......................................................... 146
xi
Figura 105 – Variação temporal das leituras do piezômetro 634 no maciço de
fundação a jusante da seção 62+04 m. .......................................................... 147
Figura 106 – Variação temporal das leituras do piezômetro 632 no maciço de
fundação a jusante da seção 62+04 m. .......................................................... 147
Figura 107 –. Variação da poropressão no maciço de terra da seção em
análise. ........................................................................................................... 149
Figura 108 –. Variação dos valores de poropressão no maciço de terra da
seção em análise. .......................................................................................... 149
Figura 109 –. Variação da carga total no maciço de terra da seção em análise.
....................................................................................................................... 149
Figura 110 –. Variação dos valores de carga total no maciço de terra da seção
em análise. ..................................................................................................... 150
Figura 111 – Visão geral da seção com o resultado de estabilidade de taludes
por Morgenstern-Price. ................................................................................... 152
Figura 112 – Detalhe da cunha de deslizamento da seção em análise pelo
método de Morgenstern-Price. ....................................................................... 152
Figura 113 – Visão geral da seção com o resultado de estabilidade de taludes
por Spencer. ................................................................................................... 153
Figura 114 – Detalhe da cunha de deslizamento da seção em análise pelo
método de Spencer. ....................................................................................... 153
Figura 115 – Visão geral da seção com o resultado de estabilidade de taludes
por Bishop. ..................................................................................................... 154
Figura 116 – Detalhe da cunha de deslizamento da seção em análise pelo
método de Bishop. ......................................................................................... 154
Figura 117 – Visão geral da seção com o resultado de estabilidade de taludes
por Janbu. ...................................................................................................... 155
Figura 118 – Detalhe da cunha de deslizamento da seção em análise pelo
método de Janbu. ........................................................................................... 155
Figura 119 – Exemplo de uma das lamelas com os vetores utilizados para o
cálculo computacional pelo método Janbu. .................................................... 156
Figura 120 – Resultado da simulação computacional considerando a
percolação somente pelo maciço de terra a montante da seção 84+15 m. ... 157
Figura 121 – Resultado da simulação computacional considerando a
percolação pelo maciço de montante e de fundação da seção 62+04 m. ...... 157
xii
Figura 122 – Variação temporal das leituras do medidor de nível d’água 603 no
maciço de jusante da seção 84+15 m. ........................................................... 158
Figura 123 – Variação temporal das leituras do piezômetro 616 no maciço de
jusante da seção 84+15 m. ............................................................................ 158
Figura 124 – Variação temporal das leituras do piezômetro 620 no maciço de
jusante da seção 84+15 m. ............................................................................ 159
Figura 125 – Variação temporal das leituras do piezômetro 621 no maciço de
jusante da seção 84+15 m. ............................................................................ 159
Figura 126 – Variação temporal das leituras do piezômetro 616 no maciço de
jusante da seção 84+15 m em escala ampliada. ........................................... 160
Figura 127 – Variação temporal das leituras do piezômetro 617 no maciço de
montante na fundação da seção 84+15 m. .................................................... 161
Figura 128 – Variação temporal das leituras do piezômetro 615 no maciço de
jusante na fundação da seção 84+15 m. ........................................................ 161
Figura 129 – Variação temporal das leituras do piezômetro 614 no maciço de
jusante na fundação da seção 84+15 m. ........................................................ 162
Figura 130 – Variação temporal das leituras do piezômetro 622 no maciço de
jusante na fundação da seção 84+15 m. ........................................................ 162
Figura 131 – Variação temporal das leituras do piezômetro 618 no maciço de
jusante na fundação da seção 84+15 m. ........................................................ 163
Figura 132 – Variação temporal das leituras do piezômetro 614 no maciço de
jusante na fundação da seção 84+15 m em escala ampliada. ....................... 163
Figura 133 –. Variação da poropressão no maciço de terra da seção em
análise. ........................................................................................................... 165
Figura 134 –. Variação dos valores de poropressão no maciço de terra da
seção em análise. .......................................................................................... 165
Figura 135 –. Variação da carga total no maciço de terra da seção em análise.
....................................................................................................................... 165
Figura 136 –. Variação dos valores de carga total no maciço de terra da seção
em análise. ..................................................................................................... 166
Figura 137 – Visão geral da seção com o resultado de estabilidade de taludes
por Morgenstern-Price. ................................................................................... 168
Figura 138 – Detalhe da cunha de deslizamento da seção em análise pelo
método de Morgenstern-Price. ....................................................................... 168
xiii
Figura 139 – Visão geral da seção com o resultado de estabilidade de taludes
por Spencer. ................................................................................................... 169
Figura 140 – Detalhe da cunha de deslizamento da seção em análise pelo
método de Spencer. ....................................................................................... 169
Figura 141 – Visão geral da seção com o resultado de estabilidade de taludes
por Bishop. ..................................................................................................... 170
Figura 142 – Detalhe da cunha de deslizamento da seção em análise pelo
método de Bishop. ......................................................................................... 170
Figura 143 – Visão geral da seção com o resultado de estabilidade de taludes
por Janbu. ...................................................................................................... 171
Figura 144 – Detalhe da cunha de deslizamento da seção em análise pelo
método de Janbu. ........................................................................................... 171
Figura 145 – Exemplo de uma das lamelas com os vetores utilizados para o
cálculo computacional pelo método Janbu. .................................................... 172
Figura 146 – Seção 62+04 m com o posicionamento dos instrumentos ....... 179
Figura 147 – Seção 84+15 m com o posicionamento dos instrumentos ....... 181
Figura 148 – Níveis piezométricos da margem esquerda estacas 36 a 75 ... 183
xiv
LISTA DE ABREVIAÇÕES E SIGLAS
BA Base para Alongâmetro
BT Base para Tensotast
BTMD Barragem de Terra Margem Direita
BTME Barragem de Terra Margem Esquerda
CBDB Comitê Brasileiro de Barragens
CBGB Comitê Brasileiro de Grandes Barragens
CESP Companhia Energética de São Paulo.
CF Casa de Força
CIGB Commission Internationale des Grands
Barrages
DF Descarregador de Fundo
EC Eclusa
EH Extensômetro de Haste
EH Empuxo Hidrostático da Água
ELETROBRÁS Centrais Elétricas Brasileiras S.A.
FEIS Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira
GER Geral
ICOLD International Commission on Large Dams
IPT Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São
Paulo
KM Medidor de Recalque de Placas
MJDF Muro Jusante Descarregador de Fundo
xv
MM Medidor de Recalque Magnético
MV Medidor de Vazão
MSC Muro Separação Central
MEC Ministério da Educação
NA Medidor de Nível D’ Água
P Peso
PA Poço de Alívio
PAE Plano de Ação Emergencial
PCH’s Pequenas Centrais Hidrelétricas
PZ Piezômetro de Tubo
SICESP Sistema CESP de Segurança de Barragens
SOSEm Sistema de Operação em Situação de
Emergência
T Força de Cisalhamento
UNIFEI Universidade Federal de Itajubá
U Subpressões
UFOP Universidade Federal de Ouro Preto
UNESP Universidade Estadual Paulista “Júlio de
Mesquita Filho”
VS Vertedouro de Superfície,
xvi
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO .................................................................................... 20
1.1 Objetivo ............................................................................................... 21
2 APRESENTAÇÃO DO TRABALHO .......................... ......................... 21
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................. .................................. 22
3.1 Barragens ............................................................................................ 22
3.1.1 Evolução Histórica ............................................................................... 22
3.1.2 Barragem de Concreto Gravidade (Concreto Massa).......................... 23
3.1.3 Barragem de Concreto Estrutural com Contrafortes ............................ 25
3.1.4 Barragem de Gravidade Aliviada ......................................................... 26
3.1.5 Barragem de Concreto em Arco de Dupla Curvatura .......................... 27
3.1.6 Barragem de Terra Homogênea .......................................................... 28
3.1.7 Barragem de Terra-Enrocamento ........................................................ 31
3.1.8 Barragem de Enrocamento com Membrana de Concreto ................... 33
3.1.9 Barragem em Aterro Hidráulico ........................................................... 34
3.1.10 Barragens de Contenção de Rejeitos .................................................. 35
3.1.11 Concreto Compactado a Rolo (CCR) .................................................. 36
3.2 Instrumentos de Auscultação .............................................................. 37
3.3 Histórico da Instrumentação ................................................................ 38
3.4 Principais Instrumentos de Auscultação .............................................. 40
3.4.1 Medidor de Nível d’Água ..................................................................... 40
3.4.2 Medidor de Vazão................................................................................ 41
3.4.3 Piezômetros ......................................................................................... 43
3.4.4 Comparação entre Piezômetros .......................................................... 53
3.4.5 Célula de Tensão Total ........................................................................ 54
3.4.6 Medidores de Deslocamento ............................................................... 57
xvii
3.5 Planejamento de Instrumentação ........................................................ 71
3.6 Localização dos Instrumentos ............................................................. 73
3.7 Fatores que Influenciam as Medições. ................................................ 75
3.8 Instalação, Manutenção e Calibração. ................................................ 76
3.9 Características das Leituras. ............................................................... 77
3.9.1 Conformidade. ..................................................................................... 77
3.9.2 Acurácia ............................................................................................... 77
3.9.3 Precisão ............................................................................................... 78
3.9.4 Resolução ............................................................................................ 78
3.9.5 Campo de Leitura ................................................................................ 79
3.9.6 Amplitude ............................................................................................. 79
3.9.7 Erros de Leitura ................................................................................... 79
3.9.8 Erros Grosseiros .................................................................................. 79
3.9.9 Erros Sistemáticos ............................................................................... 80
3.9.10 Erros de Conformidade ........................................................................ 80
3.9.11 Erros Ambientais ................................................................................. 80
3.9.12 Erros Observacionais .......................................................................... 81
3.9.13 Erros de Amostragem .......................................................................... 81
3.9.14 Frequências de Leituras ...................................................................... 81
3.10 Falhas na Instrumentação de Barragens ............................................ 84
3.10.1 Falhas na Instrumentação de Barragens de Concreto ........................ 84
3.10.2 Falhas na Instrumentação de Barragens de Terra .............................. 86
3.10.3 Falha na Ausência de Relatórios ......................................................... 88
3.10.4 Falhas na Emissão dos Relatórios de Dados. ..................................... 88
3.10.5 Falhas nos Relatórios de Análise do Comportamento das Estruturas . 89
3.11 Inspeção de Barragens ....................................................................... 89
3.11.1 Estruturas de Concreto ........................................................................ 90
xviii
3.11.2 Estruturas Metálicas ............................................................................ 90
3.11.3 Barragens de Terra .............................................................................. 90
3.12 Classificação da Ruptura de Barragens .............................................. 91
3.12.1 Reavaliação da Segurança de Barragens ........................................... 92
3.12.2 Procedimentos de Emergência ............................................................ 93
3.12.3 Estudos de Inundação ......................................................................... 94
3.13 Percolação de Água nos Solos ........................................................... 95
3.13.1 Introdução à Percolação de Água nos Solos ....................................... 95
3.13.2 Equação Geral do Fluxo ...................................................................... 96
3.13.3 Resolução da Equação do Fluxo ......................................................... 98
3.13.4 Redes de Fluxo.................................................................................. 102
3.13.5 Fluxo Confinado................................................................................. 104
3.13.6 Fluxo Não-Confinado ......................................................................... 106
3.13.7 Linha Freática .................................................................................... 107
3.13.8 Situações Especiais ........................................................................... 110
3.13.9 Recomendações Gerais .................................................................... 111
3.13.10 Cálculo de Supressões e de Forças de Percolação .......................... 114
3.14 Estabilidade de Taludes .................................................................... 117
3.14.1 Introdução .......................................................................................... 117
3.14.2 Métodos de Equilíbrio-Limite ............................................................. 119
3.14.3 Dedução da Fórmula do Coeficiente de Segurança .......................... 120
3.14.4 Pesquisa do Círculo Crítico ............................................................... 121
3.15 Métodos de Estabilidade de Taludes ................................................ 122
3.15.1 Método de Bishop Simplificado ......................................................... 122
3.15.2 Método de Janbu (simplificado) ......................................................... 123
3.15.3 Método de Spencer ........................................................................... 124
3.15.4 Método de Morgenstern-Price ........................................................... 125
xix
3.16 UHE Engenheiro Souza Dias (Jupiá) ................................................ 126
3.16.1 Geologia Local ................................................................................... 131
4 MATERIAIS E MÉTODOS ............................... ................................. 133
4.1 Seções Analisadas ............................................................................ 133
4.2 Dados Reais ...................................................................................... 133
4.3 Seção 62+04 m ................................................................................. 134
4.4 Seção 84+15 m ................................................................................. 134
4.5 Software SEEP/W ............................................................................. 134
4.6 Software SLOPE/W ........................................................................... 137
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ........................... ........................... 141
5.1 Seção 62+04 m ................................................................................. 141
5.1.1 Análise de Percolação ....................................................................... 141
5.1.2 Análise de Estabilidade de Taludes ................................................... 151
5.2 Seção 84+15 m ................................................................................. 156
5.2.1 Análise de Percolação ....................................................................... 156
5.2.2 Análise de Estabilidade de Taludes ................................................... 168
6 CONCLUSÕES ................................................................................. 172
REFERÊNCIAS.............................................................................................. 175
ANEXO A ........................................... ............................................................ 178
ANEXO B ........................................... ............................................................ 180
ANEXO C ....................................................................................................... 182
20
1 INTRODUÇÃO
Barragens são utilizadas desde a antiguidade para armazenar água nos
períodos chuvosos e utilizá-la nos períodos de seca. No nosso país a falta de
água no nordeste, a necessidade de desenvolvimento nacional e o potencial
hídrico foram fatores determinantes para o grande número de barragens
construídas desde o século XIX. No final desse século a navegação e a
produção de energia elétrica se tornaram objetivos adicionais, sendo
construídas nas regiões Sul e Sudeste as primeiras usinas voltadas para
geração de energia, com pequenas dimensões e cargas.
Principalmente no período da ditadura militar do nosso país, quando houve
um grande salto econômico, conhecido por “milagre econômico”, foram
executadas as maiores usinas hidroelétricas do mundo na época, dentre elas
Itaipu, Ilha Solteira, Jupiá e Tucuruí.
Pelo aumento da complexidade das barragens e visando melhorar o
acompanhamento das condições das mesmas, foram aplicados os
equipamentos de auscultação, cuja função é auxiliar na observação do
desempenho e permitir uma projeção do comportamento da barragem.
O planejamento de uma instrumentação geotécnica não é simples, requer
muito cuidado tanto na escolha dos equipamentos quanto da mão-de-obra, o
planejamento deve ser feito por um grupo com especialistas em
instrumentação geotécnica, lembrando que a instrumentação é apenas uma
ferramenta e não uma solução, sendo seu uso indicado desde a fase de
construção, para adaptação do projeto, até a fase de operação, indicando
eventuais correções (SILVEIRA, 2006).
21
1.1 Objetivo
Interpretar os registros dos aparelhos de auscultação instalados na Usina
Hidrelétrica Engenheiro Souza Dias (Jupiá), bem como compará-los com
resultados obtidos por meio dos softwares SEEP/W e SOLPE/W do pacote
GeoStudio.
2 APRESENTAÇÃO DO TRABALHO
O presente trabalho foi dividido em 7 capítulos, sendo o primeiro introdutório
ao tema abordado, citando a evolução das barragens e a necessidade do
programa de auscultação, além do objetivo do trabalho, de forma simples,
direta e sucinta. O segundo apresenta o trabalho, citando a ênfase principal de
cada capítulo. O terceiro se refere à revisão bibliográfica, onde os principais
conteúdos abordados ao longo do trabalho são discorridos. O quarto trata dos
materiais empregados e dos métodos utilizados para se chegar aos resultados.
O quinto discorre sobre os resultados obtidos em cada seção analisada. O
sexto aborda as conclusões que puderam ser obtidas das análises do capítulo
anterior. O sétimo, e último, engloba as referências bibliográficas e os anexos
utilizados no decorrer do trabalho.
22
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Barragens
3.1.1 Evolução Histórica
As barragens de terra são construções de longa data. Um dos registros
mais antigos é o da barragem de 12 m de altura, construída no Egito, há
aproximadamente 6800 anos, e que rompeu por transbordamento.
As barragens de terra eram homogêneas, com o material transportado
manualmente e compactado por pisoteamento, por animais ou homens. A
barragem do Guarapiranga foi construída pelos ingleses, no início do século
XX, próximo à cidade de São Paulo, usando a técnica de aterro hidráulico a
certa cota, complementada até a crista com solo compactado por carneiros,
existindo, inclusive, um documento que cita a utilização dos carneiros na obra.
Em 1820 consta que Telford introduziu o uso de núcleos argila para garantir a
estanqueidade das barragens. O uso de enrocamento iniciou-se,
provavelmente, na Califórnia, na década de 1850, pois havia carência de
material terroso. Os blocos de rocha eram simplesmente empilhados, sem
nenhuma compactação. Em consequência, muitas barragens sofreram
recalques bruscos, pois diante da saturação ocorria um amolecimento da rocha
nos pontos de contato entre elas. Hoje, os aterros de enrocamento são
construídos com rolos compactadores vibratórios, obtendo-se um entrosamento
maior entre as pedras.
A compactação mecânica só foi introduzida de meados do século XIX para
o início do século XX, muito antes da Mecânica dos Solos se estabelecer.
As primeiras barragens de terra brasileiras foram construídas no nordeste,
no início do século XX, no plano de combate à seca, sendo projetadas com
bases empíricas. A barragem de Curema, construída na Paraíba em 1938,
23
contava com os novos conhecimentos da Mecânica dos Solos. Mas somente
em 1947, com a barragem do Vigário, atual barragem Terzaghi, localizada no
Estado do Rio de Janeiro, é que se inaugurou o uso da moderna técnica de
projeto e construção de barragens de terra no Brasil, sendo também um marco,
pois pela primeira vez Terzaghi empregou o filtro vertical como elemento de
drenagem interna de barragens de terra. Hoje, existem centenas de barragens
de terra e terra-enrocamento em operação no país, inclusive de enrocamento
com face de concreto, como a barragem de Foz do Areia (PR), com 156 m de
altura, a maior delas projetada e construída por brasileiros. (VARGAS, 1977
citado por MASSAD, 2003).
Uma barragem deve ser vista como por um todo no espaço, ou seja,
compreendendo a bacia da represa; os terrenos de fundação, as estruturas
anexas (vertedouros, descarregadores de fundo, tomada d`água, galerias,
casas de força, etc.); instrumentos de auscultação (piezômetro, medidores de
recalques, etc.), importantes para a observação do comportamento da obra; e
as instalações de comunicação e manutenção. (MELLO, 1975 citado por
MASSAD, 2003).
3.1.2 Barragem de Concreto Gravidade (Concreto Mass a)
A estabilidade é garantida pelo seu peso próprio, deste modo, requer
fundações em rocha, por questões de capacidade de suporte do terreno.
Conforme a Figura 1, é possível notar que além do empuxo hidrostático da
água (EH), intervém a resultante das subpressões (U), que atua na base da
barragem, tendendo a instabilizá-la, pois reduz o efeito do peso próprio (P), que
é a força estabilizadora (MASSAD, 2003).
24
Figura 1 – Barragem de concreto gravidade.
Fonte: Massad (2003).
A verificação da estabilidade é feita com a aplicação dos princípios da
estática, sob dois aspectos: estabilidade quanto ao deslizamento, em que se
compara a força EH com a força de cisalhamento T; e a estabilidade quanto ao
tombamento. A resultante das forças deve ser localizada no terço médio da
base, para evitar tração no pé de montante da barragem (MASSAD, 2003). A
Figura 2 ilustra a barragem Three Gorges Dam em concreto gravidade, na
China.
Figura 2 – Barragem Three Gorges Dam em concreto gravidade.
Fonte: Wikipedia (2014).
25
3.1.3 Barragem de Concreto Estrutural com Contrafor tes
Barragens constituídas de lajes ou abóbadas múltiplas (Figura 3) inclinadas,
apoiadas em contrafortes. Em comparação com o tipo anterior, requerem
menor volume de concreto, mas exigem mais forma e armação.
Figura 3 – Barragem de concreto estrutural com contrafortes.
Fonte: Massad (2003).
A estabilidade quanto ao deslizamento é favorecida pela inclinação da
resultante do empuxo hidrostático, isto é, a o peso próprio da água causa um
efeito benéfico, pois se adiciona ao peso próprio da barragem, garantindo a
estabilidade.
Em relação às fundações é preciso ter certos cuidados, pois a sua base, em
contato com o maciço rochoso, é relativamente pequena. A Figura 4 mostra a
barragem em contra forte Salto Grande.
26
Figura 4 – Barragem Salto Grande em contra fortes.
Fonte: Memória Duke (2014).
3.1.4 Barragem de Gravidade Aliviada
Devido sua menor área de base, a subpressão fica muito reduzida, o risco
ao tombamento é praticamente eliminado pelo peso da água sobre o parâmetro
inclinado de montante. Entretanto há um aumento nos esforços de
compressão, com valores de 4,0 – 5,0 MPa, dependendo da altura e geometria
da barragem. São barragens mais suscetíveis ao deslizamento, devido seu
menor peso, sendo comuns obras de reforço de fundação (OLIVEIRA; BRITO,
1998).
Podem economizar de 25 a 40% de concreto, em relação às barragens de
concreto gravidade, porém necessitam de fundações melhores. (OLIVEIRA;
BRITO, 1998). A Figura 5 ilustra a barragem principal de Itaipu, em gravidade
aliviada.
27
Figura 5 – Barragem principal de Itaipu em gravidade aliviada
Fonte: CEPA (2014)
3.1.5 Barragem de Concreto em Arco de Dupla Curvatu ra
Sua forma, com dupla curvatura (Figura 6) faz com que o concreto trabalhe
em compressão. Esse tipo de construção só é possível através do
engastamento em vales fechados, ou seja, pequenos vales, em que a relação
entre a largura da crista e a altura da barragem fique inferior a 2,5.
Figura 6 – Barragem de concreto em arco de dupla curvatura.
Fonte: Massad (2003).
28
O problema é hiperestático e sua solução requer considerações quanto à
compatibilidade de deformações entre a estrutura de concreto e o maciço
rochoso, onde há necessidade de se conhecer o módulo de elasticidade da
rocha. Além disso, por conta da espessura da “casca”, no contato com o
maciço rochoso, ser da ordem de 10 a 15% da altura da barragem, as
fundações devem ser melhores do que nos tipos anteriores. A Figura 7 ilustra
Hoover Dam, em arco nos EUA.
Figura 7 – Barragem Hoover Dam de concreto em arco.
Fonte: Gomes (200-).
3.1.6 Barragem de Terra Homogênea
Tipo de barragem mais comum no Brasil, devido às condições topográficas,
com vales muitos abertos, e a disponibilidade de material terroso no Brasil.
Tolera fundações mais deformáveis, podendo-se construir barragens de terra
apoiadas sobre solos moles, como foi o caso da barragem do Rio Verde,
próxima a Curitiba, com 15 m de altura máxima. A Figura 8 ilustra
didaticamente uma barragem de terra homogênea
29
Figura 8 – Barragem de Terra Homogênea.
Fonte: Massad (2003).
A inclinação dos taludes de montante e jusante é fixada de modo a garantir
a estabilidade durante a vida útil da barragem, principalmente em final de
construção e em situações de rebaixamento rápido do reservatório.
Um dos mais preocupantes é o piping ou erosão interna regressiva, no
próprio corpo da barragem ou nas suas fundações. Esse fenômeno consiste no
carregamento de partículas de solo pela água em fluxo, numa progressão de
jusante para montante, daí o termo “regressivo” empregado para designá-lo;
com o passar do tempo, forma-se um tubo de erosão, que pode evoluir para
cavidades relativamente grandes no corpo das barragens, levando-as ao
colapso (MASSAD, 2003).
Portanto é preciso se ter um controle da percolação, tanto pelas fundações
quanto pelo corpo da barragem. Neste, intercepta-se o fluxo de água, de modo
a impedir sua saída nas faces dos taludes de jusante ou nas ombreiras de
jusante, por meio de filtros verticais (tipo “chaminé”) ou inclinados. Os filtros
são constituídos de areia ou material granular, com granulometria adequada
para evitar o carregamento de partículas de solo e, nesse sentido, o material
deve satisfazer o “Critério de Filtro de Terzaghi”. Esses filtros colaboram
também na dissipação das pressões neutras construtivas e de rebaixamento
rápido (MASSAD, 2003).
Uma variante desse tipo é a barragem de terra zoneada, construída com um
único solo, mas compactado em condições diferentes de umidade, o que
confere ao solo características geotécnicas diferentes. Trata-se de uma
30
otimização da seção de uma barragem de terra, para tirar partido das
características do solo seco, usado nos espaldares, onde se deseja mais
resistência (estabilidade), e do solo úmido, no núcleo, onde se quer baixa
permeabilidade (estanqueidade) (MASSAD, 2003).
Outras variantes são as barragens em aterro úmido, construídas
compactando-se os solos de empréstimos normalmente, com a diferença de
que as umidades de compactação são muito elevadas, 5 a 10% acima da ótima
de Proctor. A construção de um aterro convencional demandaria muito tempo.
Nesse tipo de barragem, os problemas referem-se ao controle do peso dos
equipamentos de compactação, que devem ser leves para evitar o solo
“borrachudo”, além das pressões neutras de final de construção, que
costumam ser altas devido à elevada umidade de compactação do solo
(MASSAD, 2003). Uma barragem de terra homogênea é mostrada pela Figura
9.
Figura 9 – Barragem de Terra Homogênea da UHE Três Marias, MG.
Fonte: Gomes (200-).
31
3.1.7 Barragem de Terra-Enrocamento
É a mais estável dentre as barragens de terra, não havendo registro de
ruptura envolvendo seus taludes. O material do enrocamento (pedras)
apresenta elevado ângulo de atrito, garantindo a estabilidade dos taludes de
montante e jusante, mesmo quando são íngremes (inclinações de 1: 1,6 até 1:
2,2). O núcleo argiloso fornece a estanqueidade à barragem, permitindo o
represamento de água (MASSAD, 2003).
O núcleo dessas barragens pode ser central ou inclinado para montante
(Figura 10). Quando a argila e o enrocamento apresentam compressibilidade
comparáveis entre si, o núcleo central tem a vantagem de exercer uma pressão
maior nas fundações, além de ser mais largo na sua base, o que é benéfico em
termos de controle de perdas d’água. No entanto, se a argila for mais
compressível que o enrocamento, pode ocorrer o fenômeno de arqueamento.
Nessas condições, a argila tende a recalcar mais, sendo impedida pelos
espaldares, mais rígidos. A vantagem de se inclinar o núcleo é que não há
como transferir seu peso para os espaldares. Outra vantagem é que se pode
levantar grande parte do enrocamento de jusante, ganhando-se tempo,
enquanto se procede ao tratamento das fundações (injeções na base do
núcleo) (MASSAD, 2003).
No que se refere ao controle da percolação pelo corpo da barragem,
dispõe-se de material altamente permeável, o enrocamento de jusante, que
permite uma vazão rápida das águas de percolação; deve-se apenas dispor de
uma transição gradual, em termos de granulometria, entre a argila e as pedras,
para evitar o piping. Nas fundações, a percolação concentra-se sob a base do
núcleo, que é relativamente pequena; para evitar fugas d’água significativas, é
necessário um maciço de fundação mais estanque, quando comparada com a
barragem de terra homogênea, em que o caminho de percolação é maior
(MASSAD, 2003).
32
Figura 10 – Barragem de terra-enrocamento (a) com núcleo central e (b) inclinado.
Fonte: Massad (2003).
A barragem de Emborcação, em terra enrocamento é ilustrada pela Figura
11.
Figura 11 – Barragem Emborcação em terra-enrocamento.
Fonte: Gomes (200-).
33
3.1.8 Barragem de Enrocamento com Membrana de Concr eto
Esse tipo de barragem apresenta, como parte impermeável, placas de
concreto sobre o talude de montante de enrocamento. Essas placas são
ligadas umas às outras por meio de juntas especiais, pois se apoiam em meio
deformável (MASSAD, 2003). A Figura 12 mostra a barragem de Xingó entre
Sergipe e Alagoas
Figura 12 – Barragem de Xingó em enrocamento com membrana de concreto.
Fonte: Gomes (200-).
A grande vantagem está no cronograma construtivo, pois tanto o aterro
quanto a membrana de concreto podem ser construídos independentemente do
clima e, portanto, da duração das estações chuvosas. Além disso, podem-se
projetar aterros de enrocamento que suportam o desvio de rios por entre as
pedras: basta que se tomem alguns cuidados no talude de jusante, como a
colocação de bermas, com pedras de maior tamanho, entrosadas com pedras
pequenas, bem compactadas, podendo-se fixar umas às outras com
chumbadores ou telas de ferro (MASSAD, 2003).
34
3.1.9 Barragem em Aterro Hidráulico
É uma barragem construída por processo hidráulico, em que o solo é
transportado com água, por meio de tubulações, até o local de construção. Ao
ser despejado, o material segrega-se, separando-se as areias, que formam os
espaldares do aterro, dos finos (siltes e argilas), que acabam por constituir o
núcleo da barragem. A Figura 13 ilustra um exemplo didático de barragem em
aterro hidráulico.
Figura 13 – Barragens em aterro hidráulico.
Fonte: Massad (2003).
A vantagem é o baixo custo, apesar do grande volume de solo que
despende, em virtude do abatimento dos taludes (1:5). Várias barragens foram
construídas com essa técnica em diversos países, inclusive no Brasil, estando
muitas delas em operação. Em face do processo construtivo, as areias dos
espalmares apresentam-se com compacidade fofa e saturada, sujeitas ao
fenômeno da liquefação. Os defensores dessa técnica argumentam que basta
deixar um rolo vibratório “passeando” sobre as areias recém-despejadas das
tubulações, para se ter uma certa densificação das mesmas e uma garantia
contra a liquefação. (MASSAD, 2003).
35
3.1.10 Barragens de Contenção de Rejeitos
São construídas a partir de um dique inicial em um aterro compactado
(onde se acumulam os rejeitos). Sua execução se dá em múltiplas etapas, em
função dos volumes de rejeitos produzidos, utilização de diferentes materiais
de construção nos alteamentos sucessivos, incluindo-se os próprios rejeitos,
possuindo retorno dos investimentos de sua vida útil.
A construção é normalmente realizada em etapas, sendo que a primeira
consiste na construção do dique de partida, o qual é constituído de solo ou
enrocamento compactado. As etapas seguintes correspondem a alteamentos
consecutivos executados com solos compactados ou com a fração grossa dos
rejeitos gerados (Figura 14). Os alteamentos devem ocorrer de forma a
disponibilizar capacidade de armazenamento no reservatório e para evitar que
o lago se aproxime da barragem e venha a causar a elevação da linha freática
e uma possível instabilidade do maciço (GOMES, 200-).
Figura 14 – Etapas construtivas de uma barragem de rejeitos.
Fonte: Gomes (200-).
36
A Figura 15 mostra uma barragem em rejeitos construída pela VALE.
Figura 15 – Barragem Pontal da VALE em rejeitos
Fonte: Gomes (200-).
3.1.11 Concreto Compactado a Rolo (CCR)
É definido como sendo um concreto de consistência seca, sem slump, com
aspecto arenoso e propriedades próprias, que é transportado, espalhado e
compactado de forma continua, através de maquinários normalmente aplicados
em obras de terra. (OLIVEIRA, 1995 citado por FILHO, 2003.).
Como o CCR tem uma consistência seca para ser adensado com rolos
vibratórios, a dosagem do CCR difere dos concretos convencionais e a escolha
dos materiais deve ser feita de modo a atender às características estabelecidas
para a mistura a ser dosada. (FILHO, 2003.)
Sua execução é muito rápida, quando comparada a outros métodos
construtivos. Por isso, os responsáveis pela fiscalização – seja o proprietário da
obra ou uma empresa contratada para desempenhar a função – precisam
mapear, previamente, todos os procedimentos a serem executados pelo
construtor e averiguar, antes do início dos trabalhos, se as condições
estabelecidas pelo contrato poderão ser atendidas.
37
O projeto básico já inclui itens fundamentais para a sequência executiva,
que determinarão, por exemplo, o teor de cimento no concreto a ser utilizado.
Os equipamentos de compactação são de grande importância, pois sua
capacidade de compactar é diretamente ligada a qualidade da obra.
A execução começa com a concretagem de regularização sobre a rocha,
com o lançamento de concreto convencional, adensado com vibrador de
imersão. Sobre o concreto anterior (de regularização), lança-se uma camada
de concreto convencional, que servirá de base para o CCR. O lançamento do
concreto sobre a rocha deve ocorrer sobre superfície saturada seca. O
fiscalizador deve atentar para as dimensões da camada de regularização, de
modo a evitar problemas de origem térmica (PINI, 2014). A Figura 16 ilustra
um exemplo de barragem em CCR.
Figura 16 – Execução de concreto compactado com rolo na barragem da Usina Hidrelétrica Mauá, no Paraná.
Fonte: PINI (2014).
3.2 Instrumentos de Auscultação
Chama-se auscultação de uma barragem ao conjunto de processos que
visam observação, detecção e caracterização de eventuais danos que
38
constituem risco potencial às condições de sua segurança global (FONSECA,
2003).
3.3 Histórico da Instrumentação
Na década de 1850 foram empregados os primeiros instrumentos para
avaliação de segurança de barragens, a princípio foram utilizados apenas
aparelhos topográficos, como os registrados na barragem de Grosbois, França.
No final do século XIX, na Índia, foram utilizados piezômetros para estudo da
percolação de água na fundação de barragens de irrigação.
Em 1916, nos Estados Unidos, foi projetado um aparelho para medição de
pressão, por Roy Carlson, nesse mesmo país, em 1922, foi lançado um
programa de instrumentação de barragens em arco. Na França, no ano de
1931, André Coyne, patenteou um sensor de corda vibrante seguido de um
grande programa de auscultação na barragem de Magères (1932-1935), desde
então o sensor de corda gerou uma série de outros sensores, utilizados até
hoje.
Com o objetivo de promover melhorias no projeto, construção, manutenção
e na operação de grandes barragens, foi aprovado na assembleia de Londres
do Conselho Executivo da Conferência Mundial de Energia, unanimemente, o
reconhecimento da Comissão Internacional de Grandes Barragens, em 3 de
outubro de 1928 (MELLO; PIASENTIN, 2011).
Em 1936 tem início o Comitê Brasileiro de Grades Barragens (CBGB) e
posteriormente, em 1957 o Brasil ingressa na Comissão Internacional de
Grandes Barragens (CIGB), no ano de 1961 o CBGB foi sucedido pelo atual
Comitê Brasileiro de Barragens (CBDB). Sendo que, a instrumentação ganhou
impulso a partir da década de 1950, época que se passou a construir um
grande número de usinas hidrelétricas cada vez maiores e localizadas em
locais de elevada complexidade geológico-geotécnica.
39
A partir da década de 1970 nosso país passou a produzir instrumentos para
auscultação de barragens de terra e enrocamento, que até então eram
importados, com respaldo técnico do Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT)
e do Laboratório CESP de Engenharia Civil (LCEC), em Ilha Solteira, tal
produção nacional teve início devido as dificuldade em importar produtos no
regime militar, no entanto, instrumentos mais rebuscados como piezômetros de
corda vibrante continuaram a ser importados.
A CESP intensificou seu programa de monitoramento em 1977, após as
usinas Caconde e Euclides da cunha, na época sob sua concessão, romperem.
A primeira medida foi a criação do Sistema de Operação em Situação de
Emergência (SOSEm), documento existente até hoje. No ano de 1988 ocorre a
digitalização das leituras criando um cadastro de todos os instrumentos e suas
respectivas leituras que em 1995, com o desenvolvimento do Sistema CESP de
Segurança de Barragens (SICESP) migraram para esse sistema, onde todas
as informações foram organizadas, possuindo leituras desde 1986 (CESP,
2013).
Seguindo a tendência mundial, o Comitê Brasileiro de Grandes Barragens,
a partir de 1970 fez várias publicações para servirem de alicerce para os
procedimentos de segurança adotados nas barragens nacionais. Estas
publicações foram: “Diretrizes para a Inspeção e Avaliação da Segurança em
Operações” (1979 e 1983) “Recomendações para a Formulação e Verificação
de Critérios e Procedimentos de Segurança de Barragens” (1986) “Cadastro
Brasileiro de Deterioração de Barragens e Reservatórios” (1995) e
“Auscultação e Instrumentação de Barragens no Brasil” (1996) (CBDB, 2001).
No início do século XXI, a evolução tecnológica direcionou-se para o
desenvolvimento da instrumentação por fibra ótica oferecendo excelente
vantagem se comparado a sistemas tradicionais de medição. A instrumentação
em fibra ótica, em relação a convencional, possui tamanho reduzido, não tem
condutividade nem risco de choque elétrico. Não atrai descargas elétricas
atmosféricas, não interfere com campos eletromagnéticos ou ondas de rádio e
é mais resistente a corrosão. (MACHADO, 2007).
40
3.4 Principais Instrumentos de Auscultação
3.4.1 Medidor de Nível d’Água
Tem por objetivo determinar a posição da linha freática, ou seja, do nível
d’água no maciço. Instrumento de fácil execução, bastando a princípio apenas
a execução de um furo de sondagem ou poço.
Para aumentar o tempo de vida útil, uma boa técnica consiste em utilizar um
tubo de PVC perfurado, envolto em geotêxtil ou outro material filtrante, como
areia, para que assim a água presente no maciço possa penetrar no tubo e os
furos não se fecham, finalizando com uma tampa. A parte do aparelho acima
do solo é envolta por concreto, coberto por uma tampa de material metálico,
para proteger das águas pluviais de modo que não interfiram nas leituras bem
como proteger de eventuais vandalismos. A Figura 17 a seguir mostra um
medidor de nível d’água típico.
Figura 17 – Esquema de um medidor de nível d’água.
Fonte: Cruz (1996).
41
A leitura consiste na determinação da cota de instalação, subtraída da
medida do pio, instrumento consistido de uma corda graduada em metros com
um sensor na ponta que ao encostar-se à água fecha um circuito elétrico
formado pelo conjunto sensor/cabo/galvanômetro/bateria, o ponteiro do
galvanômetro se desloca ou um som é emitido pelo aparelho, dependendo do
tipo do mesmo, pode-se, então, determinar a leitura com o auxilio de uma trena
(Cruz, 1996).
3.4.2 Medidor de Vazão
Visa determinar a vazão de drenos ou o somatório de trechos ou da
totalidade da estrutura, além das vazões de percolação que ocorrem no maciço
de terra ou rochoso.
Dois tipos principais são mais utilizados, destacados a seguir.
• Vertedores Parshall
São confiáveis e duráveis. Tem vantagem sobre os triangulares e os
retangulares, pois podem ser utilizados com declividades menores entre
montante e jusante. A Figura 20 ilustra um vertedor tipo Parshall
• Vertedores triangulares e retangulares
Possuem boa confiabilidade e durabilidade, desde que passados por
tratamentos anticorrosivos, sendo também de fácil leitura;
Além dos dois métodos mencionados, a medida de vazão também pode ser
efetuada pelo método vasilha cronômetro nos drenos de fundação e poços de
alívio. Tal método consiste em se cronometrar o tempo necessário para se
encher uma proveta graduada.
A UHE Engenheiro Souza Dias utiliza dos métodos de vasilha cronômetro e
de vertedores triangulares, estes por permitir leituras mais precisas em
42
pequenas vazões, normalmente construídas em chapas metálicas com ângulo
de 90°, neste caso a equação utilizada para o cálculo é:
Q=1,4.H5 2⁄
Onde H corresponde à lâmina d’agua acima do vértice da placa, a Figura 18
ilustra os parâmetros, bem como a 19 um vertedor triangular.
Figura 18 -Medidor de vazão tipo triangular.
Fonte: Silveira (2006).
Figura 19 – Medidor de vazão triangular.
Fonte: CESP (2013).
43
Figura 20 – Calha tipo Parshall.
Fonte: CESP (2013).
3.4.3 Piezômetros
Tem como objetivo determinar as pressões neutras que ocorrem no maciço
da barragem de terra ou enrocamento e subpressões em contato com
estruturas de concreto. São de grande importância para o monitoramento das
condições de segurança de barragem. A seguir são descritos os principais tipos
de piezômetros.
• Piezômetro de Tubo Aberto.
Muito utilizados para auscultação de maciços de terra ou rochosos,
em sua fundação e no próprio corpo da barragem. Construtivamente,
difere do medidor de nível d’água no comprimento perfurado e na
extensão preenchida com material drenante (CRUZ, 1996). Estão entre
os mais confiáveis e robustos na função que desempenham, além da
simplicidade em seu manuseio, baixo custo, alto desempenho e vida útil
(SILVEIRA, 2006). Dentre as principais vantagens destacam-se:
� Confiabilidade;
� Durabilidade;
44
� Sensibilidade;
� Pode-se verificar seu desempenho em ensaios de
recuperação de NA;
� Estimativa do coeficiente de permeabilidade do solo onde se
encontra instalado;
As principais desvantagens são:
� Interferência na compactação na fase de construção;
� Inadequação na medição de pressões neutras no período
construtivo;
� Restrições quanto a sua instalação a montante da linha
d’água;
� Alto tempo de resposta, quando instalado em solos de baixa
permeabilidade.
O nível d’água pode ser determinado da seguinte forma (Cruz, 1996):
Cota Piezométrica=Cota de Topo-Leitura
A Figura 21 mostra o um piezômetro de tubo aberto e a 22 um piezômetro
de tubo aberto instalado na UHE Jupiá.
Figura 21 – Esquema geral de um piezômetro de tubo aberto.
Fonte: Cruz (1996).
45
Figura 22 – Piezômetro de tubo aberto sendo lido com auxilio do pio.
Fonte: Dados do próprio autor.
Figura 23 – Piezômetro de tubo aberto com manômetro para leitura em locais de elevada pressão.
Fonte: CESP (2013).
• Piezômetro Pneumático
Seu funcionamento baseia-se no equilíbrio de pressões em um
diafragma flexível, atuando de um lado a pressão d’água, a qual se
deseja medir e do outro um gás (geralmente nitrogênio) de pressão
variável e conhecida. A conexão entre e o painel de leitura que contém o
46
manômetro é feita através de dois tubos flexíveis, um de alimentação e
outro de retorno, que se comunica com o diafragma (lado oposto da
água) por meio de dois orifícios. Quando a pressão do gás supera da
água o diafragma fecha os orifícios não permitindo o retorno do gás.
Quando a pressão do gás supera da água, a membrana fleta
ligeiramente, permitindo o retorno da mesma.
A forma de leitura consiste em se liberar gradativamente a válvula do
gás comprimido, observando a indicação de retorno do mesmo ao
painel, fechar a válvula e aguardar a estabilização da pressão lida no
manômetro (CRUZ, 1996).
Dentre as principais vantagens destacam-se:
� Leitura centralizada;
� Menor interferência na fase construtiva;
� As medidas não são interferidas pelos recalques sofridos pelo
instrumento;
� Não há limitações quanto à localização do instrumento.
As principais desvantagens são:
� Menor confiabilidade para medir pressões negativas;
� Necessidade de recarregamento periódicos do gás
comprimido;
� Leitura relativamente demorada.
As Figuras 24, 25 e 26, a seguir, ilustram o funcionamento do piezômetro
pneumático, o balão com gás e um painel de leituras para instrumentos
pneumáticos, respectivamente.
47
Figura 24 – Esquema de funcionamento de um piezômetro pneumático.
Fonte: Cruz (1996).
Figura 25 – Aparelho de leitura para instrumentos pneumáticos (PN e TS).
Fonte: CESP (2013).
48
Figura 26 – Painel para leituras de instrumentos pneumáticos (PN e TS).
Fonte: CESP (2013).
• Piezômetro Hidráulico
Foi difundido durante muitas décadas, considerado por muitos
engenheiros como o mais indicado para medir pressões neutras, tanto
na fase construtiva, quanto de enchimento e operação do reservatório.
Consiste de um corpo metálico ou de material plástico solidário a
uma pedra porosa, conectado a um painel de leitura por meio de dois
tubos flexíveis. Difere do pneumático por utilizar água e não gás para
obter a leitura, ficando diretamente em contato com a água nos poros do
solo ou das fraturas das rochas.
Uma vez saturados com água, o painel e os tubos, a leitura é
efetuada abrindo um por vez os registros que conectam cada um dos
dois tubos provenientes do piezômetro no manômetro de leitura,
aguardando a estabilidade do ponteiro (CRUZ, 1996).
49
A Figura 27 apresenta um piezômetro hidráulico.
Figura 27 – Esquema de funcionamento de um piezômetro hidráulico.
Fonte: Cruz (1996).
• Piezômetro Elétrico de Resistência
De um modo geral, os piezômetros elétricos apresentam rápido
tempo básico de resposta, por necessitarem de pouca água para fletirem
o diagrama transdutor, podem efetuar leituras dinâmicas de pressão
neutra com registro contínuo, o que facilita em barragens instaladas em
locais com sismicidade significativa, além da facilidade para automação
das leituras (CRUZ, 1996). Podem-se separar em dois tipos, os de fio,
do tipo Carlson, e os de resistência elétrica colada, tipo strain-gage,
estes foram os primeiros a serem utilizados nas barragens brasileiras. É
um instrumento com bom desempenho inicial, mas que a longo prazo
apresenta vida útil limitada, devido a problemas de proteção da
resistência elétrica contra umidade e da fluência da cola de fixação das
resistências elétricas à membrana (SILVEIRA, 2006).
50
A Figura 28 ilustra uma caixa seletora, utilizada para leituras de
instrumentos elétricos.
Figura 28 – Caixa seletora para leituras de instrumentos elétricos.
Fonte: CESP (2013).
• Piezômetro de Corda Vibrante
Apresentam durabilidade deficiente, com alta porcentagem de perda
devido a descargas atmosféricas, mesmo quando não ocorria perda
devido às descargas, ocorria alteração das constantes de calibração,
com consequentes saltos das pressões neutras, ou mesmo interrupções
de funcionamento durante meses ou anos, e voltando depois,
misteriosamente, a fornecer leituras (CRUZ, 1996). Apesar disso são
largamente empregados na auscultação de barragens de terra devido à
sua boa precisão, alta sensibilidade e possibilidade de serem lidos a
distância, permitindo sua automação no sistema de auscultação
(SILVEIRA, 2006).
Seu funcionamento se dá pela deflexão de um transdutor de corda
vibrante instalado perpendicularmente ao plano do diafragma, quando a
pressão intersticial da água é transmitida por meio da pedra porosa para
51
o diafragma. As Figuras 29 e 30 ilustram diferentes tipos de piezômetro
de corda vibrante e o funcionamento de um transdutor, respectivamente.
Figura 29 – Diferentes tipos de piezômetros de corda vibrante.
Fonte: Silveira (2006).
Figura 30 – Esquema de funcionamento de um transdutor de corda vibrante
Fonte: Silveira (2006).
52
• Piezômetro de Fibra Óptica
Um dos instrumentos mais recentes na instrumentação geotécnica e
estrutural. Seu pequeno tamanho, rápido tempo de resposta e a
imunidade a descargas atmosféricas, ondas de radiofrequência ou
interferências eletromagnéticas estão entre as principais vantagens do
sensor de fibra óptica.
Diferente do cobre, os sensores de fibra óptica são estruturados de
modo que permitam que um feixe de luz branca seja mantido dentro de
um cabo, viajando muito rápido, a longas distâncias e com poucas
perdas de sinal.
Pode se tornar um dos melhores sensores e com maior potencial,
desde que comprovada sua durabilidade a longo prazo em condições
reais de obras geotécnicas (SILVEIRA, 2006).
A Figura 31 ilustra um exemplo de sensor de fibra óptica
Figura 31 – Estrutura de um cabo de fibra óptica
Fonte: Silveira (2006).
53
A Figura 32 ilustra um exemplo de propagação da luz por um cabo de fibra
óptica.
Figura 32 – Propagação de luz em um cabo de fibra óptica.
Fonte: Silveira (2006).
3.4.4 Comparação entre Piezômetros
Para cada situação há um piezômetro mais indicado, uma série de
considerações sobre o as prioridades de escolha deve ser feita, como medidas
estáticas ou dinâmicas; interferência na fase construtiva; localização do
instrumento; necessidade de se medir pressões negativas; confiabilidade a
longo prazo; dificuldades de importação; etc.
Piezômetros pneumáticos com pedras porosas de granulação fina são
indicados para a maioria dos casos, mesmo se as pedras perderem a
saturação. Isso se deve pelo fato das pressões neutras negativas serem
desconsideradas em projetos, além disso, as pressões da água e do ar são
relativamente pequenas quando atingem valores significativos, podendo ser
desconsideradas, tais fatos levam a conclusão dos piezômetros pneumáticos
serem mais indicados (CRUZ, 1996).
54
Os instrumentos da CESP eram fabricados pelo LCEC e a manutenção feita
pelo mesmo, como mostrado pela Figura 33 a seguir.
Figura 33 – Cabos e aparelhos sonoros utilizados nas leituras dos PZ, NA e PA, que eram
confeccionados e recebiam manutenção pelo LCEC.
Fonte: CESP (2013).
3.4.5 Célula de Tensão Total
Utilizada para determinar os esforços que o maciço de terra ou
enrocamento exercem nas estruturas de concreto como os abraços da
barragem, ou em cut-offs, para avaliar as tensões efetivas e em regiões
suscetíveis a arqueamento.
Formada por uma almofada metálica de formato circular ou retangular,
saturada com óleo, conectada a um piezômetro pneumático que mede a
pressão do óleo. A tensão que o solo aplica sobre a placa é transmitida ao óleo
e sentida pelo piezômetro, a Figura 34 a seguir mostra uma célula de tensão
total.
55
Figura 34 – Esquema geral de uma célula de tensão total.
Fonte: Cruz (1996).
O procedimento de leitura é o mesmo do piezômetro pneumático.
O aparelho possui, além da limitação de emprego quanto a deformabilidade
do material que constitui o instrumento e o material circundante ao mesmo, a
limitação em relação à alteração no estado de tensões que ocorrerá na
abertura da trincheira, devido ao desconfinamento e preenchimento em
condições diferentes das originais (umidade e energia de compactação).
Em relação ao seu desempenho, as primeiras obras da CESP que os
empregaram foram Ilha Solteira, Capivara e Água Vermelha, com resultados
que deixaram a desejar, tanto os de funcionamento elétrico quanto hidráulico.
O primeiro devido a valores muito dispersos, que dificultavam a interpretação e
adoção de valores médios representativos, já o segundo por entupimento
gradual do filtro junto ao transdutor pelos resíduos formados pelo fluído
utilizado (SILVEIRA, 1980 citado por CRUZ, 1996), que surgem resultante do
ataque do querosene ao náilon das tubulações, principalmente no término do
período construtivo e início do enchimento do reservatório (SILVEIRA, 2006).
Tais problemas poderiam implicar no abandono do uso das células, em
meados da década de 1980, não fosse o equacionamento de tais problemas e
a confecção com materiais que os evitavam, voltando a ter grande aplicação
56
nas usinas brasileiras, particularmente pelo baixo custo, bom desempenho
inicial e boa robustez (SILVEIRA, 2006). As Figuras 35 e 36 ilustram uma
célula de tensão total e uma caixa Mayhak, respectivamente.
Figura 35 – Célula de tensão total.
Fonte: CESP (2013).
Figura 36 – Caixa seletora Mayhak - aparelho de leitura de célula de tensão total e piezômetro
elétrico.
Fonte: CESP (2013).
57
3.4.6 Medidores de Deslocamento
Há vários medidores de deslocamento, sendo os mais comuns: medidores
de recalque; inclinômetros e extensômetros de hastes e de fios.
Iniciando pelos medidores de recalque que visão medir os deslocamentos
verticais da fundação e do maciço compactado, sua instalação pode ser feita
com referência nos furos de sondagem, com as placas instaladas na superfície
do terreno natural ou compactado.
• Medidor de Recalque de Tubos Telescópios.
Foi o mais utilizado no país, feito de um tubo galvanizado de
diâmetro 25 mm chumbado em rocha sã e de uma ou mais placas
solidárias a tubos também galvanizados com diâmetros variados, sendo
dispostos de modo que os tubos de diâmetro crescente são dispostos
em cotas crescentes, conforme Figura 36.
A leitura se dá na extremidade superior de cada tubo, onde ocorre o
puncionamento, a leitura é obtida por meio de um compasso metálico
com pontas secas que é ajustado nas punções do tubo de referência de
diâmetro 25 mm e do tubo correspondente à placa em questão, mede-
se, então, a distância entre as pontas do compasso, em escala
milimetrada.
O recalque é obtido subtraindo – se o valor de referência da placa
com o valor da leitura.
Tem como principais vantagens a simplicidade construtiva,
durabilidade e confiabilidade.
As limitações estão no número de placas (quatro), diferença de cota
entre placas consecutivas, devido ao atrito lateral e as consequentes
tensões de compressão no tubo, interferência no período construtivo, as
placas são pesadas dificultando seu manuseio, dificuldades em realizar
reparos, dispersão das leituras e custo.
58
Os esforços axiais de compressão, os quais o instrumento está
sujeito, podem ser minimizados por meio do envolvimento dos tubos por
graxas e fita de material plástico, e a colocação de anéis de material
deformável sobre as luvas de emenda dos vários segmentos (CRUZ,
1996). A Figura 37 demonstra um medidor de recalque de tubos
telescópicos.
Figura 37 – Medidor de recalque de tubos telescópicos.
Fonte: Cruz (1996).
• Medidor de Recalque Tipo USBR.
Suas principais vantagens são o número ilimitado de pontos de
medida, a simplicidade construtiva e de reparos. Possui as limitações de
interferir no período construtivo, leitura demorada e dispersão das
leituras.
Foram utilizados em Ilha Solteira e Xavantes, apresentando perda do
torpedo de leitura por dificuldade de travamento de aletas em seu
interior. Tal problema pode ser resolvido por meio de proteção adequada
das juntas telescópias dos tubos com geotêxtil, conferindo ao
instrumento confiabilidade e durabilidade satisfatória (CRUZ, 1996).
59
• Inclinômetro
A medição de recalques por meio de inclinômetros é obtida de
maneira simples. Basta fixar flanges especialmente construídos aos
segmentos de tubos nas cotas onde se deseja obter os recalques,
visando assim, impedir o deslizamento de solo entre os segmentos de
tubo e o solo circundante.
O equipamento de leitura (torpedo) é o mesmo utilizado no medidor
tipo USBR, com duas aletas que se abrem inteiramente a cada
passagem pelas luvas das emendas telescópicas. Traciona-se a trava
por meio de um paquímetro e a leitura obtida é correspondente à
posição da trava referente a extremidade superior do tubo.
É necessário envolver todo o instrumento com manta geotêxtil
evitando a entrada de solo arrastado pela água de percolação (CRUZ,
1996).
• Medidor de Recalque Tipo Magnético
Constituída por um conjunto de placas dotadas de um orifício em seu
centro e um ímã permanente, dispostas ao longo de um tubo de PVC
vertical com emendas telescópicas, a Figura 38 Ilustra o aparelho
utilizado para as leituras.
A leitura se dá por meio de um sensor que desce preso por uma
trena metálica milimetrada. Ao atingir uma posição bem definida em
relação aos imãs das placas, o campo magnético aciona um contato
dentro do sensor, deslocando o ponteiro de um galvanômetro, condição
que define ao leiturista o momento da leitura.
A leitura consiste em se comparar o valor atual, com o de referência,
sabendo assim o deslocamento da placa com imã, bem como o
recalque.
Suas principais vantagens são a facilidade construtiva, de instalação
e de reparos, além da durabilidade e baixo custo, o sensor é acessível a
qualquer instante para eventuais reparos. Não possui limitação quanto
ao número de placas que podem ser instaladas na fundação, neste caso
60
denominadas “aranhas”. Como limitações, possui dispersão de leituras
devido à profundidade da placa e leituras demoradas (CRUZ, 1996).
Figura 38 – Aparelho de leitura do medidor de recalque magnético MM.
Fonte: CESP (2013).
• Medidor de Recalque Tipo KM
Foram concebidos pelo corpo técnico da CESP, sendo uma variação
dos medidores de tubo telescópicos, com a diferença de que um
conjunto de hastes conjugadas é utilizado no lugar de tubos telescópicos
(Figura 38). (CONTE, 2013).
Construído e instalado de modo que cada placa fique solidária a uma
haste de tamanho aproximado de 10 mm, composta por vários
segmentos colocados à medida que o aterro é construído. O referencial
é um tubo galvanizado de 25 mm de diâmetro, chumbado na rocha. As
hastes são mantidas na posição vertical com auxílio de discos
perfurados que funcionam como espaçadores.
As leituras se dão por meio de um paquímetro adaptado, cujo corpo
se encaixa no tubo de referência, com bico móvel que é apoiado na
extremidade de cada haste (Figura 39).
61
O cálculo da leitura se dá de modo análogo ao do medidor de tubos
telescópicos.
Podem ser mencionadas como principais vantagens a pequena
dispersão de leituras da ordem de décimos de milímetros, facilidade de
leitura e o número de placas da ordem de uma dezena. Sua durabilidade
está associada à proteção contra oxidação, aplicada às hastes e aos
espaçadores. Sua confiabilidade tem se mostrado regular, com
deslocamentos repentinos de média magnitude e expansões de difícil
interpretação.
Alguns medidores tipo KM instalados em Ilha Solteira, Mário Lopes
Leão, Capivara e Paraibuna apresentaram deficiências causadas por
esmagamento do tubo externo associado à rocha de fundação, o qual
servia de referência, por meio do atrito lateral do solo que o envolvia.
Para solucionar tais problemas, foram feitas modificações no tubo de
referência (diâmetro nominal de 25 mm) e no tubo de proteção com
emendas telescópicas, após as modificações os medidores passaram a
ter desempenho satisfatório (CRUZ, 1996).
Figura 39 – Esquema típico de um medidor de recalques tipo KM.
Fonte: Cruz (1996).
62
Figura 40 – Aparelho de leitura do medidor de recalque de placas KM.
Fonte: CESP (2013).
• Medidor de Recalque Tipo Caixa Sueca.
A experiência da CESP em sua utilização não foi das mais
satisfatórias, na usina Euclides da Cunha, única obra onde foram
utilizados, com tubos de leitura, aeração e drenagem de pequeno
diâmetro interno, aqueles por volta de 3 mm e este em torno de 6,5 mm.
O processo de leitura é demorado e impreciso, principalmente dos
medidores mais distantes do terminal.
As melhorias que poderiam ser feitas são a utilização de tubos com
maior diâmetro interno, com 10 mm no mínimo e utilizar dispositivos
elétricos para determinar se a água está realmente no topo do tubo de
leitura.
Tem como características a interferência no período construtivo,
apenas durante a instalação; terminal de leitura próximo à mesma cota
da caixa, para a determinação dos recalques absolutos (CRUZ, 1996).
Os medidores de deslocamento também podem ser utilizados para medir
deslocamentos horizontais, como os descritos a seguir.
63
• Inclinômetro
Utilizado para determinar deslocamentos horizontais e superficiais,
formado por um conjunto de segmentos de tubos de plástico ou de
alumínio feitos para esta finalidade, montado por meio de luvas
telescópicas em posição subvertical. Os tubos possuem quatro
ranhuras, sendo duas a duas diametralmente opostas, perpendiculares
entre si. Dispostos na barragem na direção montante/jusante e ombreira
direita/ ombreira esquerda, os diâmetro são percorridos pelas rodas do
sensor, o qual efetua as medidas.
Sua instalação pode ser feita em furo de sondagem na fundação, ou
no maciço compactado, à medida que o aterro sobe. Se instalados em
furos de sondagem o espaço entre os furos deve ser preenchido com
mistura de solo cimento e betonita e não com areia, pois com esta
alternativa causa maior dispersão de dados.
• Medidor Triortogonal
Instrumento fabricado pelo LCEC, utilizado para medir os
deslocamentos dos blocos de concreto nas três direções ortogonais:
avanço/recuo, recalque/elevação e abertura/fechamento.
Constituído por dois perfis metálicos, fixados na junta que se deseja
saber o valor do deslocamento. Em um dos perfis há três orifícios, onde
é encaixado o relógio comparador, o outro perfil é constituído de
superfícies planas, as quais servem de base para a extremidade da
haste, nas posições correspondentes do outro perfil (CONTE 2003).
A medição se dá observando os deslocamentos nos três eixos
ortogonais (x, y, z) de tal forma que o eixo x forneça os deslocamentos
de abertura ou fechamento, o eixo y os deslocamentos horizontais e o
eixo z os deslocamentos verticais (Figuras 42 e 43).
É um instrumento de grande importância para verificação do
deslocamento de juntas, trincas e fissuras, principalmente por
registrarem recalques diferenciais, deslocamentos cisalhantes
64
horizontais e movimentos de abertura e fechamento das juntas onde
estão instalados (MATOS, 2002).
A Figura 41 a seguir ilustra um medidor triortogonal didaticamente e as
Figuras 42 e 43, um medidor triortogonal instalado em uma junta de concreto e
o modo de leitura do mesmo, respectivamente.
Figura 41 – Esquema geral de um medidor triortogonal.
Fonte: CESP (2013).
Figura 42 – Medidor triortogonal instalado na galeria entre dois blocos de concreto.
Fonte: CESP (2013).
65
Figura 43 – Modo de leitura do medidor triortogonal.
Fonte: Matos (2002).
Figura 44 – Aparelho de leitura do medidor triortogonal.
Fonte: CESP (2013).
• Base para Alongâmetro
Utilizado para medir deslocamentos angulares, fissuras ou fendas e
deslocamentos verticais ao longo de uma junta (Figura 45), por meio
da medida das distâncias entre os pontos metálicos definidos por
cada par de bases circulares metálicas. (MATOS, 2002).
66
A leitura é feita por um dispositivo portátil acoplado a um relógio
comparador. Para a medida das deformações, o medidor é
encaixado nos pontos de referência. (CESP 200?)
Figura 45 – Esquema geral de instalação do aparelho Base para Alongâmetro.
Fonte: CESP (2013).
A Figura 46 mostra um instrumento Base para Alongâmetro instalado na
barragem.
Figura 46 – Base para Alongâmetro instalado na galeria de entre dois blocos de concreto.
Fonte: Dados do próprio autor.
67
A instalação do medidor triortogonal é preferível à base para alongâmetro,
por ser um instrumento que permite a medição das três componentes do
deslocamento, já o segundo necessita da instalação de bases no piso e na
parede das galerias (MATOS, 2002).
• Pêndulos Direto e Invertido
Determinam deslocamentos horizontais das estruturas de concreto
desde a crista da barragem até a fundação. As Figuras 47 e 48
mostram um pêndulo direto e invertido, respectivamente.
Os poços verticais, onde são instalados os pêndulos no final do
período construtivo da barragem, são deixados durante a
concretagem das estruturas, sendo de extrema importância sua
verticalidade, para que não interfira no campo de leitura do
instrumento.
A instalação dos pêndulos, direto e invertido, deve ser nos mesmos
blocos, pois, deste modo, a determinação dos deslocamentos da
crista da barragem estará em relação ao ponto considerado fixo na
fundação.
Figura 47 – Esquema geral de um pêndulo direto.
Fonte: Cruz (1996).
68
Figura 48 – Esquema geral de um pêndulo invertido.
Fonte: Matos (2002).
A Figura 49 ilustra um Pêndulo direto instalado na galeria da barragem.
Figura 49 – Pêndulo direto instalado na galeria de concreto.
Fonte: CESP (2013).
69
A Figura 50 demonstra o aparelho utilizado para leitura dos pêndulos.
Figura 50 – Aparelho de leitura para Pêndulos direto e invertido.
Fonte: CESP (2013).
• Extensômetro de Hastes.
Determina a deformabilidade de maciços rochosos e/ou
deslocamentos de blocos de estruturas de concreto.
Efetua medidas de deslocamentos na direção do furo de sondagem
onde se encontram chumbadas as hastes, estas não superiores a 5.
Permite avaliar a deformabilidade de partes isoladas, possui leituras
e cálculos simples, com pouca dispersão e elevada precisão, além
de confiável e durável.
Pode ser instalado também em solo, visando medir deslocamentos
horizontais na fundação.
A instalação em furos inclinados ou que tenham elevada vazão torna-
se difícil, devido ao artesianismo da instalação.
A Figura 51 ilustra um extensômetro de hastes e a Figura 52 os
terminais de leitura dos mesmos.
70
Figura 51 – Esquema didático de um extensômetro de hastes.
Fonte: Matos (2002).
Figura 52 – Terminais de leituras de extensômetros de hastes.
Fonte: CESP (2013).
71
3.5 Planejamento de Instrumentação
Planejar um programa de monitoramento utilizando instrumentação
geotécnica requer muito cuidado tanto na escolha dos equipamentos quanto da
mão-de-obra, o planejamento deve ser feito por um grupo com especialistas
em instrumentação geotécnica, reconhecendo que a instrumentação é apenas
uma ferramenta e não uma solução (SILVEIRA, 2006).
Todo instrumento deve ser utilizado para responder a questões específicas,
em barragens os parâmetros a serem medidos incluem a pressão da água nos
poros, na rocha de fundação, as pressões totais, os recalques, os
deslocamentos horizontais, as cargas e a tensão nos elementos estruturais, a
temperatura, as vazões de drenagem, os matérias sólidos carreados, etc.
Tais grandezas a serem medidas devem possuir valores considerados
normais e de alerta, a princípio determinados pelo projetista da obra, pois é
quem melhor conhece as hipóteses formuladas no projeto (Cruz, 1996).
A correta escolha de uma determinada categoria de instrumentos requer
experiência do engenheiro, além de alguns cálculos como da máxima pressão
de água nos poros, ao longo de uma linha de centro de uma barragem.
Pode ocorrer uma tendência em se buscar, desnecessariamente, alta
precisão, esta deve ser sacrificada em prol da confiabilidade, quando essas
conflitam entre si. (SILVEIRA, 2006).
No controle de segurança de barragens valores podem ser
preestabelecidos como parâmetros para ações corretivas. A Tabela 1 mostra
um exemplo de níveis de advertência para monitoração dos taludes em uma
mina a céu aberto.
72
Tabela 1 – Exemplo de níveis de advertência de perigo.
Nível de
Advertência
Critério Ação
1 Movimentação maior que 10
mm em qualquer estação
topográfica
Informar ao gerente da
mineração
2 Movimentação maior que 15
mm em duas estações
adjacentes; ou velocidade
superior a 15 mm por mês
em qualquer estação.
Contato verbal a reunião no
canteiro, seguidos de relatório
impresso com recomendações.
3 Movimentação maior que 15
mm mais aceleração em
qualquer uma das estações
Inspeção imediata do local pelo
engenheiro consultor, reunião
local e implementação de
medidas corretivas (segundo
plano de contingências).
Fonte: Silveira (2006).
O planejamento de ações corretivas deve ser previsto e os níveis de
advertência de perigo estabelecidos para que as ações corretivas possam ser
implementadas com o mínimo de atraso.
As medições realizadas são os requisitos mínimos e de grande importância
para avaliação das condições de segurança de uma barragem, portanto, as
pessoas responsáveis pelas leituras devem ser qualificadas e o plano de
implantação dos instrumentos deve ser realizado por um especialista com
grande experiência nessa atividade. A experiência com esses instrumentos em
outras barragens e obras similares será de inestimável valor e só poderá ser
acumulada por um especialista que atua especificamente na área de
instrumentação de auscultação de barragens (SILVEIRA, 2006).
A escolha de um instrumento depende principalmente de sua confiabilidade
e não somente do custo, aparelhos muito baratos dificilmente resultarão em um
gasto total menor, todas as etapas devem ser levadas em conta para
73
determinação do valor, desde a aquisição até o processamento dos dados,
localização, modo de execução da obra e tempo de vida útil da mesma também
influenciam.
Barragens possuem vida útil de pelo menos 50 anos e passam por uma
maior deterioração após os 30 anos, logo, os instrumentos de auscultação
também se deterioram durante esse período, necessitando de manutenção e
troca, avaliando-se quais aparelhos ainda são confiáveis.
3.6 Localização dos Instrumentos
Os instrumentos devem estar locados nos pontos mais críticos da
barragem, estes devem ser identificadas, para tal, análises de elementos finitos
são geralmente úteis, além disso, os instrumentos devem estar em locais que
imponham mínimas dificuldades de acesso na leitura e instalação, devendo ter
mínima interferência na construção da barragem. Aqueles que necessitam de
tubulações verticais devem ter sua locação analisada já na fase de projeto.
Uma solução prática para seleção da localização dos instrumentos deve
envolver três passos básicos.
1. Identificação das áreas de risco
2. Seleção das seções transversais
3. Instalação de instrumentação secundária
O primeiro constitui, por exemplo, a identificação das áreas estruturalmente
frágeis ou onde as maiores pressões d’água são esperadas, segundo devem
ser selecionadas as seções transversais, onde o comportamento das mesmas
representa o comportamento geral da barragem, devendo haver no mínimo
duas seções consideradas instrumentadas primárias, terceiro deve ser
instalado em um número de seções, instrumentos secundários, chamados
assim para servirem como comparação de comportamento dos primários.
74
Outras áreas de importante instrumentação são a seção de maior altura e a
região das ombreiras, onde se deve determinar uma seção transversal em
cada uma delas, pois seu comportamento, mesmo em seções simétricas,
apresenta diferenças.
As locações devem ser selecionadas de modo que os dados possam ser
obtidos o mais cedo possível no processo de construção, pois estes são
valiosos na identificação e entendimento do comportamento após o enchimento
do reservatório.
É desaconselhável confiar em um único instrumento como indicador de
desempenho, onde houver possibilidade, devem ser feitas verificações
cruzadas de diferentes tipos de instrumentos.
As seções geralmente escolhidas para colocação dos instrumentos na fase
de Projeto Básico devem ser ajustadas, aprimoradas e complementadas por
outros instrumentos durante a execução da obra, esses ajustes decorrem das
informações geológico-geotécnicas obtidas durante as escavações, por
exemplo, o plano de investigação das fundações, através de sondagens, poços
de prospecção, valetas de investigação etc., sempre existem anomalias e
detalhes que escapam e só são revelados após as escavações.
A Figura 53 representa a localização da galeria da barragem de concreto,
região crítica da mesma, sujeita aos primeiros sinais de anomalia caso a
barragem esteja sendo arrastada ou tombada, consequentemente é uma
região extremamente monitorada pelos aparelhos de auscultação.
75
Figura 53 – Região crítica da barragem de concreto.
Fonte: Ministério da Educação (MEC) (2013).
3.7 Fatores que Influenciam as Medições.
As medições, por si só, não oferecem conclusões úteis, sendo necessário
interpretar, observar e registrar as causas que as geraram, portanto todos os
fatores que podem causar alterações devem ser documentados, tais como
chuva e temperatura, estes devem vir acompanhados dos relatórios de leitura,
bem como a indicação do comportamento dos instrumentos como esperado ou
inesperado, auxiliando a interpretação dos registros.
Os responsáveis pelas leituras devem ser capacitados para avaliar o
funcionamento do instrumento, muitas vezes tal identificação vem por simples
observação do local onde os mesmos estão instalados, ou pela comparação
das leituras obtidas por instrumentos localizados próximos uns aos outros, bem
como pelo histórico de leituras.
O leiturista também deve ficar atento ao que está ocorrendo na barragem,
por exemplo, no período construtivo, ocorrem pressões neutras devido ao
processo de adensamento, na fundação o aumento da pressão deve estar
coerente com os recalques e com o aumento do carregamento imposto.
76
Em caso de permanecer a dúvida sobre a leitura, esta deve ser repetida
várias vezes num período curto de tempo, pois a falta de repetição pode
evidenciar algum dado suspeito.
Deve haver o treinamento dos funcionários para que os mesmos saibam
avaliar as condições físicas dos instrumentos, bem como se há coerência na
medida efetuada.
O processo de terceirização dos responsáveis pelas leituras, que ocorre em
grandes barragens brasileiras, não vem demostrando bons resultados, muitas
vezes comprometendo a qualidade de todo um programa de monitoramento.
Claro que tal tarefa pode ser terceirizada, desde que ocorra o devido
treinamento dos funcionários para que realizem, de modo correto, tanto leitura
quanto manutenção dos instrumentos (SILVEIRA, 2006).
3.8 Instalação, Manutenção e Calibração.
Deve haver o planejamento da instalação ajustado ao cronograma da obra,
devidamente detalhado com os fatores que podem influenciar os dados
medidos, salientando-se que o fato de que mesmo se os instrumentos forem
instalados pela equipe do proprietário, não retira a necessidade de fiscalização
e procedimentos escritos, estes, no entanto, não vem sendo adotados no Brasil
resultando em frequentes falhas de instrumentação.
A devida calibração dos instrumentos é fundamental, pois os instrumentos
são naturalmente desgastados por intempéries, manuseio e falta de
manutenção, gerando alteração das medidas, o que pode acarretar ao
comprometimento de todo um programa de auscultação, sendo indispensável à
calibração.
O aumento da vida útil dos instrumentos é proporcional a sua manutenção,
o responsável por ela é o proprietário que deve seguir as orientações do
fabricante realizando a limpeza, proteção contra corrosão, lubrificação, troca de
77
peças etc., com a devida orientação e supervisão de um especialista em
instrumentação (SILVEIRA, 2006).
3.9 Características das Leituras.
As leituras realizadas envolvem erros e incertezas, ao interpretar os dados
obtidos deve-se saber diferenciar as leituras com importância dos desvios sem
significado, para tanto é necessário observar os erros que podem ocorrer em
vários momentos da leitura, sendo os principais o campo de leitura, a
resolução, precisão, acurácia e repetibilidade (SILVEIRA, 2006).
3.9.1 Conformidade.
É algo desejável nos instrumentos, se estes forem ideais irão corresponder
exatamente ao parâmetro que se deseja medir, por exemplo, uma célula de
pressão total dentro de um aterro apresentaria exatamente a deformabilidade
do solo em que está instalado. Ou seja, quando há conformidade, obtém-se
alto grau de acurácia (SILVEIRA, 2006).
3.9.2 Acurácia
Mostra quão próxima está a medida de uma grandeza em relação ao seu
valor real, qual a sua exatidão. É definida durante a calibração, quando seu
valor é ajustado a um valor padrão, podendo ser expressa na forma valor ±,
como ± 1 mm ou ±1 % do valor averiguado (SILVEIRA, 2006).
78
3.9.3 Precisão
Relaciona-se com a repetibilidade da medida, mostra o quanto ela se
aproxima de medidas similares em relação à média aritmética. A quantidade de
algarismos significativos representa a precisão da medida.
Na instrumentação de barragens a precisão é considerada mais importante
que acurácia, pois a variação das medidas é de mais interesse do que a
medida realmente exata (SILVEIRA, 2006).
A Figura 54 representa de forma didática a diferença entre acurácia e
precisão.
Figura 54 - Diferença entre acurácia e precisão.
Fonte: Silveira (2006).
3.9.4 Resolução
É a menor variação no parâmetro medido, que pode ser obtida pelo
instrumento, sendo muitas vezes menor que a precisão e acurácia. Nunca deve
ser utilizado como ± um valor, pode ser interpolado entre as divisões do
mostrador (SILVEIRA, 2006).
79
3.9.5 Campo de Leitura
A maior e a menor leitura que determinado instrumento pode medir, caso
esse limite de leitura seja ultrapassado, o risco de dano ao instrumento é
eminente. Entretanto esse limite não dever ser muito elevado para que
pequenas variações sejam relatadas. Sendo necessário um estudo prévio para
que tanto os riscos, quanto a ausência de leituras quando houver pequenas
variações, sejam evitados (SILVEIRA, 2006).
3.9.6 Amplitude
Diferença algébrica entre a máxima e a mínima leitura, por exemplo:
Campo de leitura: -25°C a 70 °C, amplitude de 95 °C.
Campo de leitura: 0 KPa a 110 KPa, amplitude de 110 KPa (SILVEIRA,
2006).
3.9.7 Erros de Leitura
Referem-se à diferença entre os valores medidos e o valor real, sendo
matematicamente igual à acurácia (SILVEIRA, 2006).
3.9.8 Erros Grosseiros
Normalmente ocasionados pela falta de cuidado, imperícia, distração ou
inexperiência. Estão inclusas as medidas mal realizadas, erros de anotação e
falha na operação do equipamento. Tais erros devem ser evitados e podem ser
80
minimizados por meio de treinamento dos leituristas, uso de mais de um
profissional, repetir leituras e compará-las com as anteriores (SILVEIRA, 2006).
3.9.9 Erros Sistemáticos
Causados por problemas na calibração do aparelho, tanto no momento da
calibragem, quanto aos ocasionados pelo uso ao longo do tempo. Os mesmos
podem ser minimizados por meio de recalibrações e comparações das medidas
realizadas com as medidas padrões (SILVEIRA, 2006).
3.9.10 Erros de Conformidade
Ocorrem por falha na instalação dos aparelhos ou na escolha deles, para
fins, os quais não são indicados. Podem ser evitados pela instalação correta
dos instrumentos e escolha dos mesmos para sua devida função (SILVEIRA,
2006).
3.9.11 Erros Ambientais
Relacionados às intempéries ambientais como temperatura, umidade,
pressão, corrosão etc. Podem ser minimizados por meio da observação da
influência dessas intempéries nas medidas para assim aplicar medidas
corretivas, ou utilizar instrumentos que não sofram influência do ambiente.
Durante a realização das medidas, devem ser anotadas todas as condições
climáticas, devido à variação que podem exercer nos dados (SILVEIRA, 2006).
81
3.9.12 Erros Observacionais
Aparecem por meio de técnicas de leitura diferentes, utilizadas por
profissionais diferentes. Podem ser minimizados pelo treinamento e
oferecimento de cursos de atualização aos responsáveis pela leitura. Caso se
utilize um sistema eletrônico de obtenção de dados, tais erros são evitados,
entretanto há grande influência dos erros ambientais, exigindo maior
manutenção e recalibragem dos instrumentos (SILVEIRA, 2006).
3.9.13 Erros de Amostragem
Observados quando dados locais não representam o comportamento
global, comuns em dados geotécnicos, devido a grande variabilidade dos
materiais geológicos. São minimizados pela escolha adequada dos locais de
instalação, buscando-se os mais representativos, bem como a quantidade
adequada de instrumentos instalados (SILVEIRA, 2006).
3.9.14 Frequências de Leituras
As leituras devem acompanhar os comportamentos das estruturas da
barragem na sua fase de construção, enchimento do reservatório e operação,
possibilitando acompanhar as variações das grandezas e desempenhos dos
instrumentos (ELETROBRÁS, 2003).
82
As Tabelas 2 e 3, a seguir, trazem recomendações da ELETROBRÁS para
frequência de leituras.
Tabela 2 - Frequências mínimas de leitura na barragem de terra-enrocamento
Grandeza
Medida
Período de observação
Construtivo Primeiro
Enchimento
Início de
Operação (*)
Operação
Normal
Deslocamentos
Superficiais
Mensal Semanal Mensal Semestral
Deslocamentos
Internos
Semanal Semanal Quinzenal Mensal
Deformação Semanal Semanal Quinzenal Mensal
Pressão
Total/Efetiva
Semanal 2 Semanais Semanal Mensal
Poro-Pressão Semanal 2 Semanais Semanal Quinzenal
Subpressão Semanal 3 Semanais 2 Semanais Quinzenal
Nível d’Água Semanal 3 Semanais 2 Semanais Quinzenal
Vazão de
Infiltração
- Diárias 3 Semanais Semanal
(*) Entre 1 e 5 anos após o enchimento.
Fonte: ELETROBRÁS (2003).
83
Tabela 3 - Frequências mínimas de leitura na barragem de concreto
Grandeza
Medida
Período de observação
Construtivo Primeiro
Enchimento
Início de
Operação
Operação
Normal
Deslocamento
Absoluto
Ao final da
construção
Mensal Trimestral Semestral
Deslocamento
Angular
(pêndulos)
Quinzenal
Semanal
Mensal
Mensal
Deslocamento
Relativo
(medidores de
junta)
Semanal
2 Semanais
Quinzenal
Mensal
Deformação
Interna
Semanal 2 Semanais Semanal Mensal
Tensão Semanal 2 Semanais Semanal Mensal
Temperatura
do Concreto
Semanal Semanal Quinzenal Mensal
Pressão
Intersticial no
Concreto
Semanal
2 Semanais
Quinzenal
Mensal
Carga (Cabos
de Proteção)
Diárias
durante a
protenção
2 Semanais Semanal Mensal
Subpressão
na Fundação
Semanal 3 Semanais 2 Semanais Quinzenal (*)
Vazão de
Infiltração
– Diárias 3 Semanais Semanal
(*) Para casos particulares manter frequência semanal.
Fonte: ELETROBRÁS (2003).
84
3.10 Falhas na Instrumentação de Barragens
A instrumentação de barragens exige que seus responsáveis possuam boa
experiência na área para que os resultados sejam adequados e representem
bem o comportamento da barragem, mas mesmo com os devidos cuidados no
projeto de implantação, este ainda está sujeito a falhas.
3.10.1 Falhas na Instrumentação de Barragens de Con creto
3.10.1.1Ausência de Pêndulos Diretos
O pêndulo direto é um excelente instrumento de monitoramento, robusto e
preciso, com vida útil próximo da barragem (>50 anos), devendo ser instalado
em toda barragem de concreto com altura superior a 30 m.
Entretanto vem-se usando marcos superficiais para controlar o
deslocamento da barragem com alvos fixos na crista, tal controle fica muitas
vezes aquém da grandeza a ser medida, mesmo com aparelhos mais
modernos. Os deslocamentos precisam ser medidos com precisão da ordem
de ± 0,5 mm, mas devido as grandes distâncias, problemas com reverberação
térmica etc., os resultados tem sido inúteis na maioria dos casos.
Já os pêndulos diretos podem medir deslocamentos horizontais da crista
com precisão de ± 0,05 mm, a qual é 500 a 1000 vezes mais precisa que as
medições topográficas, permitindo um ótimo controle dos deslocamentos da
barragem (SILVEIRA, 2013).
85
3.10.1.2Falhas na Locação dos Piezômetros
Trata-se de projetos com enfoque na instalação de piezômetros de tubo
entre as cortinas de injeção e drenagem, na região da galeria de drenagem. Tal
projeto se mostra sem sentido prático, pois piezômetros instalados entre ambas
não fornece dados que podem avaliar, de forma coerente, a funcionalidade do
sistema drenante. A correta avaliação do sistema de drenagem se daria pela
instalação de piezômetros a montante da cortina injeção e a jusante da cortina
de drenagem (SILVEIRA, 2013).
A Figura 55 ilustra o posicionamento dos piezômetros.
Figura 55 - Locação dos piezômetros na parte central da galeria.
Fonte: Silveira (2013).
A Figura 56 mostra um piezômetro de uma PCH instalado no meio da
galeria, atrapalhando o trânsito de pessoas e de equipamentos.
86
Figura 56 – Piezômetro localizado na parte central da galeria.
Fonte: Silveira (2013).
3.10.1.3Falha na Escolha do Tipo de Piezômetro
Em algumas barragens vem-se adotando o uso de piezômetros elétricos ou
pneumáticos em locais onde o piezômetro de tubo seria mais indicado, como
na galeria de drenagem, na fundação. O uso inadequado associado à má
instalação reduz-se muito tempo de vida útil dos instrumentos, ocorrendo
perdas dos mesmos de 2 a 3 anos de uso, bem como a necessidade de troca
por piezômetros de tubo, acarretando custos adicionais de perfuração e
sondagem (SILVEIRA, 2013).
3.10.2 Falhas na Instrumentação de Barragens de Ter ra
3.10.2.1Falha na Escolha do Tipo de Piezômetro
Em aterros com permeabilidade da ordem de 10�� a 10�� cm/s ou
superiores deve-se optar pelo piezômetro de tubo, em função de seu baixo
87
custo, altos desempenho e vida útil. Ao contrário do que se pensava há cerca
de 40 anos atrás, quando os piezômetros de corda vibrante, pneumático ou
hidráulico eram indicados para os aterros das barragens de terra, estes
acabavam danificados após o término da construção acarretando, assim como
nas barragens de concreto, na troca dos mesmos por novos piezômetros,
gerando grandes custos, principalmente em sondagens envolvendo o núcleo
impermeável da barragem, que necessitam de técnicas especiais de sondagem
(SILVEIRA, 2013).
3.10.2.2Falha na Aquisição dos Instrumentos
As falhas mais comuns na aquisição de instrumentos são:
• Falta de detalhamento no projeto;
• Falta de cultura do cliente sobre a importância da instrumentação;
• Falta de qualidade dos instrumentos nacionais.
Deve-se dar boa orientação aos clientes sobre a importância da
instrumentação, já na fase de projeto, este bem realizado deve indicar
aparelhos de qualidade, pois a economia nesta etapa pode acarretar em
problemas, como já mencionado anteriormente, levando a custos extras para
troca dos aparelhos.
Muitas empresas novas, que decidiram investir no setor elétrico,
principalmente em PCH’s, não possuem uma cultura apropriada e não dão a
devida importância à instrumentação de barragens.
Em ralação aos instrumentos nacionais, Stanley Wilson, inventor do Slope
Indicator, nos Estados Unidos, realizou na UHE Ilha Solteira um seminário
sobre instrumentação de barragens, em 1975. Nesse evento ele ensinou que
um novo instrumento, desde a criação até seu uso, deve passar por pelo
menos 5 anos de aperfeiçoamento, o que não acontece com muitos dos
instrumentos nacionais, levando a baixa qualidade dos mesmos.
88
Além dos mencionados anteriormente, a falha na instalação dos aparelhos
também é recorrente, devido a maus projetos de instalação ou ausência deles.
Quando um aparelho sofre um dano e o fabricante é acionado, ele nega sua
culpa e a delega ao projeto de instalação, no final não se sabe de quem é
realmente a culpa, podendo ser de ambos (SILVEIRA, 2013).
3.10.3 Falha na Ausência de Relatórios
É sabido que os instrumentos locados na fundação não ficam exatamente
no local previsto no projeto, isso se dá pela variação geológica dos locais, por
exemplo, a rocha pode se apresentar fraturada ou alterada e na instalação de
piezômetro, onde é comum o uso de calda de cimento para isolar o bulbo do
piezômetro, parte da calda se perderia pelas fendas da rocha, exigindo um
relatório de instalação apresentando as cotas reais de instalação.
Particularmente em piezômetros, sua leitura é por meio da cota piezométrica,
se a cota de instalação estiver diferente da de projeto e não houver nenhum
relato sobre isso, análises posteriores podem indicar situações conflitantes ou
até perigosos (SILVEIRA, 2013).
3.10.4 Falhas na Emissão dos Relatórios de Dados.
Os relatórios são geralmente realizados a partir dos dados de
instrumentação, pelos profissionais que deveriam fazer as leituras e dar
manutenção nos aparelhos. Esses operadores possuem normalmente baixo
grau de escolaridade e não foram preparados para realizar relatórios que,
consequentemente, possuem baixa qualidade constatada por:
• Gráficos de um mesmo instrumento em escalas muito diferentes;
• Instrumentos com leituras muito dispersas;
• Gráficos com parâmetros incoerentes;
89
• Gráfico sem convenção de sinais, por exemplo, tração e compressão
no caso de medidas de tensão (SILVEIRA, 2013).
3.10.5 Falhas nos Relatórios de Análise do Comporta mento das
Estruturas
Em barragens de médio e grande porte, os instrumentos devem ser
instalados no período construtivo, sendo ideal a emissão de relatórios já nesse
período para se conhecer o comportamento da barragem o mais cedo possível,
entretanto tem-se observado em barragens mais recentes a colocação de
instrumentos somente após o período construtivo. Evidentemente, a locação
dos instrumentos deve ocorrer antes do enchimento do reservatório, pois é
nesse período que estão registrados a maioria dos acidentes.
Durante a fase do primeiro enchimento do reservatório, é de extrema
importância a realização de relatórios no máximo após 3 meses do inicio do
enchimento, para que eventuais anomalias sejam detectadas o mais breve,
bem como medidas sejam tomadas para corrigi-las com a maior antecedência
possível (SILVEIRA, 2013).
3.11 Inspeção de Barragens
Sendo a auscultação referente à observação do comportamento de uma
obra de engenharia, visando a sua segurança durante toda sua vida útil,
verificando anomalias e a necessidade de obras corretivas (ELETROBRÁS,
2003), a instrumentação de barragens é complementada pela inspeção visual
das mesmas.
O programa de inspeções deve se basear na classificação da barragem,
padrão de qualidade da empresa, instruções dos fabricantes de equipamentos
e histórico operacional. Em tal procedimento a barragem deve passar por
90
inspeções periódicas para avaliar suas estruturas, caso alguma mostre alguma
deficiência é interessante haver um código de ação em função da severidade
da anomalia observada.
Devem existir regras de manutenção e procedimentos, para auxiliar na
inspeção, esta deve observar todas as estruturas da barragem. A seguir é dado
um exemplo resumido das considerações a serem feitas em estruturas de
concreto, metálicas e de terra.
3.11.1 Estruturas de Concreto
Observar as subpressões e a percolação da água, pois são as principais
causas de instabilidade. Reações álcali-agregado por poderem causar sérios
danos. Verificar a limpeza do sistema de drenagem, as manutenções quanto à
impermeabilização e o sistema de bombas, bem como as condições de
instrumentação da barragem de concreto.
3.11.2 Estruturas Metálicas
Verificar o alinhamento, parafusos, soldas, revestimento de proteção e
suporte de grades nas estruturas como comportas, stop-logs, estruturas de
içamento, monotrilhos e condutos.
3.11.3 Barragens de Terra
Para evitar e prevenir a deterioração do maciço e da fundação é de extrema
importância a manutenção contra erosões e percolação de água, pra que esta
não crie caminhos preferenciais de percolação, deve ser feita manutenção
periódica dos instrumentos no maciço e no enrocamento, controle de
91
vegetação, animais e retirada de entulhos a montante da barragem (Rocha et
al, 2002).
As estruturas responsáveis pela vazão devem ser inspecionadas no período
de seca, para que estejam funcionando corretamente no período de chuvoso,
por exemplo, verificar se as comportas do vertedouro estão funcionando
corretamente, lembrando que todas as informações sobre a integridade dos
componentes devem constar nos relatórios de inspeção.
Como foi frisado, as inspeções visão auxiliar o programa de instrumentação,
para tanto é necessário se estabelecer o propósito de cada uma, com suas
respectivas frequências de inspeção e os itens a serem inspecionados, assim
como os procedimentos corretivos.
Pode haver também inspeções emergenciais que ocorrem após grandes
cheias, chuvas torrenciais, sismos e quando observadas características
incomuns como fissuras, recalques e surgência d’água.
Lembrando que todas as inspeções são de responsabilidade do engenheiro
e sua equipe técnica (Christofidis et al, 2002).
3.12 Classificação da Ruptura de Barragens
Toda barragem deve ser classificada quanto aos danos que pode causar no
caso de uma suposta ruptura. Essa classificação constitui a base para a
análise de segurança e para os níveis de inspeção. A Tabela 4 apresenta a
classificação mais aceita, baseada na perda de vidas e nos danos econômicos
decorrentes da ruptura.
92
Tabela 4 - Classificação da consequência de ruptura de barragens – potencial consequência incremental da ruptura (*).
Consequência de
Ruptura
Perdas de Vidas Econômico, Social e
Danos Ambientais.
Muito Alta Significativa Dano Excessivo
Alta Alguma Dano Substancial
Baixa Nenhuma Dano Moderado
Muito Baixa Nenhuma Dano Mínimo
(*) Os critérios de classificação de categorias de danos econômicos e ambientais devem ser
baseados nas consequências das perdas em relação à região afetada.
Fonte: Christofidis et al (2002).
As consequências mais severas devem prevalecer, por exemplo, se as
perdas econômicas forem “muito altas” e as perdas de vidas “altas” a barragem
é classificada como consequência de ruptura muito alta.
3.12.1 Reavaliação da Segurança de Barragens
A reavaliação das condições de segurança de barragens deve acontecer
periodicamente, incluindo seus planos de manutenção, inspeções de rotina e
de emergência, a fim de verificar a segurança dos mesmos. A primeira
reavaliação deve ocorrer em até 5 anos após o enchimento do reservatório.
A reavaliação deverá ser feita por engenheiros e geólogos qualificados, com
experiência em projetos, construção e avaliação de barragens.
O detalhamento da reavaliação varia de acordo com o conservadorismo do
projeto, complexidade da barragem e consequências de ruptura. A Tabela 5
apresenta a periodicidade de reavaliações.
93
Tabela 5 - Frequência de reavaliações da segurança de barragens.
Consequência de Ruptura Período de Reavaliações
Muito Alta 5 Anos
Alta 7 Anos
Baixa 10 Anos
Muito Baixa 10 Anos
Fonte: Christofidis et al (2002).
Caso ocorram mudanças significativas no comportamento da barragem ou
nas condições locais como eventos hidrológicos ou sismos, deve ocorrer uma
reavaliação da segurança da barragem, mesmo fora do período de
reavaliações.
3.12.2 Procedimentos de Emergência
Levando em consideração as consequências de uma ruptura da barragem,
deve ser elaborado um Plano de Ação Emergencial (PAE), este deve existir
para qualquer barragem, cuja ruptura acarrete em perdas de vidas.
Ao ser elaborado, o PAE deve conter um plano de aviso da população a
jusante, caso haja indícios de condição insegura na mesma. Tal aviso deve ser
avaliado e dado à população tão logo se julgue necessário, devido a rapidez da
chegada da onda de cheia provocada pelo colapso da estrutura.
O PAE só deve ser dispensado caso as consequências da ruptura sejam
baixas, por exemplo, uma barragem localizada em uma fazenda, com pequena
reserva e sem população a jusante. Já no caso de um grande volume de
acumulação num vale confinado e com população a jusante, há claramente a
necessidade do PAE. (Christofidis et al, 2002).
94
A seguir são citados os itens básicos que constituem um PAE.
• Ações preventivas;
• Procedimentos de notificação;
• Fluxograma de comunicação;
• Sistemas de comunicação;
• Acessos ao local;
• Resposta durante o período de falta de energia elétrica;
• Resposta durante os períodos de intempéries;
• Fontes de equipamentos e mão-de-obra;
• Estoques de materiais e suprimentos;
• Fontes de energia de emergência;
• Mapas de inundação;
• Sistemas de advertência.
3.12.3 Estudos de Inundação
Os estudos de inundação devem existir em todo PAE, baseando-se em
hipóteses de todas as áreas que podem ser atingidas pela onda de cheia, com
a combinação mais severa das condições físicas possíveis.
Vários cenários de ruptura devem ser estudados, com a determinação das
áreas inundadas, levando em conta as seguintes considerações:
• Erro na cheia de projeto;
• Ruptura induzida por falha de uma estrutura a montante.
95
A partir do estudo de cheia, mapas devem ser elaborados especificando os
locais atingidos pela enchente, bem como os locais atingidos na própria
barragem devido o remanso formado a montante, sendo também necessária a
análise de dois casos:
• Cheias extremas que excedam a capacidade de descarga;
• Redução da capacidade de descarga durante a passagem de uma
grande cheia (por exemplo, mau funcionamento ou a não abertura de
comportas). (Christofidis et al, 2002).
A ênfase no estudo de propagação de cheias, assim como do PAE se
mostra longo e complexo, fugindo do escopo deste trabalho no que tange a
auscultação de barragens, interpretação e comparação dos dados obtidos.
3.13 Percolação de Água nos Solos
3.13.1 Introdução à Percolação de Água nos Solos
Rotineiramente o profissional engenheiro se vê diante de situações no qual
é forçado a atentar-se à presença e ao movimento de água através do solo
com finalidade de proporcionar a determinado projeto uma maior proteção
contra efeitos nocivos de movimentos desse tipo.
Por exemplo, na construção de uma barragem de terra, existe a
necessidade, dentre inúmeras outras coisas, de quantificar a água que percola
através da barragem, fundação e ao seu entorno para que se evite ao máximo
que a água carregue partículas do solo, o que poderia gerar um problema
chamado de piping. E sob ação de altas pressões levar enormes maciços ao
colapso.
Sabe-se que a água ao percolar de um ponto a outro, devido a uma
diferença de carga total entre esses pontos, transfere uma parcela dessa
energia às partículas sólidas do solo. Tal transferência origina as chamadas
96
forças de percolação, as quais são efetivas por atuarem inter partículas e têm o
mesmo sentido do fluxo de água.
O estudo do fluxo de água através do solo é feito lançando-se mão de um
procedimento gráfico conhecido como rede de fluxo. O processo consiste
basicamente em desenhar dentro da região em que ocorre o fluxo, dois
conjuntos de curvas conhecidas como linhas de fluxo e linhas equipotenciais.
A base fundamental teórica para resolução de problemas de fluxo de água
foi proposta por Casagrande (1937), a partir das proposições de Forchheimer.
O fluxo de água através de um meio poroso é descrito por uma equação
diferencial (equação de Laplace), bastante conhecida e estudada, pois que se
aplica a outros fenômenos físicos como, por exemplo, fluxo elétrico através de
meios resistivos.
Geralmente o problema é tratado no plano, como geralmente acontece em
quase todos os problemas práticos de mecânica dos solos, onde se considera
uma seção típica do maciço situada entre dois planos verticais e paralelos, de
espessura unitária (Vilar; Bueno, 1979).
3.13.2 Equação Geral do Fluxo
Para a dedução da equação do fluxo, serão consideradas as seguintes
hipóteses:
a) Solo saturado e regime de fluxo estabelecido; b) Partículas sólidas e água incompressível e c) A estrutura do solo não é alterada pelo fluxo.
97
Seja o elemento de solo esquematizado na Figura 57
Figura 57 – Elemento bidimensional de solo sujeito percolação.
Fonte: Vilar; Bueno (1979).
A vazão que entra é:
��. � + ��. �
Enquanto a que sai é:
�� + ����� . �� . � + �� + ���. �
�� � . �
Como o volume de água presente é constante, a vazão que entra é igual a
que sai, de maneira que se pode chegar à seguinte expressão conhecida como
Equação de continuidade:
����� + ���
�� = 0
Porém pela lei de Darcy:
�� = ��. �ℎ��
�� = �� . �ℎ��
98
O que nos fornece:
��. ��ℎ
��� + ��. ��ℎ
��� = 0
Nesta equação aparecem os coeficientes de permeabilidade nas direções x
e z, que normalmente são diferentes. Uma das maneiras de se chegar à
equação de Laplace é admitir que o solo seja isotrópico com relação à
permeabilidade, ou seja, Kx=Kz. Assim, temos a Equação de Laplace.
��ℎ��� +
��ℎ��� = 0
A situação de anisotropia Kx diferente de Kz pode ser estudada lançando-
se mão do artificio de transformar as coordenadas, de maneira a se chegar à
equação de Laplace.
3.13.3 Resolução da Equação do Fluxo
A primeira alternativa consiste em integrar diretamente a equação do fluxo,
obedecendo às condições de contorno e obtendo assim uma solução analítica
para o problema. Tal caminho, porém, oferece o inconveniente da grande
complexidade, só sendo viável para situações relativamente simples.
Como variante da integração direta pode-se lançar mão de métodos
numéricos, como por exemplo, o método das diferenças finitas ou mais
modernamente o método dos elementos finitos.
Na Figura 58, apresenta-se um exemplo de modelo físico reduzido, que
consiste em se instalar dentro de uma caixa de paredes transparentes uma
secção reduzida da secção por onde percola a água.
99
Figura 58 – Modelo Físico reduzido de percolação para dentro de uma escavação.
Fonte: Vilar; Bueno (1979).
Para o traçado das linhas de fluxo, utiliza-se corante colocado em posições
determinadas no parâmetro de montante. Ao ocorrer o fluxo, os corantes vão
tingir a água, permitindo que se distingam algumas linhas de fluxo.
Paralelamente, a colocação de piezômetro dentro do modelo permite a
obtenção das cargas piezométricas em diversos pontos da seção. A partir
desses dados, pode-se desenhar a rede pretendida.
A equação de Laplace é satisfeita por duas famílias de curvas, dadas pelas
funções harmônicas conjugadas Ø e φ, as quais podem ser interpretadas
fisicamente dentro da região onde se desenvolve o fluxo.
A primeira delas Ø (x, z) = cte, chamadas de função de fluxo, é definida de
maneira que:
���� = ��� ���� = −��
A função Ø (x, z) = cte, representa fisicamente, dentro da região onde
ocorre o fluxo, pontos com mesma carga h. As curvas determinadas pela
função Ø (x, z) = cte são chamadas de linhas equipotenciais.
100
Por sua vez, a função φ(x, z) = cte representa fisicamente a trajetória da
água ao longo da região onde se processa o fluxo. Dá-se o nome de linhas de
fluxos às curvas determinadas pela função φ(x, z) = cte.
Seja a linha AB da Figura 59, representativa da trajetória de uma partícula
do fluido passando pelo ponto P, com velocidade tangencial V:
Da Figura 59, tem-se:
��� = ���� = �� ����. � − ��. = 0
Como,
�� = ���� ��� = − ����
Resulta que,
���� . � +���� . � = 0��� = 0
E, portanto, � = cte.
Figura 59 – Trajetória de uma partícula de fluido.
Fonte: Vilar; Bueno (1979).
101
Figura 60 – Trajetória de uma partícula de fluido.
Fonte: Vilar; Bueno (1979).
Assim, as curvas dadas por φ = cte definem as trajetórias das partículas de
fluxo, pois em cada ponto elas são tangentes aos vetores velocidade. Observe
na Figura 60 que a vazão unitária (q) por cd%%% compreendida entre duas linhas de
fluxo (φ&eφ') é dada por
( = ) ��. � = ) � =�* − �+,-
,.
,-
,.
O que implica dizer que o fluxo entre as duas linhas de fluxo (canal de fluxo)
é constante.
Outra importante particularidade refere-se aos coeficientes angulares das
curvas determinantes das linhas de fluxo e das linhas equipotenciais. Para as
curvas φ(x, z) = cte tem-se:
���,/+01 = −��������
= ����
As curvas φ(x, z) = cte têm evidentemente dφ = 0 o que implica.
�∅�� . � +�∅�� . � = 0
102
���,/+01 = −�∅���∅��
= − ����
Tem-se então que,
���,/+01 = − 13��4,/+01
Disso resulta que a família de curvas ∅(x, z) = cte é ortogonal a φ(x, z) =
cte. Assim as curvas da função ∅ interceptam as curvas da função φ segundo
ângulos retos, ou, outras palavras, as linhas de fluxo cruzam as linhas
equipotenciais segundo ângulos retos.
Vale lembrar que para condições de contorno determinadas, a solução de
uma equação diferencial é única. Para o caso do fluxo de água através do solo,
deve-se ressaltar ainda que a solução independe do coeficiente de
permeabilidade do solo; isto é, são condições determinantes apenas as
condições limites dos problemas em questão: variando estas, varia a solução.
3.13.4 Redes de Fluxo
As redes de fluxos constituem então uma solução gráfica da equação do
fluxo, e são formadas pelo conjunto das linhas equipotenciais e das linhas de
fluxo.
Denomina-se canal de fluxo à região situada entre duas linhas de fluxo.
Seja o canal de fluxo apresentado a seguir na Figura 61.
103
Figura 61 – Canal de Fluxo.
Fonte: Vilar; Bueno (1979).
Segundo a Lei de Darcy, a vazão (Q) no canal de fluxo é dada por:
5 = �. 6. 7
Onde,
6 = 8ℎ9 ��( = �. 8ℎ. :9
No traçado de uma rede de fluxo, costuma-se fazer b = l. A perda de carga
entre duas equipotenciais consecutivas é constante, donde se tem a vazão
num determinado canal de fluxo é constante.
Ao fazer b = l, e como as linhas de fluxo são perpendiculares às
equipotenciais, resultam uma figura formada por quadrados de lados
ligeiramente curvos, como se representa na Figura 61 (b).
O traçado de uma rede de fluxo consiste basicamente em desenhar na
região de fluxo uma malha de quadrados formados por linhas de fluxos e
equipotenciais convenientes escolhidas entre as infinitas linhas possíveis.
O primeiro passo nesse traçado consiste em se estabelecer as condições
de contorno ou limites, as quais podem ser englobadas numa situação de fluxo
104
confinado ou de fluxo não confinado, e a direção geral do fluxo para o problema
em questão (VILAR; BUENO, 1979).
3.13.5 Fluxo Confinado
A Figura 62 representa um problema clássico de percolação e nela nos
baseamos para expor os princípios das redes de fluxo.
Figura 62 – Percolação de água através da fundação permeável de uma cortina de estacas
pranchas.
Fonte: Vilar; Bueno (1979).
Figura 63 – Percolação de água através da fundação permeável de uma cortina de estacas
pranchas.
Fonte: Vilar; Bueno (1979).
105
Este problema cai na categoria de fluxo confinado, isto é, as condições
limites estão determinadas. Na Figura 62 estão representadas as condições
limites formadas por duas equipotenciais, uma de carga máxima e outras de
carga mínima, e por duas linhas de fluxo, situações limites que em geral se
repetem nos problemas de fluxo confinado (VILAR; BUENO, 1979).
A água evidentemente percolará da esquerda para a direita em função da
diferença de carga total existente.
Pode-se comprovar, de imediato, duas propriedades características das
redes de fluxo.
a) As perdas de cargas são iguais entre os vários quadrados da rede; b) As vazões através dos vários canais de fluxo são iguais.
Para o cálculo da vazão que escoa através do maciço onde ocorre a
percolação, observemos novamente a Figura 62.
Nota-se que a rede é formada por => canais de fluxo (= linhas de fluxo
menos um) e =1? quedas de potencial (=linhas equipotenciais menos um).
Através de um canal de fluxo temos:
( = �. 6. 7 = �. 8ℎ9 . :. 9
Como construtivamente b = l
( = �. 8ℎ
Em nA canais de fluxo teremos
( = �. 8ℎ. =>
A carga total disponível (H) é dissipada através das nBC equipotenciais, de
forma que entre duas equipotenciais consecutivas:
8ℎ = D=1?
Assim, a vazão total que percola, por unidade de comprimento, é:
106
5 = �. D. =>=1?
3.13.6 Fluxo Não-Confinado
Uma das situações práticas onde é maior o emprego das redes de fluxo é
no caso das barragens de terra. A percolação através do maciço compactado
enquadra-se no caso do fluxo não confinado, isto é, uma das condições limites
não está determinada a priori. Seja a Figura 64 a seguir.
Figura 64 – Percolação através de barragens de terra homogênea.
Fonte: Vilar; Bueno (1979).
Admitindo a fundação impermeável, temos como condição limite a
equipotencial de carga máxima-linha AB -, a equipotencial de carga mínima –
linha CD -, a linha de fluxo – AC – que limita o fluxo inferiormente. A linha de
fluxo que limita o fluxo superiormente chama-se linha freática.
A linha freática é uma linha de percolação particular na qual atua a pressão
atmosférica e, portanto a pressão piezométrica é nula.
A percolação através de barragens de terra foi estudada, estre outros, por
Kozeny que propôs uma solução teórica para uma barragem com filtro
horizontal a jusante, como se mostra na Figura 65 (VILAR; BUENO, 1979).
107
Figura 65 – Solução teórica de Kozeny – Parábola básica.
Fonte: Vilar; Bueno (1979).
A solução de Kozeny admite que a rede de fluxo que se forma no problema
em questão é constituída por dois conjuntos de parábolas confocais, um deles
representando as equipotenciais e o outro as linhas de fluxo.
Estabelecida essa solução, é possível adapta-la para barragens com outras
condições de drenagem, o que foi feito por Casagrande, a partir de ensaios em
modelos e de estudos teóricos. Assim a solução de Kozeny, conhecida como
parábola básica de Kozeny, encontra grande aplicação prática no traçado de
redes quando o fluxo é não confinado.
3.13.7 Linha Freática
A linha freática apresenta uma série de propriedades e particularidades,
constituindo o primeiro passo para o traçado da rede em um problema de fluxo
não confinado.
Para o seu traçado, a condição fundamental é determinar a parábola
básica.
108
Uma vez traçada a parábola são feitas correções, a sentimento, para
corretamente locar a freática. Nessas condições devem-se observar
determinadas condições quanto à entrada e saída da freática do maciço. Na
Figura 66, apresentam-se as condições de entrada no maciço.
Figura 66 – Condições de entrada da freática.
Fonte: Vilar; Bueno (1979).
Deve-se lembrar, como condição rotineira, que a freática sendo uma linha
de fluxo deve ser perpendicular ao talude de montante (que é equipotencial) no
seu ponto de entrada.
Na Figura 67, apresentam-se diversas condições de saída da freática,
devendo-se ressaltar que rotineiramente a freática é tangente ao talude de
jusante (talude menores que 90º) ou tangente à vertical no ponto da saída,
caso haja drenagem.
Figura 67 – Condições de saída da freática.
Fonte: Vilar; Bueno (1979).
109
Outra condição a se observar é o ponto de saída da freática. Não havendo
drenagem horizontal a jusante (como no problema de Kozeny), o ponto da
saída da freática não coincide com o ponto de saída da parábola básica.
Casagrande, após observações em modelos, sugeriu a seguinte relação
para locar corretamente o ponto de saída da freática (Figura 68).
A Figura 69 representa a parábola obtida após efetuar as correções
necessárias.
Figura 68 – Gráfico para locar o ponto de saída da freática.
Fonte: Vilar; Bueno (1979).
Figura 69 – Parábola básica e correções para situar a freática.
Fonte: Vilar; Bueno (1979).
110
Por ultimo será mostrada as condições de cargas na linha freática. Como
atua a pressão atmosférica resulta que a pressão piezométrica é nula, então, a
carga total corresponde somente à carga de posição. Dessa forma, entre duas
equipotenciais consecutivas, a perda de carga será apenas altimétrica, como
mostrado na Figura 70.
Essa propriedade constitui um dado importante para o traçado da rede, pois
uma vez determinada a freática, o próximo passo será dividir a perda de carga
em cotas iguais, o que fornecerá os pontos de intersecção entre a freática e as
equipotenciais. Evidentemente, o número de perdas de carga a escolher será
um problema de tentativas e erros, até que se tenha uma solução que leve em
conta os fundamentos das redes de fluxo.
Figura 70 – Perdas de carga ao longo da freática são altimétricas.
Fonte: Vilar; Bueno (1979).
Pode-se observar ainda na Figura 70, que as equipotenciais são ortogonais
à linha freática, o que é obvio, pois a freática é uma linha de fluxo.
3.13.8 Situações Especiais
O exposto nos itens anteriores aplica-se aos casos de fluxo estabelecido.
Existem algumas situações (enchimento do reservatório; chuvas intensas ou
rebaixamento do nível de água do reservatório, por ocasião das épocas de
111
seca) que apresentam redes de fluxo particulares. No caso do enchimento do
reservatório, a saturação do maciço é gradativa. Por conseguinte, as linhas de
fluxo superior, que delimitam o fluxo, vão passando por situações
intermediárias até se estabelecer o fluxo permanente.
Chuvas intensas tendem a alterar os limites de saturação, provocando fluxo
na região da crista da barragem e no talude de jusante. Por último, talvez a
mais importante dessas situações especiais, pois é uma condição critica para
análise de estabilidade da barragem: o rebaixamento rápido do reservatório.
Neste caso, forma-se uma nova rede com as Linhas de fluxo partindo da
freática, conforme se mostra na Figura 71.
Figura 71 – Rebaixamento rápido do nível de água do reservatório.
Fonte: Vilar; Bueno (1979).
3.13.9 Recomendações Gerais
Certas condições limites podem ocasionar a intersecção de uma linha de
fluxo com uma equipotencial a ângulos maiores que 90º. Tem-se então una
condição particularmente critica onde a velocidade do fluxo pode provocar
erosão e arraste. Tais situações devem ser evitadas ou deve-se providenciar
proteção para que tais erosões não ocorram. As Figuras 72 e 73 esquematizam
alguns erros comuns nos traçados de redes, as correções necessárias e a rede
completa, respectivamente. .
112
Figura 72 – Erros comuns em redes de percolação.
Fonte: Vilar; Bueno (1979).
Figura 73 –. Correções necessárias (c) e rede final corrigida (d).
Fonte: Vilar; Bueno (1979).
113
As Figuras 74 e 75 apresentam várias redes de fluxo em diferentes seções
e geometrias.
Figura 74 – Exemplos de redes de fluxo.
Fonte: Vilar; Bueno (1979).
Figura 75 – Exemplos de redes de fluxo.
Fonte: Vilar; Bueno (1979).
114
3.13.10 Cálculo de Supressões e de Forças de Percol ação
Uma vez determinada à rede de fluxo num maciço, podem-se determinar as
pressões neutras devidas percolação. Em determinadas situações, como por
exemplo, estruturas de concreto, essas pressões atuarão na base da estrutura
exercendo uma força contrária à força normal, o que pode conduzir a estrutura
a uma situação instável. Seja a Figura 76 a barragem vertedouro aí
esquematizada sujeita à percolação pela sua fundação.
Figura 76 – Rede de fluxo pela fundação de uma barragem concreto e diagrama de
subpressões.
Fonte: Vilar; Bueno (1979).
Para determinar as subpressões atuantes em sua base basta considerar as
cargas em diversas posições. Fixemos a referência de níve1 na superfície
impermeável, A perda de carga devida à percolação é h, que será dissipada
entre nBC equipotenciais, ou seja, entre duas equipotenciais consecutivas
dissipa-se h nBC⁄ = ∆h. No ponto O a carga total disponível é HH =zH + h =uH γL⁄ + zH, ou de outra forma, a carga piezométrica é uH γL⁄ = h. No ponto 1
como houve uma perda de carga, teremos:
DM = �MNO +�M =DP − ∆ℎ = �P + ℎ − ∆ℎ
�MNO = Q�P −�MR + Qℎ − ∆ℎR = ℎ − ∆ℎ
115
S�TUV��P = �M
O raciocínio pode ser estendido aos outros pontos de forma a se obter o
diagrama de subpressões ao longo da base da barragem.
O problema pode ser resolvido também graficamente para tanto basta
dividir a perda de carga em parcelas iguais, correspondentes ao número de
queda de equipotenciais, e transforma-las em cotas tal qual se representa na
Figura 75. No ponto 1, por exemplo, a carga de pressão corresponderá à
distância vertical entre o ponto e o número de quedas de equipotencial (um no
caso). No ponto 5 a mesma situação se repete, bastando observar que
ocorreram quatro perdas de carga. Observar que as cargas de posição são
consideradas positivas acima do referencial (RN). A demonstração do processo
gráfico fica por conta do leitor.
Importante notar que, mesmo que o ponto onde se deseja determinar a
pressão neutra não se situe sobre urna equipotencial da rede traçada, os
processos aqui descritos também se aplicam. A rigor a rede traçada representa
apenas algumas equipotenciais e algumas linhas de fluxo, porém sobre
qualquer ponto sempre "passará" uma equipotencial. Seja o ponto P situado
entre a 4ª e 5ª equipotenciais. Estimando que a perda de carga até ele seja 4,5
∆h pode-se determinar, tanto analítica quanto graficamente, a carga de
pressão sobre ele:
DW = DP − 4,5∆ℎ = �WNO + �W �WNO = ℎ − 4,5∆ℎ
DP = ℎ��W = �P
O exposto anteriormente também se aplica à percolação através de
barragens ou taludes naturais. Seja a Figura 77:
116
Figura 77 – Encosta natural sujeita à percolação.
Fonte: Vilar; Bueno (1979).
A carga de pressão no ponto 1 será dada pela diferença de cotas entre
esse ponto e o ponto A, intersecção da equipotencial que passa pelo ponto 1
com a freática. Os pontos 1 e A situam-se sobre a mesma equipotencial,
portanto, tem a mesma carga total.
O mesmo raciocínio se aplica, por exemplo, ponto 4, bastando considerar a
equipotencial correspondente. Por último, deve-se lembrar de que o diagrama
de subpressões obtido, seja na base de urna estrutura impermeável ou ao
longo de una superfície de ruptura de um talude, tem como resultante um
empuxo correspondente a área do diagrama e atua no centro geométrico do
diagrama.
Outra informação importante obtida a partir rede de fluxo é a força de
percolação. As forças de percolação são originárias da transferência de
energia que se processa quando do fluxo de água através do solo. Essas
forças são efetivas, têm a dimensão de um peso específico e são tangentes às
linhas de fluxo.
Na Figura 78 o elemento hachurado tem lado “a”. O gradiente que atua é
6 = 8ℎ/U e a perda de carga entre duas equipotenciais consecutivas é
8ℎ = ℎ/=1 onde =1 é número de quedas de equipotencial.
117
Figura 78 – Determinação da força de percolação a partir da rede de fluxo.
Fonte: Vilar; Bueno (1979).
3.14 Estabilidade de Taludes
3.14.1 Introdução
Os métodos para a análise da estabilidade de taludes baseiam-se na
hipótese de haver equilíbrio numa massa de solo, tomada como corpo rígido-
plástico, na iminência de entrar em um processo de escorregamento, daí a
denominação geral de métodos de equilíbrio-limite.
Conhecida as forças atuantes, são determinadas as tensões de
cisalhamento induzidas, através das equações de equilíbrio; a análise termina
com a comparação dessas tensões com a resistência ao cisalhamento do solo
em questão.
A observação dos escorregamentos na natureza levou as análises a
considerar a massa de solo como um todo (Método do Círculo de Atrito), ou
subdividida em lamelas (Método Sueco), ou com cunhas (Método das Cunhas).
A partir de 1916, motivados pelo escorregamento que ocorreu no cais de
Stigberg, em Gotemburgo, os suecos desenvolveram os métodos de análise
hoje em uso, baseados no conceito de equilíbrio-limite, tal como foi definido
acima. Constataram que as linhas de ruptura eram aproximadamente circulares
e que o escorregamento ocorria de tal modo que a massa de solo instabilizada
118
se fragmentava em fatias ou lamelas, com faces verticais. O conceito de círculo
de atrito e a divisão da massa de solo em lamelas (ou fatias) já eram praticados
naquele tempo, e o que Fellenius fez, na década de 1930, foi estender a
análise para levar em conta também a coesão na resistência ao cisalhamento
do solo, além de considerar casos de solo estratificado.
Documentaram-se escorregamentos com linha de ruptura não circular,
como, por exemplo, os escorregamentos planares que ocorrem na serra do
mar. Outros exemplos estão apresentados na Figura 79. Trata-se de secções
de barragens zoneadas, em que as análises de estabilidade são feitas com
superfícies de ruptura planas, representadas no desenho por "linhas" de
ruptura poligonais (MASSAD, 2003).
No estudo da estabilidade de taludes naturais, e de taludes de barragens de
terra, costuma-se definir o coeficiente de segurança (FS) como a relação entre
a resistência ao cisalhamento do solo (s) e a tensão cisalhante atuante ou
resistência mobilizada (τ), esta última obtida através das equações de
equilíbrio, isto é,
]^ = V_
s, em termos de tensões efetivas, é dada por:
V = T` +ab . ��∅′
119
Figura 79 – Exemplos de casos em que a linha de ruptura não é circular.
Fonte: Massad (2003).
Evidentemente, não se conhece a posição da linha de ruptura, isto é, da
linha qual está associado o coeficiente de segurança mínimo, o que se
consegue por tentativas. Atualmente, essa tarefa é facilitada graças aos
recursos disponíveis de computação eletrônica (MASSAD, 2003).
3.14.2 Métodos de Equilíbrio-Limite
Os Métodos de Equilíbrio-limite partem dos seguintes pressupostos:
a) o solo se comporta como material rígido-plástico, isto é, rompe-se
bruscamente, sem se deformar;
b) as equações de equilíbrio estático são válidas até a iminência da ruptura,
quando, na realidade, o processo é dinâmico;
c) o fator de segurança (FS) é constante ao longo da linha de ruptura, isto é,
ignoram-se eventuais fenômenos de ruptura progressiva.
120
3.14.3 Dedução da Fórmula do Coeficiente de Seguran ça
Conforme a Figura 80 a primeira equação que se escreve é a do equilíbrio
dos momentos atuantes e resistentes.
Figura 80 – Método sueco ou das lamelas e forças na lamela genérica.
Fonte: Massad (2003).
O momento das forças atuantes é dado por:
∑Qe. f. V�=�R E, o momento das forças resistentes:
∑Qg. fR Ambas tomadas em relação ao centro do círculo de ruptura. Nota-se, que
as forças entre lamelas (tipos Eb e X na Figura 80) não geram momento, pelo
princípio da ação e reação.
121
Figura 81 – Convenção de sinais do ângulo θ.
Fonte: Massad (2003).
Assim, igualando-se momentos atuante e resistente, tem-se:
∑Qe. f. V�=�R = ∑Qg. fR Ou, como R é constante, e tendo-se em conta a expressão acima:
]^ = ∑QT`. 9 + Sb. ��∅′R∑Qe. V�=�R
Esta expressão permite o cálculo do coeficiente de segurança,
associado ao arco de circunferência em análise e linha potencial de ruptura,
esta é válida para os dois métodos, Fellenius e Bishop Simplificado.
3.14.4 Pesquisa do Círculo Crítico
Para a pesquisa da posição do círculo critico, isto é, do arco de
circunferência ao qual está associado o coeficiente de segurança mínimo
(Fmin). Para tanto, define-se urna malha de centros de círculos a pesquisar,
impõe-se uma condição, como círculos passando por determinado ponto ou
tangenciando uma linha, e determina-se o valor de F correspondente a cada
centro. Dessa forma é possível traçar curvas de igual valor de F, que
possibilitam determinar o Fmin e a posição do círculo crítico.
122
3.15 Métodos de Estabilidade de Taludes
Neste item serão descritos, de forma simples, os quatro métodos utilizados
pelo software SLOPE/W, neste trabalho.
3.15.1 Método de Bishop Simplificado
Desenvolvido em 1955, inicialmente para análise de superfícies circulares,
também é válida para superfícies não circulares. O método desconsidera as
forças cisalhantes entre as lamelas, satisfazendo o equilíbrio de momentos, de
onde provem o fator de segurança. Apesar das forças de cisalhamento serem
desconsideradas, não quer dizer que sejam zero, mas que um dos termos da
equação é zero. Isso acontece quando se adota uma distribuição ajustada das
forças de corte verticais entre lamelas que satisfaça, ao mesmo tempo, o
equilíbrio de forças horizontais. Daí resulta a sua precisão quando comparado
com outros métodos. A reação normal na base da lamela é obtida através do
equilíbrio de forças segundo a direção vertical. (ZHU, 2008 citado por SILVA,
2011).
123
As forças aplicadas a cada lamela encontram-se ilustradas na Figura 82.
Figura 82 – Forças aplicadas em uma lamela do solo pelo método Bishop.
Fonte: Silva (2011).
3.15.2 Método de Janbu (simplificado)
O método simplificado ignora as forças normais e de cortante entre as
lamelas (Figura 83) e satisfaz apenas o equilíbrio de forças. O método introduz
um fator corretivo (f0) que multiplica pelo Fator de Segurança (FS) resultante do
equilíbrio de forças segundo a direção horizontal. Este fator corretivo existe
para ter em conta as forças de interação que são desconsideradas pelo
método, sendo dependente do tipo de solo que constitui o talude. A reação
normal na base é calculada pela equação de equilíbrio de forças verticais como
mostrado pela Figura 83. (FREDLUND, 1977, citado por SILVA, 2011).
124
Figura 83 – Forças aplicadas em uma lamela do solo pelo método Janbu (simplificado).
Fonte: Silva (2011).
3.15.3 Método de Spencer
Apresentado em 1967, é considerado um dos mais rigorosos, por satisfazer
todas as equações de equilíbrio (momentos e forças). As forças de interação
entre as lamelas são representadas por uma resultante equivalente, que
assume uma inclinação constante com a horizontal da mesma (Figura 84).
Essa resultante é aplicada na base da lamela e em seu ponto intermédio. A
reação normal é obtida pelo equilíbrio de forças nas direções paralela e
perpendicular à base das lamelas. O Fator de Segurança pode ser obtido por
duas formas: somatório de momentos em relação a um ponto ou somatório de
forças na direção horizontal ou paralela à base das lamelas. O método prevê o
cálculo de FS para os dois ângulos, correspondentes aos dois lados das
lamelas (FREDLUND, 1977 citado por SILVA, 2011).
125
Figura 84 – Forças aplicadas em uma lamela do solo pelo método Spencer.
Fonte: Silva (2011).
3.15.4 Método de Morgenstern-Price
Pertence ao grupo dos métodos rigorosos, ou seja, cumpri todas as
condições de equilíbrio. As forças de interação são, neste caso, controladas
por uma função multiplicada por um fator. Essa função determina a inclinação
das forças entre as lamelas (Figura 85). Caso a função seja constante, os
resultados poderão ser iguais aos de Spencer.
Figura 85 – Forças aplicadas em uma lamela do solo pelo método Morgenstern-Price.
Fonte: Silva (2011).
126
As diferenças básicas entre os métodos estão resumidas pela Tabela 6.
Tabela 6 – Resumo comparativo dos métodos utilizados na simulação computacional.
Métodos Superfície ∑Fh ∑hi ∑M=0 Força E
Força X
Z
Bishop Simplificado
Qualquer Não Sim Sim Sim Não Horizontal
Janbu Simplificado
Qualquer Sim Sim Não Sim Não Horizontal
Spencer Circular Sim Sim Sim Sim Sim Constante Morgenstern - -Price
Qualquer Sim Sim Sim Sim Sim Variável
Fonte: Silva (2011).
3.16 UHE Engenheiro Souza Dias (Jupiá)
A UHE Jupiá está localizada no rio Paraná (Figura 86), bacia do Rio
Paraná, 20Km à jusante da confluência com o rio Tietê, na região noroeste do
Estado de São Paulo, cerca de 680 Km da cidade de São Paulo. Tendo o
município de Três Lagoas (MS) na margem direita e o município de Castilho
(SP) na margem esquerda.
Figura 86 – Localização da UHE Jupiá.
Fonte: (CESP, 2014).
127
Figura 87 – Detalhe da localização da UHE Jupiá.
Fonte: CESP (2014).
Na Tabela 7 são apresentadas algumas características da UHE Jupiá.
Tabela 7 – Características da UHE Jupiá.
BACIA HIDROGRÁFICA
Área de contribuição 470.000
Km².
ÁREA DE INUNDAÇÃO
N.A. Máximo Maximorum:280,50 m
N.A. Máximo Normal: 280,00 m
N.A. Mínimo Normal: 277,00 m
PROJETO EXECUTIVO Desenvolvido pela Projetista
THEMAG
PROJETO DE CONSTRUÇÃO
CIVIL
A cargo da C.C.CAMARGO
CORRÊA
128
MONTAGEM
Ficou a cargo da TENENGE
VOLUME TOTAL DE CONCRETO 1.300.000 m³
BARRAMENTO DE CONCRETO
Tipo – Gravidade
Comprimento total - 1040,00 m
Cota de coroamento - 283,50 m
Altura máxima sobre a fundação -
42,50 m
BARRAMENTO DE TERRA /
ENROCAMENTO
Margem Direita - Aterro
Compactado e Enrocamento
Margem Esquerda - Aterro
Compactado e Enrocamento
ÓRGÃOS DE DESCARGA
Vertedouro de Superfície
Número de vãos - 04
Largura dos vãos - 15,00 m
Altura dos vãos - 12,80 m
Cota da soleira - 268,00 m
Cota do coroamento - 283,50 m
Comprimento total - 74,50 m
Vertedouro de Fundo
Número de vãos - 37
Largura dos vãos - 10,00 m
Altura dos vãos - 7,61 m
Cota da soleira - 255,00 m
Cota do coroamento - 262,45 m
Comprimento total - 505,00 m
Fonte: CESP (2014).
129
As Figuras 88, 89 e 90, a seguir, ilustram a partição de quedas no Rio
Paraná, a vista superior e a jusante dos vertedouros de superfície (VS), da
UHE Jupiá, respectivamente.
Figura 88 – Esquema de partição de quedas do rio Paraná.
Fonte: CESP (2014).
Figura 89 – Vista superior do vertedouro de superfície da UHE Jupiá.
Fonte: Dados do próprio autor.
130
Figura 90 – Vista à jusante do vertedor de superfície.
Fonte: CESP (2004).
As Tabelas 8 e 9 trazem a relação dos instrumentos instalados na UHE Jupiá.
Tabela 8 – Instrumentos instalados na Barragem de Concreto e Eclusa. Sigla Instrumento Localização
CF TA GER AM VS MJDF EC MSC DF TOTAL
BA Base para
alongâmetro
05 02 - - 01 - 01 03 - 12
BT Base para
tensotast
- - - - - - 06 - - 06
DR Dreno
superficial
- - 724 - - - - - - 724
EC Extensômetro
p/ concreto
285 19 - - - - - - - 304
EH Extensômetro
de hastes
- - - - - - 08 - - 08
MV Medidor de
vazão
129 02 - - 10 01 06 08 50 206
MT Medidor
triortogonal
04 - - - 14 - 06 03 12 35
PZ Piezômetro de
tubo
56 - - 08 14 - 08 07 31 124
TE Termômetro
elétrico
02 - - - - - - - - 02
Fonte: CESP (2010).
131
Tabela 9 – Instrumentos instalados na Barragem de Terra Sigla Instrumento Localização
BTMD BTME TOTAL
MV Medidor de
vazão
05 06 11
NA Medidor de nível
d’água
01 11 12
PA Poço de alívio - 09 09
PE Piezômetro
elétrico
06 12 18
PN Piezômetro
pneumático
- 04 04
PZ Piezômetro de
tubo
22 90 112
Fonte: CESP (2010).
3.16.1 Geologia Local
Inserida num grande derrame basáltico, a UHE Jupiá, se encontra na Bacia
do Rio Paraná, que pode ser caracterizado pela alternância textural ou
frequente presença de arenito intertrapeano.
Especificamente no local da Barragem distingue-se uma sequência de 4
derrames basálticos.
O derrame superficial consiste basicamente, ao longo da maior parte do
eixo da Barragem, de basalto compacto, uma vez que seu topo foi erodido.
Cada um dos derrames inferiores apresenta uma sequência característica
de baixo para cima: Basalto compacto preto - Basalto vesicular amigdalóide -
Basalto vesicular e amigdalóide com arenito.
Entre um derrame e outro pode ocorrer uma camada de arenito
intertrapeano, de espessura variável, que no local da barragem ocorre em
extensão e espessura, relativamente pequenas e na forma de lentes.
132
Na planície de inundação da Margem Direita, a rocha encontra-se coberta
por depósitos recentes, de espessura média de 2 a 3 m e que consiste numa
sequência de sedimentos aluvionares de diversas granulações, pedregulho e
areia grossa basais, seguidos por areia fina e por uma argila orgânica
superficial.
Nessa mesma margem, em cotas mais elevadas, aparece o terraço de
origem terciária, que se constitui na maior fonte de materiais de construção.
Solos coluvionares superficiais provenientes do arenito Bauru fornecem
material para o aterro da Barragem de Terra, enquanto que na base
encontram-se areias médias, grossas e cascalhos que representam materiais
para concreto, pavimentação e filtros.
Na Planície de Inundação da Margem Esquerda o basalto é recoberto por
depósitos aluvionares recentes que consistem em camadas intercaladas de
areia fina, silte e argila. A camada de argila com até 2 m de espessura
geralmente recobre as camadas de areia e silte.
Acima da Planície de Inundação da Margem Esquerda são encontrados
usualmente sedimentos de arenito Bauru (CESP, 2004). A Figura 91 ilustra
uma seção típica da barragem de terra da margem esquerda.
Figura 91 – Seção típica da barragem de terra da margem esquerda.
Fonte: CESP (2004).
133
4 MATERIAIS E MÉTODOS
A metodologia consistiu em interpretar os dados de piezômetros, medidores
de vazão e medidores de nível d’água existentes no Sistema CESP de
Segurança de Barragens (SICESP), avaliando deste modo a percolação de
água no maciço de terra e fundação da barragem, e com o auxílio do software
SEEP/W do pacote GeoStudio, comparar os valores teóricos com os reais.
Bem como analisar o fator de segurança gerado pela simulação da estabilidade
de taludes do software SLOPE/W.
4.1 Seções Analisadas
As seções escolhidas foram das estacas 62+04 m e 84+15 m ambas na
margem esquerda, como corpo estrutural da barragem. Foram escolhidas por
possuírem uma grande quantidade de instrumentos, principalmente
piezômetros, que possibilitariam a comparação das percolações reais com as
simuladas em computador, possuem uma geometria simples, que facilita e
torna didáticas as comparações.
4.2 Dados Reais
A obtenção dos dados reais se deu por meio do Sistema Integrado Cesp de
Segurança de Barragens (SICESP), onde foram analisados dados de anos
(janeiro de 2004 a janeiro de 2014).
134
4.3 Seção 62+04 m
Encontra-se no aterro da barragem de terra da margem esquerda, com 8
instrumentos, sendo 7 piezômetros de tubo aberto (PZ-626, PZ-627, PZ-634,
PZ-635, PZ-631, PZ-632, PZ-633) e 1 medidor de nível d’água (NA-602).
A seção e a localização dos instrumentos podem ser mais bem visualizadas
no anexo A.
4.4 Seção 84+15 m
Esta seção se encontra no aterro da barragem de terra da margem
esquerda, com 9 instrumentos, sendo 8 piezômetros de tubo aberto (PZ-614,
PZ-615, PZ-616, PZ-617, PZ-618, PZ-620, PZ-621, PZ-622) e 1 medidor de
nível d’água (NA-603).
A seção e a localização dos instrumentos podem ser mais bem visualizadas
no anexo B.
4.5 Software SEEP/W
Pertencente ao pacote GeoStudio, o Seep permite realizar desde simples
simulações a complexas análises de percolação. Nessa versão educacional o
software disponibiliza apenas 500 elementos finitos e 3 materiais como
condições de contorno para realizar as simulações, entretanto a barragem em
estudo é muito mais complexa do que a versão estudantil pode oferecer, ainda
assim, os resultados das simulações computacionais possibilitaram a análise e
comparação com o desempenho real da barragem.
135
Para obter os resultados de percolação, em ambas as seções, foram
utilizados os materiais ilustrados pela Figura 92, bem como a Figura 93 com a
malha de elementos finitos utilizados para a simulação computacional.
136
Figura 92 – Materiais utilizados como condição de contorno na simulação computacional, em ambas as seções.
Fonte: Dados do próprio autor.
Figura 93 – Malha de elementos finitos utilizados como condição de contorno para simulação computacional, em ambas as seções.
Fonte: Dados do próprio autor.
PZ - 635 PZ - 633 PZ - 631
NA - 602
PZ - 627 PZ - 626PZ - 632PZ - 634
Solo Maciço
Filtro
Solo Fundação
Distância
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
Ele
vaçã
o
-10
-5
0
5
10
15
20
PZ - 635 PZ - 633 PZ - 631
NA - 602
PZ - 627 PZ - 626PZ - 632PZ - 634
Distância
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
Ele
vaçã
o
-10
-5
0
5
10
15
20
137
A Tabela 10 ilustra as condições de contorno utilizadas na simulação de
percolação.
Tabela 10 – Materiais e suas características utilizadas na simulação.
Material Permeabilidade (k) (m/s)
Solo Maciço 10�j
Filtro 10�W
Solo Fundação 10��
Fonte: Dados do próprio autor.
Os valores utilizados na Tabela 10 se basearam em valores teóricos
encontrados na literatura.
4.6 Software SLOPE/W
Também pertencente ao pacote GeoStudio, o Slope permite realizar
análises de estabilidade de taludes por vários métodos diferentes, sendo
utilizados neste trabalho os métodos de Método de Morgenstern – Price,
Spencer, Bishop Simplificado e Janbu Simplificado, e assim como o Seep, na
versão educacional são permitido apenas 3 materiais. A Tabela 11 mostra as
condições de contorno utilizadas na simulação de estabilidade de taludes
Tabela 11 – Materiais e suas características utilizadas na simulação.
Material Peso Específico
(KN/m³)
Coesão (KPa) Ângulo de
Atrito ( Φº)
Solo Maciço 19 5 25
Filtro 18 0 30
Enrocamento 21 0 33
Fonte: Dados do próprio autor.
138
Os valores obtidos pela Tabela 11, anterior, são aproximados do controle de
compactação, realizado pelo Instituto de Pesquisas Técnicas de São Paulo
(IPT), os valores das estacas próximas à 62+04 m estão na Tabela 12, a
seguir.
Tabela 12 – Controle de compactação no período construtivo, próximos s estaca 62+04 m.
Estaca
ρlmnop
(g/cm³)
qrstuv
(%)
ρwmx
(g/cm³)
qÓz{ts
(%)
GC (%)
61+10 1,923 11,1 1,980 11,6 97,1
63+05 1,998 9,3 2,010 10,1 99,4
62+06 1,932 10,5 1,986 11,1 97,2
61+10 1,974 10,2 1,961 11,0 100,7
61+00 1,985 10,4 2,009 11,4 98,8
63+00 1,960 10,4 1,983 10,8 98,4
62+00 1,869 10,3 1,942 11,2 96,2
62+05 1,970 10,3 1,975 11,0 99,7
62+00 2,027 10,2 1,994 10,8 101,6
63+00 1,957 11 1,942 11,2 100,7
62+00 1,951 9,4 2,015 10,3 96,8
62+00 1,998 10,4 1,973 10,9 101,2
61+00 1,982 9,9 1,997 10,8 99,3
62+05 2,017 10,5 2,001 11,2 100,9
62+00 1,976 11,0 1,966 11,4 100,5
Fonte: IPT (1963).
139
Os valores de controle de compactação, próximos a estaca 84+15 m, são
mostrados pela Tabela 13.
Tabela 13 – Controle de compactação no período construtivo, próximos s estaca 84+15 m.
Estaca
ρlmnop
(g/cm³)
qrstuv
(%)
ρwmx
(g/cm³)
qÓz{ts
(%)
GC (%)
73+19 1,925 10,6 1,976 11,0 97,4
73+00 1,943 11,2 1,953 11,0 99,5
73+10 1,945 10,6 1,994 11,0 97,5
73+00 1,846 10,7 1,978 11,1 93,3
73+10 1,923 11,2 1,968 11,5 97,7
74+00 1,974 9,9 2,043 10,6 96,6
74+00 1,974 9,9 2,043 10,6 96,6
74+00 2,009 9,3 2,060 10,0 97,4
74,00 1,997 10,4 1,992 10,8 99,3
73+00 2,023 10,2 2,049 10,9 98,7
74+00 1,895 10,7 1,978 11,1 95,8
73+10 1,870 9,9 1,980 10,8 94,4
73+10 1,939 9,7 2,004 10,5 96,8
73+00 1,959 11,2 1,976 11,3 99,2
73+00 1,931 9,3 1,917 11,1 100,7
73+00 1,907 10,1 1,979 10,5 96,4
Fonte: IPT (1963).
A Figura 94 ilustra a seção utilizada para análise computacional e a Figura
95 a superfície de escorregamento utilizada para as análises, em ambas as
seções.
140
Figura 94 – Materiais utilizados como condição de contorno na simulação computacional nas duas seções em análise.
Fonte: Dados do próprio autor.
Figura 95 – Superfície de escorregamento utilizada como condição de contorno nas duas seções em análise.
Fonte: Dados do próprio autor.
Solo Maciço
Filtro Enrocamento
Solo Maciço
Elevação
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
Dis
tânc
ia
-10
-5
0
5
10
15
20
25
Elevação
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
Dis
tânci
a
-10
-5
0
5
10
15
20
25
141
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Neste item foram analisados os gráficos de piezômetros localizados a
jusante e na fundação das seções 62+04 m e 84+15 m, estas também foram
analisadas por meio de simulações do software SEEP/W. Bem como os
resultados de estabilidade dos taludes das seções em análise.
5.1 Seção 62+04 m
5.1.1 Análise de Percolação
A seguir são apresentados os resultados das simulações na seção 62+04
m, considerando inicialmente a percolação somente pelo maciço de terra da
barragem (Figura 96), e posteriormente considerando a percolação também
pelo maciço de fundação (Figura 97). As Figuras 96 e 97 retiradas do software
GeoStudio estão com as escalas horizontal e vertical diferentes das originais,
para facilitar sua impressão. .
Figura 96 – Resultado da simulação computacional considerando a percolação somente pelo maciço de terra a montante da seção 62+04 m.
Fonte: Dados do próprio autor.
PZ - 635 PZ - 633 PZ - 631
NA - 602
PZ - 627 PZ - 626PZ - 632PZ - 634
142
Figura 97 – Resultado da simulação computacional considerando a percolação pelo maciço de montante e de fundação da seção 62+04 m.
Fonte: Dados do próprio autor.
Pela análise computacional, foi percebido que toda água a montante da
barragem que penetrou no maciço foi percolada pelo filtro chaminé e em
seguida pelo tapete drenante (Figura 96), assim como a água que penetrou no
solo de fundação foi toda conduzida pelo filtro horizontal (Figura 97).
Em ambos os casos o maciço situado à jusante da seção analisada
permaneceu sem percolação de água, portanto, os piezômetros situados no
maciço (PZ-635, PZ-633 e PZ-631) deveriam se apresentar sem leituras,
entretanto há um histórico de leituras desses aparelhos, como ilustrado pelas
Figuras 98 a 101.
Figura 98 – Variação temporal das leituras do piezômetro 635 no maciço de jusante da seção 62+04 m.
Fonte: CESP (2014).
PZ - 635 PZ - 633 PZ - 631
NA - 602
PZ - 627 PZ - 626PZ - 632PZ - 634
265
267
269
271
273
275
277
jan-01 jan-02 jan-03 jan-04 jan-05 jan-06 jan-07 jan-08 jan-09 jan-10 jan-11 jan-12 jan-13 jan-14
Período (anos)
Cot
as
Pie
zom
étr
ica
s (m
)
PZ-635
SICESP - Sistema CESP de Segurança de Barragens
JUP - UHE Eng. Souza Dias (Jupiá)Piezômetros - Seção 62+04 m - Período: 01/01/2001 a 31/01/2014
143
Figura 99 – Variação temporal das leituras do piezômetro 633 no maciço de jusante da seção 62+04 m.
Fonte: CESP (2014).
Figura 100 – Variação temporal das leituras do piezômetro 631 no maciço de jusante da seção 62+04 m.
Fonte: CESP (2014).
265
267
269
271
273
275
277
jan-01 jan-02 jan-03 jan-04 jan-05 jan-06 jan-07 jan-08 jan-09 jan-10 jan-11 jan-12 jan-13 jan-14
Período (anos)
Cot
as
Pie
zom
étr
ica
s (m
)
PZ-633
SICESP - Sistema CESP de Segurança de Barragens
JUP - UHE Eng. Souza Dias (Jupiá)Piezômetros - Seção 62+04 m - Período: 01/01/2001 a 31/01/2014
263
265
267
269
271
273
275
jan-01 jan-02 jan-03 jan-04 jan-05 jan-06 jan-07 jan-08 jan-09 jan-10 jan-11 jan-12 jan-13 jan-14
Período (anos)
Cot
as
Pie
zom
étr
ica
s (m
)
PZ-631
SICESP - Sistema CESP de Segurança de Barragens
JUP - UHE Eng. Souza Dias (Jupiá)Piezômetros - Seção 62+04 m - Período: 01/01/2001 a 31/01/2014
144
Figura 101 – Variação temporal das leituras do Medidor de Nível d’Água 602 no filtro da seção 62+04 m.
Fonte: CESP (2014).
O gráfico do NA-602, representado pela Figura 101 se mostrava com
pequenas variações do nível d’água, mostrando a pequena infiltração da água
no maciço da barragem, entretanto, após meados de 1998 o instrumento
passou a ter leituras muito discrepantes das anteriores, e atualmente se
encontra obstruído pela lama asfáltica que o cobriu, não permitindo mais
leituras.
Os gráficos de piezometria demonstram que não há grandes sinuosidades
no período analisado, possuindo valores próximos de leitura há vários anos.
Tal fato pode estar associado pela posição dos piezômetros, estes sendo a
jusante, após o filtro vertical, possuem influência menor da variação do nível
d’água a montante, assim como das precipitações na região. Além disso, o filtro
se mostra atuante, mesmo com instrumentos possuindo carga a jusante do
mesmo, essa pouco varia anualmente, como demonstrado pela Figura 102, a
qual mostra a variação das leituras do piezômetro 635 em escala ampliada.
265
267
269
271
273
275
277
279
281
283
285
jan-96 jan-97 jan-98 jan-99 jan-00 jan-01 jan-02 jan-03 jan-04 jan-05 jan-06 jan-07 jan-08 jan-09 jan-10 jan-11 jan-12 jan-13 jan-14
Período (anos)
Nív
el D
'águ
a (
m)
NA-602
SICESP - Sistema CESP de Segurança de Barragens
JUP - UHE Eng. Souza Dias (Jupiá)Medidores de Nível D'água - Seção 62+04 m - Período: 01/01/1996 a 31/01/2014
145
Figura 102 – Variação temporal das leituras do piezômetro 635, em escala ampliada.
Fonte: CESP (2014).
Pode-se perceber que a variação de leituras é pequena, entre as cotas
271,1 e 271,4 m, ou seja, em torno de 0,3 m de carga piezométrica,
desconsiderando pontos isolados, provavelmente por leituras errôneas.
Já os piezômetros situados na fundação da barragem, mostraram
resultados próximos dos simulados em computador. A Figura 103 a seguir
ilustra a variação das leituras no piezômetro 627, instalado no maciço de
montante da fundação, e as Figuras 104, 105 e 106 mostram a variação dos
demais (PZ-626, PZ-634, PZ-632), instalados no maciço de jusante da
fundação.
270,5
270,7
270,9
271,1
271,3
271,5
271,7
271,9
jan-01 jan-02 jan-03 jan-04 jan-05 jan-06 jan-07 jan-08 jan-09 jan-10 jan-11 jan-12 jan-13 jan-14
Período (anos)
Cot
as
Pie
zom
étr
ica
s (m
)
PZ-635
SICESP - Sistema CESP de Segurança de Barragens
JUP - UHE Eng. Souza Dias (Jupiá)Piezômetros - Seção 62+04 m - Período: 01/01/2001 a 31/01/2014
146
Figura 103 – Variação temporal das leituras do piezômetro 627 no maciço de fundação a montante da seção 62+04 m.
Fonte: CESP (2014).
Figura 104 – Variação temporal das leituras do piezômetro 626 no maciço de fundação a jusante da seção 62+04 m.
Fonte: CESP (2014).
262
264
266
268
270
272
274
276
jan-01 jan-02 jan-03 jan-04 jan-05 jan-06 jan-07 jan-08 jan-09 jan-10 jan-11 jan-12 jan-13 jan-14
PERÍODO
Cot
as
Pie
zom
étr
ica
s (m
)
PZ-627 [275,60]
SICESP - Sistema CESP de Segurança de Barragens
JUP - UHE Eng. Souza Dias (Jupiá)Piezômetros - Período: 01/01/2001 a 31/01/2014 [Limite de Projeto (m)]
262
264
266
268
270
272
274
276
jan-01 jan-02 jan-03 jan-04 jan-05 jan-06 jan-07 jan-08 jan-09 jan-10 jan-11 jan-12 jan-13 jan-14
PERÍODO
Cot
as
Pie
zom
étr
ica
s (m
)
PZ-626 [274,50]
SICESP - Sistema CESP de Segurança de Barragens
JUP - UHE Eng. Souza Dias (Jupiá)Piezômetros - Período: 01/01/2001 a 31/01/2014 [Limite de Projeto (m)]
147
Figura 105 – Variação temporal das leituras do piezômetro 634 no maciço de fundação a jusante da seção 62+04 m.
Fonte: CESP (2014).
Figura 106 – Variação temporal das leituras do piezômetro 632 no maciço de fundação a jusante da seção 62+04 m.
Fonte: CESP (2014).
Da análise dos gráficos anteriores, percebe-se que, assim como nos
piezômetros instalados no maciço, as leituras dos aparelhos instalados na
fundação variam pouco, com leituras próximas e alguns pontos discrepantes
dos demais, que devem ser descartados. A exceção do PZ-632 (Figura 106),
261
263
265
267
269
271
273
275
jan-01 jan-02 jan-03 jan-04 jan-05 jan-06 jan-07 jan-08 jan-09 jan-10 jan-11 jan-12 jan-13 jan-14
PERÍODO
Cot
as
Pie
zom
étr
ica
s (m
)
PZ-634 [273,50]
SICESP - Sistema CESP de Segurança de Barragens
JUP - UHE Eng. Souza Dias (Jupiá)Piezômetros - Período: 01/01/2001 a 31/01/2014 [Limite de Projeto (m)]
262
264
266
268
270
272
274
276
jan-01 jan-02 jan-03 jan-04 jan-05 jan-06 jan-07 jan-08 jan-09 jan-10 jan-11 jan-12 jan-13 jan-14
PERÍODO
Cot
as
Pie
zom
étr
ica
s (m
)
PZ-632 [272,20]
SICESP - Sistema CESP de Segurança de Barragens
JUP - UHE Eng. Souza Dias (Jupiá)Piezômetros - Período: 01/01/2001 a 31/01/2014 [Limite de Projeto (m)]
148
que após janeiro de 2005 começou a apresentar leituras muito discrepantes
das anteriores, provavelmente por defeitos no aparelho.
Percebe-se, ainda, que a carga piezométrica nos aparelhos à jusante é
próxima da carga registrada no piezômetro de montante, demostrando a baixa
percolação pelo maciço de fundação, bem como o alívio da carga de montante
para jusante.
A Tabela 14 mostra as leituras dos piezômetros pela simulação
computacional e pela média das leituras no período, registradas no SICESP. A
tabela segue a ordem de instalação dos aparelhos na seção.
Tabela 14 – Simulação da carga piezométrica e valores reais da seção em análise.
PZ
Carga Piezométrica
SEEP/W (m)
Carga Piezométrica
Real (m)
627 6,59 8,70
626 4,62 9,17
635 * 3,31
634 3,93 7,99
633 * 4,59
632 3,57 Seco/Obstruído
631 * 1,45
(*) Não possuem carga piezométrica.
Fonte: Dados do próprio autor.
Da análise dos resultados pode ser percebido que a carga piezométrica,
tanto a simulada, quanto a real, tende a diminuir de montante para jusante.
Pela simulação a carga no piezômetro 627, a montante do maciço de fundação,
é de 6,59 m, sendo totalmente aliviada, com o piezômetro 631 não indicando
leitura. Já nas leituras reais, o piezômetro 627 tem carga média de 8,70 m,
sendo aliviada para 1,45 m no piezômetro 631.
149
As Figuras a seguir mostram como a poropressão (Figuras 107 e 108) e a
carga total (Figura 109 e 110) se desenvolvem ao longo da seção.
Figura 107 –. Variação da poropressão no maciço de terra da seção em análise.
Fonte: Dados do próprio autor.
Figura 108 –. Variação dos valores de poropressão no maciço de terra da seção em análise.
Fonte: Dados do próprio autor.
Figura 109 –. Variação da carga total no maciço de terra da seção em análise.
Fonte: Dados do próprio autor.
PZ - 635 PZ - 633 PZ - 631
NA - 602
PZ - 627 PZ - 626PZ - 632PZ - 634
PZ - 635 PZ - 633 PZ - 631
NA - 602
PZ - 627 PZ - 626PZ - 632PZ - 634
0 2 0
40 60 80
100 120
140 160 180
PZ - 635 PZ - 633 PZ - 631
NA - 602
PZ - 627 PZ - 626PZ - 632PZ - 634
150
Figura 110 –. Variação dos valores de carga total no maciço de terra da seção em análise.
Fonte: Dados do próprio autor.
A Figura 108 demonstra como a poropressão é aliviada à medida que se
aproxima da crista e se afasta da montante, assim como a Figura 110
representa o alívio de carga total de montante para jusante.
Com as cargas piezométricas e a posição dos instrumentos, foi possível
calcular e comparar os valores de gradiente hidráulico obtidos em simulação
computacional com os reais. Os resultados obtidos pela simulação no SEEP/W
e os valores reais, são mostrados pela Tabela 15.
Tabela 15 – Valores de gradientes hidráulicos simulados e reais da seção em análise.
PZ Gradiente Hidráulico
SEEP/W
Gradiente Hidráulico Real
627 0,232 *
626 0,033 0,034
635 0,009 0,039
634 0,010 0,028
633 0,010 0,097
632 0,010 Seco/Obstruído
631 0,010 0,138
(*) Valor utilizado como referencial para o cálculo dos demais.
Fonte: Dados do próprio autor.
PZ - 635 PZ - 633 PZ - 631
NA - 602
PZ - 627 PZ - 626PZ - 632PZ - 634
2 4
6
8
10
12
14
151
Foi observado que o gradiente hidráulico real tende a aumentar em direção
à jusante da barragem, diferente da simulação, a qual indicou que o gradiente
tende a diminuir em direção à jusante. Destaca-se o PZ-626, no qual teve seu
valor simulado e real muito próximo e que tanto em simulação quanto na
realidade os valores obtidos de gradiente hidráulicos são baixos. Segundo
dados da CESP, em informações obtidas de Silveira e Cruz em curso sobre
segurança de barragens, realizado na UHE Engenheiro Souza Dias, o valor
aceitável do gradiente hidráulico é menor ou igual a 1,0, o qual enquadra os
valores encontrados, deste modo o risco de surgências e erosões internas são
reduzidos, colocando a barragem em níveis seguros.
5.1.2 Análise de Estabilidade de Taludes
Para efeito de comparação, a Tabela 16 utilizada pelo “U.S. Corps of
Engineer - Design Manual EM - 1110-1-1902 - Stability of Earth and Rockfill
Dams”, demonstra os valores de Fator de Segurança para barragens, em
vários estágios. (ELETROBRÁS, 2003).
Tabela 16 – Valores de Fator de Segurança para várias etapas de uma barragem.
Caso Coeficiente de
Segurança
Resistência ao
Cisalhamento
Observações
Final de
Construção
1,3 (a) Q ou S (b) Taludes Montante e
Jusante
Rebaixamento
Rápido
1,1 a 1,3 (c)
R ou S
Valor mínimo para
solos dilatantes
Valor máximo para
solos que contraem
no cisalhamento
Percolação
Estável
1,5 R ou S Talude Jusante
Análise Sísmica 1,0 R ou S Taludes Montante e
Jusante
152
(a) Para barragens acima de 15 m de altura sobre fundações relativamente fracas, usar fator
de segurança mínimo de 1,4.
(b) Em zonas em que não são antecipadas pressões neutras, usar resistência de ensaios S.
(c) Nos casos em que o rebaixamento ocorre com frequência, considerar o coeficiente 1,3.
Fonte: ELETROBRÁS (2003).
A seguir são apresentados os resultados das simulações na seção 62+04
m, onde os quatro métodos mencionados anteriormente foram utilizados para o
cálculo (Morgenstern-Price, Spencer, Bishop e Janbu).
Considerando inicialmente o método de Morgenstern-Price, o resultado
obtido é ilustrado pelas Figuras 111 e 112.
Figura 111 – Visão geral da seção com o resultado de estabilidade de taludes por Morgenstern-Price.
Fonte: Dados do próprio autor.
Figura 112 – Detalhe da cunha de deslizamento da seção em análise pelo método de Morgenstern-Price.
Fonte: Dados do próprio autor.
1,616
Elevação
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
Dis
tânc
ia
-10
-5
0
5
10
15
20
25
153
Pela análise do resultado anterior percebe-se que o talude, pelo método de
Morgenstern-Price encontra-se seguro com fator de segurança (FS) de 1,616,
ou seja, não há risco quanto ao escorregamento do talude.
As Figuras 113 e 114 mostram os resultados das simulações pelo método
de Spencer.
Figura 113 – Visão geral da seção com o resultado de estabilidade de taludes por Spencer.
Fonte: Dados do próprio autor.
Figura 114 – Detalhe da cunha de deslizamento da seção em análise pelo método de Spencer.
Fonte: Dados do próprio autor.
Do resultado da análise computacional, o método de Spencer, apresentou o
maior Fator de Segurança (1,691), em comparação aos demais métodos
utilizados, colocando o talude em um elevado nível de segurança.
1,691
Elevação
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
Dis
tân
cia
-10
-5
0
5
10
15
20
25
154
A seguir é demonstrado o resultado da simulação pelo método de Bishop
(Figuras 115 e 116).
Figura 115 – Visão geral da seção com o resultado de estabilidade de taludes por Bishop.
Fonte: Dados do próprio autor.
Figura 116 – Detalhe da cunha de deslizamento da seção em análise pelo método de Bishop.
Fonte: Dados do próprio autor.
Do resultado da seção em análise, pelo método de Bishop, o talude
encontra-se com fator de segurança (FS) de 1,665 sendo intermediário aos
Fatores de segurança obtidos pelo método de Morgenstern-Price e Spencer,
colocando o talude em um bom nível de segurança.
1,665
Elevação
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
Dis
tânc
ia
-10
-5
0
5
10
15
20
25
155
A seguir é demonstrado o resultado da simulação pelo método de Janbu
(Figuras 117 e 118).
Figura 117 – Visão geral da seção com o resultado de estabilidade de taludes por Janbu.
Fonte: Dados do próprio autor.
Figura 118 – Detalhe da cunha de deslizamento da seção em análise pelo método de Janbu.
Fonte: Dados do próprio autor.
Foi possível perceber, pela análise da Figura 118, que pelo método de
Janbu o FS caiu consideravelmente, em comparação aos simulados
anteriormente, para 1,533, mas ainda demonstra que o talude se encontra em
um nível seguro.
Como mostrado pela Tabela 16 anterior, o valor mais crítico obtido por
simulação (1,533), cumpre todos os fatores de segurança, inclusive o de
percolação estável (1,5) demostrando a robustez do talude e este, mesmo após
40 anos da inauguração, continua cumprindo sua função, com elevada
estabilidade.
1,533
Elevação
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
Dis
tânc
ia
-10
-5
0
5
10
15
20
25
156
Uma das lamelas (fatias) utilizadas pelo método de Janbu, o qual gerou o
menor fator de segurança, é ilustrado pela Figura 119.
Figura 119 – Exemplo de uma das lamelas com os vetores utilizados para o cálculo computacional pelo método Janbu.
Fonte: Dados do próprio autor.
5.2 Seção 84+15 m
5.2.1 Análise de Percolação
Os resultados da percolação pela Seção 84+15 m são apresentados a
seguir, considerando inicialmente a percolação somente pelo maciço de terra
da barragem (Figura 120), e posteriormente considerando a percolação
também pelo maciço de fundação (Figura 121). As Figuras 120 e 121, retiradas
do software GeoStudio, estão com as escalas horizontal e vertical diferentes
das originais, para facilitar sua impressão. .
157
Figura 120 – Resultado da simulação computacional considerando a percolação somente pelo maciço de terra a montante da seção 84+15 m.
Fonte: Dados do próprio autor.
Figura 121 – Resultado da simulação computacional considerando a percolação pelo maciço de montante e de fundação da seção 62+04 m.
Fonte: Dados do próprio autor.
Pelas simulações anteriores, foi percebido que, assim como na seção
62+04 m, toda água que percolou no maciço foi atraída pelo filtro vertical e em
seguida pelo horizontal (Figura 120), assim como a água que percolou pelo
solo de fundação foi toda conduzida pelo filtro horizontal (Figura 121).
Nas duas simulações anteriores, o maciço situado à jusante da seção
analisada permaneceu acima da linha freática (linha em azul nas ilustrações
anteriores), ou seja, os piezômetros situados no maciço de jusante (PZ-616,
PZ-620 e PZ-621) e o medidor de nível d’água (NA-603) não deveriam possuir
leituras, entretanto há um histórico de leituras desses aparelhos, como ilustrado
pelas Figuras 122 a 125. .
PZ - 617
NA - 603
PZ - 616
PZ - 615 PZ - 614
PZ - 620 PZ - 621
PZ - 622PZ - 618
PZ - 617
NA - 603
PZ - 616
PZ - 615 PZ - 614
PZ - 620 PZ - 621
PZ - 622PZ - 618
158
Figura 122 – Variação temporal das leituras do medidor de nível d’água 603 no maciço de jusante da seção 84+15 m.
Fonte: CESP (2014).
Figura 123 – Variação temporal das leituras do piezômetro 616 no maciço de jusante da seção 84+15 m.
Fonte: CESP (2014).
261
263
265
267
269
271
273
275
jan-01 jan-02 jan-03 jan-04 jan-05 jan-06 jan-07 jan-08 jan-09 jan-10 jan-11 jan-12 jan-13 jan-14
Período (anos)
Nív
el D
'águ
a (
m)
NA-603
SICESP - Sistema CESP de Segurança de Barragens
JUP - UHE Eng. Souza Dias (Jupiá)Medidores de Nível D'água - Seção 84+15 m - Período: 01/01/2001 a 31/01/2014
262
264
266
268
270
272
274
276
jan-01 jan-02 jan-03 jan-04 jan-05 jan-06 jan-07 jan-08 jan-09 jan-10 jan-11 jan-12 jan-13 jan-14
Período (anos)
Cot
as
Pie
zom
étr
ica
s (m
)
PZ-616
SICESP - Sistema CESP de Segurança de Barragens
JUP - UHE Eng. Souza Dias (Jupiá)Piezômetros - Seção 84+15 m - Período: 01/01/2001 a 31/01/2014
159
Figura 124 – Variação temporal das leituras do piezômetro 620 no maciço de jusante da seção 84+15 m.
Fonte: CESP (2014).
Figura 125 – Variação temporal das leituras do piezômetro 621 no maciço de jusante da seção 84+15 m.
Fonte: CESP (2014).
O primeiro gráfico (NA-603) (Figura 122) apresentava pequenas variações
de leituras mensais, com exceção de algumas leituras discrepantes,
demostrando a pequena percolação de água no interior do maciço da
barragem, até janeiro de 1998, desde então o aparelho se encontra obstruído,
sem possuir leituras.
264
266
268
270
272
274
276
278
jan-01 jan-02 jan-03 jan-04 jan-05 jan-06 jan-07 jan-08 jan-09 jan-10 jan-11 jan-12 jan-13 jan-14
Período (anos)
Cot
as
Pie
zom
étr
ica
s (m
)
PZ-620
SICESP - Sistema CESP de Segurança de Barragens
JUP - UHE Eng. Souza Dias (Jupiá)Piezômetros - Seção 84+15 - Período: 01/01/2001 a 31/01/2014
262
264
266
268
270
272
274
276
jan-01 jan-02 jan-03 jan-04 jan-05 jan-06 jan-07 jan-08 jan-09 jan-10 jan-11 jan-12 jan-13 jan-14
Período (anos)
Cot
as
Pie
zom
étr
ica
s (m
)
PZ-621
SICESP - Sistema CESP de Segurança de Barragens
JUP - UHE Eng. Souza Dias (Jupiá)Piezômetros - Seção 84+15 m - Período: 01/01/2001 a 31/01/2014
160
A análise das leituras do piezômetro 616 (Figura 123) demostra que há
pouca variação das mesmas, com valores próximos há vários anos, como
demonstrado pela Figura 126.
Figura 126 – Variação temporal das leituras do piezômetro 616 no maciço de jusante da seção 84+15 m em escala ampliada.
Fonte: CESP (2014).
Pode-se perceber que as leituras variam em torno de 0,5 m durante o ano,
com exceção de alguns pontos isolados, provavelmente por leituras erradas,
mostrando a pequena percolação de água no interior do maciço à jusante da
barragem.
Essa pequena variação pode ser relacionada à posição dos instrumentos,
situados no maciço de jusante, após o filtro vertical, com isso sofrem menor
influência a variação do nível d’água a montante, demonstrando a atuação do
filtro.
O piezômetro 620 (Figura 124) apresentou poucas leituras no período
analisado, mas que se mostravam coerentes até meados de 2009, quando
passou a ter leituras próximas, mas muito discrepantes dos anos anteriores.
Assim como o piezômetro 621 (Figura 125), que também apresentou poucas
leituras, mas se mostraram muito incoerentes com as anteriores. Seria
268
268,5
269
269,5
270
270,5
271
271,5
jan-01 jan-02 jan-03 jan-04 jan-05 jan-06 jan-07 jan-08 jan-09 jan-10 jan-11 jan-12 jan-13 jan-14
Período (anos)
Cot
as
Pie
zom
étr
ica
s (m
)
PZ-616
SICESP - Sistema CESP de Segurança de Barragens
JUP - UHE Eng. Souza Dias (Jupiá)Piezômetros - Seção 84+15 m - Período: 01/01/2001 a 31/01/2014
161
interessante que ambos passassem por um teste de tempo de resposta e se
necessário calibrá-los.
A seguir são mostrados os gráficos de piezometria dos instrumentos
instalados no maciço de fundação a montante (PZ-617) (Figura 127) e no
maciço de fundação à jusante (PZ-615, PZ-614, PZ-622 e PZ-618) (Figuras
128, 129, 130 e 131) da seção analisada.
Figura 127 – Variação temporal das leituras do piezômetro 617 no maciço de montante na fundação da seção 84+15 m.
Fonte: CESP (2014).
Figura 128 – Variação temporal das leituras do piezômetro 615 no maciço de jusante na fundação da seção 84+15 m.
Fonte: CESP (2014).
264
266
268
270
272
274
276
278
jan-01 jan-02 jan-03 jan-04 jan-05 jan-06 jan-07 jan-08 jan-09 jan-10 jan-11 jan-12 jan-13 jan-14
Período (anos)
Cot
as
Pie
zom
étr
ica
s (m
)
PZ-617 [274,00]
SICESP - Sistema CESP de Segurança de Barragens
JUP - UHE Eng. Souza Dias (Jupiá)Piezômetros - Seção 84+15 m - Período: 01/01/2001 a 31/01/2014 [Limite de Projeto (m)]
262
264
266
268
270
272
274
276
jan-01 jan-02 jan-03 jan-04 jan-05 jan-06 jan-07 jan-08 jan-09 jan-10 jan-11 jan-12 jan-13 jan-14
Período (anos)
Cot
as
Pie
zom
étr
ica
s (m
)
PZ-615 [272,40]
SICESP - Sistema CESP de Segurança de Barragens
JUP - UHE Eng. Souza Dias (Jupiá)Piezômetros - Seção 84+15 m - Período: 01/01/2001 a 31/01/2014 [Limite de Projeto (m)]
162
Figura 129 – Variação temporal das leituras do piezômetro 614 no maciço de jusante na fundação da seção 84+15 m.
Fonte: CESP (2014).
Figura 130 – Variação temporal das leituras do piezômetro 622 no maciço de jusante na fundação da seção 84+15 m.
Fonte: CESP (2014).
260
262
264
266
268
270
272
274
jan-01 jan-02 jan-03 jan-04 jan-05 jan-06 jan-07 jan-08 jan-09 jan-10 jan-11 jan-12 jan-13 jan-14
Período (anos)
Cot
as
Pie
zom
étr
ica
s (m
)
PZ-614 [271,40]
SICESP - Sistema CESP de Segurança de Barragens
JUP - UHE Eng. Souza Dias (Jupiá)Piezômetros - Seção 84+15 m - Período: 01/01/2001 a 31/01/2014 [Limite de Projeto (m)]
255
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261
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267
269
jan-01 jan-02 jan-03 jan-04 jan-05 jan-06 jan-07 jan-08 jan-09 jan-10 jan-11 jan-12 jan-13 jan-14
Período (anos)
Cot
as
Pie
zom
étr
ica
s (m
)
PZ-622
SICESP - Sistema CESP de Segurança de Barragens
JUP - UHE Eng. Souza Dias (Jupiá)Piezômetros - Seção 84+15 m - Período: 01/01/2001 a 31/01/2014
163
Figura 131 – Variação temporal das leituras do piezômetro 618 no maciço de jusante na fundação da seção 84+15 m.
Fonte: CESP (2014).
Figura 132 – Variação temporal das leituras do piezômetro 614 no maciço de jusante na fundação da seção 84+15 m em escala ampliada.
Fonte: CESP (2014).
Analisando os gráficos anteriores foi possível perceber que as leituras dos
aparelhos instalados na fundação sofreram poucas variações, como mostrado
pela Figura 132, onde as leituras variaram em torno de 0,5 m, com alguns
pontos discrepantes, provavelmente por leituras errôneas, de modo parecido
com os aparelhos instalados acima da fundação.·
257
259
261
263
265
267
269
271
jan-04 jan-05 jan-06 jan-07 jan-08 jan-09 jan-10 jan-11 jan-12 jan-13 jan-14
Período (anos)
Cot
as
Pie
zom
étr
ica
s (m
)
PZ-618 [270,00]
SICESP - Sistema CESP de Segurança de Barragens
JUP - UHE Eng. Souza Dias (Jupiá)Piezômetros - Seção 84+15 m - Período: 01/01/2004 a 31/01/2014 [Limite de Projeto (m)]
267
267,3
267,6
267,9
268,2
268,5
jan-01 jan-02 jan-03 jan-04 jan-05 jan-06 jan-07 jan-08 jan-09 jan-10 jan-11 jan-12 jan-13 jan-14
Período (anos)
Cot
as
Pie
zom
étr
ica
s (m
)
PZ-614 [271,40]
SICESP - Sistema CESP de Segurança de Barragens
JUP - UHE Eng. Souza Dias (Jupiá)Piezômetros - Seção 84+15 m - Período: 01/01/2001 a 31/01/2014 [Limite de Projeto (m)]
164
Foi possível perceber, também, que a carga piezométrica dos aparelhos da
fundação apresentaram valores próximos, o que mostra, mais uma vez, a
pequena permeabilidade do maciço e atuação dos filtros.
A Tabela 17 mostra as leituras dos piezômetros pela simulação
computacional e pela média das leituras no período, registradas no SICESP.
Tabela 17 – Simulação da carga piezométrica e valores reais da seção em análise.
PZ
Carga Piezométrica
SEEP/W (m)
Carga Piezométrica
Real (m)
617 8,88 9,08
616 * 1,07
615 6,97 8,84
614 5,61 7,27
620 * 0,61
622 4,07 1,57
618 4,07 3,12
621 * 0,56
(*) Não possuem carga piezométrica
Fonte: Dados do próprio autor.
Pelos resultados da Tabela 17, pode-se perceber que a carga piezométrica
tende a diminuir de montante para jusante, tanto em simulação, onde a carga é
totalmente aliviada, quanto na média dos valores reais, onde a carga é aliviada
de 9,08 m no piezômetro no maciço de fundação a montante, para 0,56 m no
maciço de fundação a jusante. Destaca-se a proximidade dos valores
simulados com os reais, principalmente nos PZ’s 620 e 621, os quais, segundo
a simulação, não deveriam possuir carga e na realidade possuem uma carga
muito baixa, próxima de zero. O alívio da poropressão é ilustrado pelas Figuras
133 e 134, bem como da carga total pelas Figuras 135 e 136.
165
Figura 133 –. Variação da poropressão no maciço de terra da seção em análise.
Fonte: Dados do próprio autor.
Figura 134 –. Variação dos valores de poropressão no maciço de terra da seção em análise.
Fonte: Dados do próprio autor.
Figura 135 –. Variação da carga total no maciço de terra da seção em análise.
Fonte: Dados do próprio autor.
PZ - 617
NA - 603
PZ - 616
PZ - 615 PZ - 614
PZ - 620 PZ - 621
PZ - 622PZ - 618
PZ - 617
NA - 603
PZ - 616
PZ - 615 PZ - 614
PZ - 620 PZ - 621
PZ - 622PZ - 618
0 20 40 60 80
100 120
140 160 180
PZ - 617
NA - 603
PZ - 616
PZ - 615 PZ - 614
PZ - 620 PZ - 621
PZ - 622PZ - 618
166
Figura 136 –. Variação dos valores de carga total no maciço de terra da seção em análise.
Fonte: Dados do próprio autor.
Foi percebido pela análise da Figura 134, que a poropressão é aliviada à
medida que se aproxima da crista e se afasta da montante, assim como a
Figura 136 ilustra o alívio de carga total de montante para jusante, tal como
demonstrado pelos valores de piezometria da Tabela 17.
De posse das cargas piezométricas e da posição dos instrumentos, foi
possível calcular e comparar os valores de gradiente hidráulico obtidos em
simulação computacional com os reais. Os resultados obtidos pela simulação
no SEEP/W e os valores reais, são demonstrados pela Tabela18.
Tabela 18 – Valores de gradientes hidráulicos simulados e reais da seção em análise.
PZ
Gradiente Hidráulico
SEEP/W
Gradiente Hidráulico
Real
617 0,180 *
616 0,002 0,556
615 0,156 0,017
614 0,125 0,071
620 0,003 0,300
622 0,003 0,203
618 0,118 0,161
621 0,118 0,230
(*) Valor utilizado como referencial para o cálculo dos demais.
Fonte: Dados do próprio autor.
PZ - 617
NA - 603
PZ - 616
PZ - 615 PZ - 614
PZ - 620 PZ - 621
PZ - 622PZ - 618
0 2
4 6
8
10
12
14
0 sec
167
Percebe-se, pela simulação, que o gradiente hidráulico simulado tende a
diminuir à medida que se afasta da montante, diferentemente do gradiente real
que variou consideravelmente em direção à jusante. Destaca-se que os valores
reais distanciaram significativamente dos simulados, como por exemplo, o
gradiente real do PZ-616 foi em torno de 280 vezes a mais que o simulado,
bem como o PZ-615 possui gradiente simulado em torno de 9 vezes maior que
o real, e tais discrepâncias se repetem nos demais piezômetros. Tal fato pode
estar associado a grande variação de carga piezométrica, pois a carga dos
piezômetros, principalmente após o filtro, é próxima de zero, como o
piezômetro adotado como referencial possui carga relativamente alta em
comparação aos demais, a variação piezométrica torna-se alta, elevando,
assim, o gradiente hidráulico e demonstrando uma maior percolação no maciço
de terra da barragem.
Mesmo com o aumento dos valores, estes se mostram seguros, como
mencionado anteriormente na análise da seção 62+04 m, abaixo de 1,0, valor
crítico recomendado por Silveira e Cruz. Entretanto deve-se manter uma rotina
de inspeções e verificações dos valores de gradiente, lembrando que já houve
surgências à jusante da barragem de terra na UHE Jupiá, de tal modo que não
volte a ocorrer, o que poderia levar a consequências piores como erosões
internas.
No anexo C se encontra uma ilustração da variação dos gradientes das
estacas 33+00 m a 75+00 m, da margem esquerda, fornecida pela CESP.
168
5.2.2 Análise de Estabilidade de Taludes
A seguir são apresentados os resultados das simulações na seção 82+15
m, considerando os mesmos critérios de análise adotados na seção anterior.
Iniciando pelo método de Morgenstern-Price, os resultados são
demonstrados pelas Figuras 137 e 138.
Figura 137 – Visão geral da seção com o resultado de estabilidade de taludes por Morgenstern-Price.
Fonte: Dados do próprio autor.
Figura 138 – Detalhe da cunha de deslizamento da seção em análise pelo método de Morgenstern-Price.
Fonte: Dados do próprio autor.
1,559
Distância
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
Ele
vaçã
o
-4
1
6
11
16
21
169
Pela análise dos resultados anteriores, o método de Morgenstern-Price
demonstrou um Fator de Segurança de 1,559, menor que o resultado obtido
pelo mesmo método na seção 62+04, entretanto o talude se mostra seguro.
Os próximos resultados referem-se ao método Spencer (Figuras 139 e 140).
Figura 139 – Visão geral da seção com o resultado de estabilidade de taludes por Spencer.
Fonte: Dados do próprio autor.
Figura 140 – Detalhe da cunha de deslizamento da seção em análise pelo método de Spencer.
Fonte: Dados do próprio autor.
Pelo método de Spencer, o valor obtido (1,558) se mostra muito próximo ao
do simulado pelo método Morgenstern-Price (1,559), ambos colocam o talude
em análise em um nível seguro.
1,558
Distância
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
Ele
vaçã
o
-4
1
6
11
16
21
170
A análise a seguir mostra os resultados obtidos pelo método Bishop
(Figuras 141 e 142).
Figura 141 – Visão geral da seção com o resultado de estabilidade de taludes por Bishop.
Fonte: Dados do próprio autor.
Figura 142 – Detalhe da cunha de deslizamento da seção em análise pelo método de Bishop.
Fonte: Dados do próprio autor.
O método de Bishop apresentou o maior Fator de Segurança (1,56) dentro
os analisados, no entanto, pouco diferiu dos analisados anteriormente (1,559 e
1,558). As três simulações apresentaram praticamente o mesmo valor e este
se mostrou suficiente para seção em análise.
O método de Janbu apresentou os resultados ilustrados a seguir (Figuras
143 e 144).
1,560
Distância
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
Ele
vaçã
o
-4
1
6
11
16
21
171
Figura 143 – Visão geral da seção com o resultado de estabilidade de taludes por Janbu.
Fonte: Dados do próprio autor.
Figura 144 – Detalhe da cunha de deslizamento da seção em análise pelo método de Janbu.
Fonte: Dados do próprio autor.
O método de Janbu, assim como na seção anterior, apresentou um valor
muito abaixo dos demais.
Como mostrado pela Tabela 16, o maior valor exigido como fator de
segurança é 1,5, sendo que, por 3 métodos tal valor foi ultrapassado, com
exceção do último (Janbu) onde o valor obtido de 1,465 ficou aquém da
exigência, não cumprindo o Fator de Segurança de Percolação Estável. No
entanto não se pode afirmar que o talude corre risco, devido à estabilidade
demostrada ao longo de 40 anos e confirmada pelas análises de três diferentes
métodos. Entretanto uma rotina de observações e manutenções se mostra
interessante devido à própria idade e o desgaste intrínseco a ela, além da
própria simulação computacional, pois esta não considerou o desgaste natural,
1,465
Distância
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
Ele
vaçã
o
-4
1
6
11
16
21
172
supôs um talude recém-inaugurado, tais fatores levam a ficar atento quanto às
condições reais da seção.
Uma das lamelas (fatias) utilizadas pelo método de Janbu, o qual gerou o
menor fator de segurança, é ilustrado pela Figura 145.
Figura 145 – Exemplo de uma das lamelas com os vetores utilizados para o cálculo computacional pelo método Janbu.
Fonte: Dados do próprio autor.
6 CONCLUSÕES
Da análise dos gráficos de piezometria notou-se a proximidade dos valores
de carga piezométrica, com pequenas variações ao longo do tempo,
demonstrando a pequena permeabilidade no maciço da barragem.
Os resultados obtidos por meio de simulação do software SEEP/W diferiram
dos reais, com proximidade dos mesmos quando situados no maciço de
fundação, em ambas as seções. Pode-se concluir que a simulação
computacional interpreta que após o filtro chaminé não há percolação de água,
e quando essa ocorre pela fundação é canalizada pelo tapete drenante, ou
seja, não existiria água no maciço a jusante da barragem, entretanto os
gráficos de piezometria mostraram o contrário. Tal fato mostra a importância do
projeto e execução dos filtros e tapetes drenantes em barragens de terra e
173
enrocamento, com diferentes granulometrias e espessuras, visando diminuir a
permeabilidade e drenar a água que penetra no maciço e na fundação da
barragem, para que desse modo não ocorram elevados gradientes hidráulicos,
que poderiam colocar em risco a estrutura da barragem.
Os gradientes hidráulicos mostram-se baixos, tanto na simulação, quanto
na realidade, mostrando que, mesmo onde não deveria haver percolação de
água segundo a simulação, quando essa ocorre em baixos gradientes, o risco
de surgências e/ou erosões internas (piping) são muito baixas, mantendo a
barragem em níveis seguros.
Deve-se também levar em conta o fato de que a UHE Engenheiro Souza
Dias foi inaugurada no final da década de 1960, época em que o conhecimento
geológico/geotécnico e as técnicas utilizadas eram limitados em relação às
técnicas atuais, reflete hoje em resultados diferentes dos simulados em
computador, além disso, o software utilizado é uma versão estudantil, que
limita as análises em 500 elementos finitos e somente 3 materiais para simular
a percolação em uma barragem muito mais complexa do que a simulação pode
oferecer.
Os resultados obtidos por simulação do software SLOPE/W sobre a
estabilidade dos taludes das seções analisadas, mostraram-se satisfatórios,
principalmente da seção 62+04 m, onde o menor valor obtido de Fator de
Segurança passou em todos os quesitos. Já na estaca 84+15 m o menor Fator
de Segurança obtido ficou abaixo do maior exigido, no entanto não se pode
afirmar que o talude está em risco, pois se mostra confiável há 40 anos,
entretanto deve-se manter uma rotina de observações e de possíveis
manutenções na seção, devido à própria idade da barragem acompanhada de
seu desgaste natural.
Em particular, a seção 84+15 m demonstrou resultados de percolação e de
estabilidade de taludes satisfatórios, mas inferiores aos obtidos na seção
62+04 m, o que leva a ter maior atenção às suas condições de manutenção, de
modo que não coloquem em risco outras seções, que se apresentam em
melhores condições.
174
O uso de instrumentos se mostra fundamental para acompanhar as
condições da barragem, não somente para mostrar aos visitantes ou
responsáveis da Agência Nacional de Águas (ANA) ou Agência Nacional de
Energia Elétrica (ANEEL), mas sim para fornecer os dados, sem os quais não
se teria condição alguma de monitorar e corrigir possíveis falhas na barragem.
Voltando à citação de Mr Stanley Wilson nas conclusões desse
trabalho, destaca-se que ele mencionou em curso realizado em Ilha
Solteira, em 1975, o caso de uma barragem de terra na Califórnia que
havia rompido, aparentemente, sem aviso prévio. Quando, então,
alguém se lembrou de que a mesma estava instrumentada e quando
analisaram os dados mais recentes, constataram que havia sinais de
uma anomalia no comportamento da barragem. Mas, então, já era
tarde (SILVEIRA, 2013, p.11).
175
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178
ANEXO A
179
Figura 146 – Seção 62+04 m com o posicionamento dos instrumentos
Fonte: CESP (2010).
180
ANEXO B
181
Figura 147 – Seção 84+15 m com o posicionamento dos instrumentos
Fonte: CESP (2010).
182
ANEXO C
183
Figura 148 – Níveis piezométricos da margem esquerda estacas 36 a 75
Fonte: CESP (2010).