XIII SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS

RIO DE JANEIRO

ABRIL 1980

APROVEITAMENTO HIDRELETRICO DE ITAIPU

INSTRUMENTAcAO DAS ENSECADEIRAS PRINCIPAIS

TEMA III

Geo19 Adilson Luiz Barbi

Divisao de Geologia , Mecanica de

Rochas e Instrumentacao

Eng9 Evangelista Caetano Porto

Setor de Instrumentacao

Itaipu Binacional

597

R E S U M 0

0 nucleo das ensecadeiras principais da Usina de

Itaipu, construido atraves de langamento de argila em agua de

ate 50 metros de profundidade, foi instrumentado o mais cedo

possivel, visando controlar o seu comportamento juntamente com

o inicio do carregamento da argila submersa.

Deste modo conseguiu-se caracterizar toda a fase

inicial de deformacao plastica e definir a existencia de bol

soes de material em estado inconsistente em alguns niveis do

macigo.

Muitos problemas foram encontrados na instalacao

dos piezometros como consequencia da condicao do material argi

loso langado em agua.

Neste trabalho procuram - se mostrar o plano de

instrumentacao elaborado , as dificuldades na sua execugao e os

resultados obtidos na fase de construcao do aterro.

599

.M..M,.1+ I I I , I , t ,, T„ 'P till "

INSTRUMENTAcAO DAS ENSECADEIRAS PRINCIPAIS

DA USINA DE ITAIPU

1. INTRODUQAO

A instrumentacao instalada nas ensecadeiras prin

cipais da Usina de Itaipu teve um desempenho muito importan

to no controle daquelas estruturas, ao longo do periodo

construtivo.

A inexistencia de obras identicas no porte que

pudessem ser assumidas como padrao de comportamento, imps

a esta instrumentagao um carter pioneiro. A instalacao dos

instrumentos, apesar de dificultosa permitiu obter resulta

dos durante a fase inicial de carregamento do nu'cleo cons

truido com argila submersa. A analise dos resultados e as

inspeg6es de campo se tornaram uma rotina diaria como meio

de prever com antecedencia qualquer indicio de problema

mais serio nestas estruturas.

0 objetivo deste trabalho e divulgar as diversas

fases de pesquisas e instrumentacao, bem como os resultados

obtidos durante a construcao das ensecadeiras . Embora o tem

po de observacao nao seja grande , os dados ate agora levan

tados ja permitem extrapolar o comportamento do macigo argi

loso.

2. PLANO DE INSTRUMENTAQAO

0 projeto de instrumentagao foi elaborado visando

a obtencao de dados simultaneamente com a construgao objeti

vando orientar o andamento dos servigos durante a sua execu

gao. Basicamente propunha:

- acompanhar o comportamento da rocha de fundacao, supos

to altamente permeavel pelos resultados das primeiras inves

tigacoes efetuadas em campanhas anteriores.

- investigar o desenvolvimento de presses neutras em di

versos niveis do nucleo de argila.

- medir a deformacao total em pianos verticais paralelos

e transversais ao ei.xo da estrutura.

6oi

Posteriormente, este ultimo item foi complementa

do pela instalacao de marcos superficiais para possibilitar

a deteccao de recalques diferenciais que pudessem originar

trincas transversais.

As figuras 1 e 2 mostram os planos finais confor

me proposto para as ensecadeiras de montante e jusante, e

as secoes tipicas instrumentadas.

Foram utilizados unicamente instrumentos disponT

veis ou fabricados na obra, ou sejam:

- celulas Geonor de Gorda vibrante, tipo M-600, com capa

cidade de 10 kg/cm2 e leitura com contador digital;

- piezometros de tubo, com o bulbo protegido por duas ca

madas de " Bidim";

- medidores de recalque de placa unica, com leitura fei

to por topografia de precisao. Alguns destes foram construT

dos acoplados a piezometros;

- marcos superficiais de recalque, construidos de concre

to e nivelados topograficamente.

3, INSTRUMENTAQAO DE FUNDAcAO

3.1, CARACTERISTICAS DO TOPO ROCHOSO

Os dados disponiveis sobre a fundacao da rocha

abaixo do nucleo de argila, se restringiam aqueles ob

tidos a partir de sondagens realizadas na fase inicial

da obra e executadas sobre flutuador ancorado.

As grandes e bruscas variacoes do nivel do rio,

alta velocidade da agua com profundidade de atg 70 me

tros e a neblina constante no local dificultavam a lo

cacao topografica dos furos e geravam problemas que se

refletiam na qualidade das amostras e dos ensaios de

perda d'agua.

Consequentemente, os valores assumidos para a fa

se inicial dos trabalhos foram bastante pessimistas, a

tribuindo a rocha qualidades inferiores, tanto em ter

mos de fraturamento como de permeabilidade.

As principais preocupag6es com respeito as funda

toes do nucleo argiloso eram:

- existencia de fraturamento continuo e paralelo

602

ao fluxo, As sondagens , conforme citado acima, mostra

vam intenso fraturamento sub-horizontal em ambas as en

secadeiras , e localmente , pontos de elevada permeabili

dade, Na ensecadeira de jusante , a situagio se agrava

va, tendo em vista a proximidade entre o topo rochoso

e o contato do derrame subjacente, sabidamente aberto

e permeavel.

- linhas continuas de blocos soltos ( matacoes)

no sentido do fluxo no removidos nos trabalhos de lim

peza, e que pudessem constituir linhas de percolacao.

- taludes negativos ao longo da parede quase sem

pre abrupta do canal do rio, e que, se continuos,colo

cariam em contato os lados montante e jusante do nu

cleo.

- bancos de areia ou cascalho em area tal que pu

desse definir um piano de percolacao.

Os trabalhos de limpeza da fundacao foram inicia

dos logo ap6s o fechamento dos diques de rocha e pi

longaram - se ate se ter garantido um contato adequado

do nucleo com a fundagao rochosa.

Nesta fase foram muito uteis as informacoes dos

mergulhadores e circuito fechado de televisao, no au

xilio dos trabalhos de interpretacao dos registros do

"Side Scan Sonar".

A eficiencia dos trabalhos de limpeza foi compro

vada em fases posteriores , atraves de pesquisas em fu

ros de sondagens executados com o objetivo de verifi

car a necessidade de tratamento da fundacao. As amos

tras coletadas mostraram claramente a diferenga entre

o topo rochoso nos locais com e sem limpeza, pela au

sencia de material solto , seja, areia ou matacoes.

Ensaios de perda d'agua, realizados agora em con

dig6es melhores , mostraram que a rocha era na verdade

mais estanque , com K variavel entre 10-3 e 10 -4 cm/seg,

e as fraturas quasi sempre preenchidas por material

concrecionado.

A comprovacao da estanqueidade da fundacao pode

ser melhor caracterizada durante o esgotamento do re

603

cinto. Nesta fase foi programado uma paralisacao do

bombeamento na el. 85 de modo a permitir o calculo

da vazao total de infiltracao, baseado nas medidas

de recuperagao do nivel d'agua no recinto.

0 resultado indicou uma vazao de 1,0 m3/min para

uma carga hidraulica de 15,0 m, a qual engloba tanto

as infiltracoes pelas ensecadeiras, como tambem a con

tribuicao lateral dos aquiferos que afloram no vale do

rio,

Estes dados praticamente definiram a eliminagao

da extensa cortina de injegao, a qual, se necessaria,

acarretaria enormes problemas executivos, com possibi

lidade de comprometer seriamente o cronograma da obra.

3.2. INSTRUMENTOS INSTALADOS E PRIMEIROS RESULTADOS

A instrumentacao para acompanhamento das pres

s6es no contato argila/rocha foi instalada em duas se

toes na ensecadeira de montante (est. 2 + 55 e 4 + 09)

e numa na de jusante (est. 2 + 50), Em cada secao fo

ram instalados quatro piezometros, sendo duas celulas

Geonor e dois piezometros de tubo, instalados aos pa

res de modo a permitir a comparagaoentre os resultados.

0 comportamento destes piezometros, mostrados

nas figuras 3 e 4, caracteriza a dissipagao da sub

pressao em direcao ao trecho ensecado, refletindo per

da de carga quase que total ao longo da fundacao.

As infiltracoes medidas dentro do recinto enseca

do mostram valores em torno de 400 f/min, tanto para a

ensecadeira de montante como para a de jusante.

Estes dados caracterizam a importancia da rigi

dez observada nos criterios de limpeza do topo rocho

so, como o fator principal pelo excelente resultado

obtido.

As fraturas superficiais da rocha possivelmente

continuam sendo obstruidas pelo material langado, me

lhorando ainda mais sua estanqueidade com o passar do

tempo.

4. INSTRUMENTACAO DO ATERRO

604

4.1. INVESTIGACOES GEOTECNICAS

Durante a fase de construcao, o aterro de argila

submerso foi acompanhado por investigacoes de campo e

ensaios de laboratorio . Os trabalhos de campo foram

iniciados numa fase preliminar durante a construgao do

aterro experimental , utilizando o equipamento DEEPSOUN

DING para medida da variacao de resistencia do materi

al com a profundidade. Os resultados deste primeiro

teste nao foram consistentes tendo em vista principal

mente a baixa resistencia do material e pequena sensibi

lidade do aparelho utilizado.

Ja na fase de construcao, as caracteristicas geo

tecnicas do nucleo de argila lancado sob agua foram a

companhadas por ensaios de resistencia a penetragao

(SPT) e retirada de amostras indeformadas em diversas

profundidades, atraves de cravagao de tubos "shelby".

As amostras extraidas, de uma ou outra forma, foram en

viadas para ensaio de laboratorio Posteriormente os

ensaios SPT foram suspensos e intensificaram-se os tra

bathos de retirada de amostras indeformadas do aterro,

tambe"m utilizadas para determinacao dos teores de umi

dade da argila. Os demais resultados dos ensaios exe

cutados no aterro sao relatados em outro trabalho apre

sentado neste Congresso.

4.2. DISPOSIQAO DOS INSTRUMENTOS E DIFICULDADES DE INSTALAQAO

Para medir a pressao neutra do nucleo de argila

foram instaladas celulas eletricas e piez6metros de

tubo ao longo do seu eixo, conforme mostrado nas secoes

tipicas das figuras 1 e 2.

Os trabalhos de instaladao foram marcados por

uma serie de particularidades e dificuldades raramente

enfrentadas em instaladao convencional, resultantes

das caracteristicas do material do aterro Assim, pode

mos citar:

- dificuldades de perfuragao do aterro em estado

aaramente pla"stico e as vezes fluido, geralmente sub

metido a presses neutras elevadas. Estes fatos condi

cionavam o refluxo da argila para dentro do revestimen

to, o que, em diveras vezes, impediu o prosseguimento

605

PMIT^

do furo. Nesta fase foi tentada sem sucesso a circula

cao de lama bentonitica e trabalhar com o furo preen

chido com agua.

- expulsao do instrumento da cota prevista, logo

ap6s a instalacao devido ao refluxo acima mencionado.

A solugao encontrada no caso das celulas, foi a adapta

cao de um tubo galvanizado preso a mesma, atraves do

qual o instrumento era forgado para baixo durante are

tirada do revestimento.

- fechamento do furo, concomitantemente a retira

da do revestimento, impedindo a cc,locacao do filtro de

areia em torno dos piezo"metros.

- dificuldades para sacar o revistimento aderen

to a argila e circunjacente aos cabos das celulas, tor

nando a operagao lenta e com grande risco de danos ao

instrumento. Frequentemente o refluxo do material pren

dia os cabos ou o tubo dos piezometros dentro do reves

timento o que os tirava da posigao prevista. Nesta ope

ragao a posigao de instalacao do instrumento era con

trolada a partir da superficie atraves de marcas nos

cabos.

Nao foram poucas as vezes em que, no final de e-

xaustivo processo de instalacao, foi necessario lavar

o furo ate a profundidade do instrumento e refazer to

do o trabalho.

A todos estes problemas soma-se ainda a simulta

neidade das instalag6es com o trabalho de langamento

de argila em alta velocidade, e utilizando um numero

muito grande de equipamentos.

4.3. COMPORTAMENTO DO ATERRO - PRESSES NEUTRAS

A figura 3 mostra o desenvolvimento das pressoes

neutras na ensecadeira de montante desde a fase de fe

chamento do nucleo.

0 acrescimo do aterro e a variacao do nivel d'a

gua do rio tambem sao apresentados para caracterizar

sua influencia sobre o parametro em estudo.

Verifica-se, tanto para a estaca 2 + 55 como pa

606

ra a 4 + 09, uma evolucao rapida da pressao neutra co

mo consequencia da maior velocidade de langamento. Pos

teriormente, com a diminuicao do ritmo de subida do a

terro, as pressoes tendem a estabilizacao e ate a dis

sipacao. Os valores medios estao muito acima de pres

soes neutras de percolacao, nao havendo qualquer in

fluencia da variacao do nivel do rio sobre as mesmas.

As celulas das estacas 4 + 09 indicam pressoes

maiores como consequencia de sua localizagao na regiao

do fechamento do nucleo, onde possivelmente se acumula

ram maiores quantidades de lama fluida.

A tendencia atual para a ensecadeira de montante

e de dissipacao gradativa, porem lenta, devido a ine

xiste"mcia de filtro abaixo da elevacao media do nivel

do rio e a pequena permeabilidade do material do nucleo.

A figura 4 apresenta graficos tipicos para a en

secadeira de jusante, correspondentes as segoes instru

mentadas nas estacas 2 + SO e 2 + 80.

As considerac6es sao as mesmas enunciadas para

montante com as instrumentos mais profundos e situados

em material mais inconsistentes refletindo com maior

intensidade o crescimento da carga do aterro,

A pressao neutra abaixo da el. 70 foi investiga

da posteriormente, visando conhecer a zona de influen

cia do topo rochoso, ou seja, a faixa do nucleo argilo

so drenada mais rapidamente em diregao a rocha. Este

trabalho foi executado da seguinte maneira:

- abertura do furo 0 NX ate a el. 70, revestido.

- descida de uma celula M-600 ate apoiar-se no

fundo do furo. Esta celula foi colocada dentro de uma

capsula metalica acoplada a uma tubulagao de ago.

- cravagao da celula no aterro, utilizando o hi

draulico da sonda rotativa ate a el. 64, ou seja, 5,0

metros acima da superficie da rocha.

No inicio a celula foi cravada em trechos de 1,0

metro, aguardando-se a estabilizacao da pressao.

Abaixo da el. 67, o material era mais resistente

a penetracao, o que impunha a celula pressao muito pro

xima de seu valor limite de capacidade (10 kg/cm 2)^ Par

607

conseguinte o trecho cravado foi reduzido para 0,5 me

tro. Ao final de cada trecho esperava-se a estabiliza

gao da pressao. 0 resultado obtido e mostrado no deta

the 1 da figura 4. Pode-se observar que ate o ponto

pesquisado a pressao a crescente . Isto faz supor que a

dissipagio devida a fundacao ocorre bruscamente e a pe

quena distancia da rocha. Infelizmente nao foi possi

vel atingir este limite , pelo risco de sobrepassar a

pressao limite da celula.

4.4. COMPORTAMENTO DO ATERRO - DEFORMAcOES

A deformacao total do aterro argiloso das enseca

deiras de montante e jusante foi inicialmente acompa

nhada por medidores de recalque de placa unica, insta

lados no topo do material langado sob agua . Posterior

mente, com a finalidade de se conhecer as deformag6es

diferenciais ao longo das bordas das ensecadeiras e

que pudessem originar trincas transversais, foram ins

talados marcos superficiais dispostos em duas linhas

paralelas e afastadas 40 metros a montante e a jusante

do eixo do nucleo de argila.

A evolugao do recalque total da ensecadeira de

montante a mostrada na figura 59 Na construcao dos gra

ficos foi desprezada a parcela inicial de deformacao

plastica do aterro que ocorreu no periodo imediatamen

to apes o langamento . Estas deformacoes podem ser con

sideradas como consequencia de uma condicao excepcio

nal de drenagem e possivel migracao de lama para os va

zios de enrocamento.

Esta lama pode ser admitida como consequencia do

metodo de langamento de argila , o qual permitia o acumu

lo deste material fluido nas depressoes do terreno. Pos

teriormente , o peso do material sobrejacente a expulsa

va para as laterais em direcao aos diques de rocha epa

ra frente.

Alguns exemplos individuais de recalque sao en

contrados na figura 7. Pode-se observar que a deforma

cao inicial na estaca 3 + 75 (MR-M-6), desprezada na

primeira consideragao , a praticamente a metade daquela

que ocorre na estaca 4 + 35 (MR-M-10 ), onde o material

608

fluido tinha maior chance de ficar retido.

Por outro lado, observa-se tambem a tende"ncia de

estabilizacao cada vez mais pronunciada.

Para a ensecadeira de jusante , dados similares

sao fornecidos nas figuras 6 e 7.

Verifica- se que os valores de deformagao inicial

neste caso sao maiores , reforcando o que foi exposto

anteriormente , ou seja , o acumulo de argila em esta

do fluido nos pontos de depressao topografica.

Os valores de recalque medidos praticamente se

estabilizam na margem direita (MR-N-1) mas permanecem

crescentes na regiao correspondente ao fundo do canal,

A desativacao da construcao do aterro , a partir

de outubro de 1979, reflete - se numa menor inclinacao

da curva de recalque , indicando uma possivel tendencia

a estabilizacao.

Os primeiros resultados apresentados pelos mar

cos superficiais sao mostrados nas figuras 8 e 9 para

as ensecadeiras a montante e jusante , respectivamente.

Por se tratar de dados iniciais , ainda nao permitem

uma visualizacao realista dos recalques ao longo das

bordas das ensecadeiras , embora caminhem para uma situ

acao similar aquela mostrada pelos medidores anterior

mente instalados.

5. CONSIDERAQOES FINAIS

A analise dos dados de instrumentacao conforme

exposta anteriormente , as inspecoes de campo e os valores

medidos de infiltracao evidenciam um comportamento satisfa

t6rio para ambas as ensecadeiras.

A tendencia normal sera uma melhora constante

nas condicoes de fundagaao, pela colmatagao progressiva das

fraturas a montante . Tambdm o nucleo argilosa ja mostra cla

ro indicio de caminhamento para uma crescente dissipacao

dos valores de pressao . Estando atualmente o aterro em fase

final de construcao , a carga remanescente pouco afetara a a

tual situagao , visto que os metros finais do nucleo tim uma

segao bastante delgada.

As deformac6es por sua vez permanecem sem estabi

lizacao apenas na regiao do fechamento do nucleo da enseca

6og

deira de jusante, o que nao constitui surpresa quando se le

va em conta o acumulo de lama verificado naquela regiao.

Acreditamos que uma boa parte do resultado obti

do se deva ao criterioso e consciente trabalho de preparo

da fundagao para o qual nao foram poupados recursos tecni

cos e financeiros.

Tambem o rigido cumprimento das normas especifi

cadas para o lancamento de argila dentro d'agua e a experi

encia acumulada a partir do aterro experimental, contribui-

ram decisivamente para a boa performance da estrutura.

A consequencia imediata do sucesso alcangado foi

a eliminacao de custoso e demorado tratamento de fundacao,

baixo custo de bombeamento a partir da area ensecada e o a

vango de 3 meses da obra em relacao ao cronograma estabele

cido.

610

0

I o4st U•

o Q -̀ •

K•

• V

/

IO

n

n•

ft n d•- /

n

OfiM /

n O

•J

ft'N] A-L •

6 L

S

611

'1

0W

v

612

ly; ♦ ^Niu(L vIFZt7r^TR1t;0_ p•rd IY OT•II-Y9

1!0

ATEIIROIEO

_ _ ^1!0

110 01VIs. 110

R10v®-r•e ^

100

p-r-fI0

p 00

FEY.-7] MAR AOR YAI JUN JUL. AGO SET OUT NOV OEZ.-79

ESTACA 2 + 55

p;ll MVa NEIDIIETIIICO

EY 07-11•?V

Ai-11 ^•^ p-Y-il

- 1

. ATEMO

/^

1110

PS ,-M-A

JAN - 79 FEV MAR ASR YAI. JUN JUL AGO SET OUT. NOV OEZ-79

ESTACA 4+09

0r

40 60

EtpN original I:tow

Fig.3 - ENSECADEIRA DE MONTANTE - PRESSAO NA FUNDACAO E ATERRO

615

1 " I

N.tN

. ^ 2 NrVQ t,f^,R,91C61r 14.11.79

N.N.• P%

1 176

1114 - -4

110•-• - -

110N^Fd

- - - - - ^116

'`AnRRo110

Rw

100 166N-r-!

20- 90

90 So

N-e l70 70

ASR.-79 MA1 JUN. JUL. AGO. SET. OUT NOV OE2.-7910

ESTACA 2+80

Nata 1 - A cdllla PO-N-12 to inotalodo par crovoplo emir* as alavepAaa 70 •66.

A. praaiAaa d.a.Nvardas Iota. raputran. , .. dot.11.1 1.

N-" ^• ..-

N-N-a

MO-^

AOR.-79 MAI. JUN . JUL. AGO. SET. OUT. NOV.-79

ESTACA 2+80

4

DETALHE 1

2D 10 60

Fig.4- ENSECADEIRA DE JUSANTE - PRESSAO NA FUNOAcAO E ATERRO

614

I

04

U/00/10 $.. m1n.m

ap„ $0 660 0y!o^_ 5 0 o ° o-

s 6

$

$

I L

^0 o d o

6^w

v ///), glR̂

0 2 2

HA^

2

8

I

it

8 Y 8 2 Q

I 11'

RS

I

R R ; 8 8 R$

1•1oy0vArI3

8

8

R

S 5 ^ S ^ o ° o

r# S O

a

0

0

OV I 11

0

d

7

j

Z 8 = _!

•1 •]) Omit OO wnllt

S S

l •f) VnO'1'I"711

•

$$ 1 $(03) owuu 00 wnnr

d

ti

LLJ8 $ 8 $ °

Ipl 0" Oil wUN

617

S i

I

T

CNNOUr(NIO

WkLID 09

now* ommou

SEGAO LONGITUDINAL E-E ( Dsssnvolvido)

IS-q

10-10 O$-10

wn31-10 w•n

»-n

i 5 5 ^ S 5 9 5 ^, 4 5 ^, 5 S 4^ 4 4 5 5 4 Z 5 ^ 5

^^ [NNOCANENq 1^•

11 T

1, ..r

SEGAO LONGITUDINAL F-F ( Dsssnvolvida )

4 2P q_._ SDfuels original Mne nul 11000

Fig.8-ENSECADEIRA DE MONTANTE - DEFORMACAO NOS MARCOS SUPERFICIAIS DE RECALQUE

618

_oo

w

o.-

„-»40

bq i0-q

a•q

II

n-n

ta•n>DO

# i i #^Ii

rF

f fw

! i : # f i i i

9 5 5 5 5 i i i 5 i 5 i i 3 5 9Ix

qt

10

.^Z sham a MOLA ^•

a•apogIA 70

00

♦ 70

SE;AO LONGITUDINAL G-G - (Dsssnvolvidal

o.-q

LO-q 11-q

^

2}q

W-11 2}q

long17-q

an

a a a a a a a L a a a a a 5 a a t a 5 a L

LM110CAa(NTO

- -_ IOC

laiawaARM"

aoooA

-774 +SEGO LONGITUDINAL H-H - (Dsssnvolvido)

ELala MIAMI bsU.NNI 1 1000

Fig.9-ENSECADEIRA DE JUSANTE-DEFORMAAAO NOS MARCOS SUPERFICIAIS DE RECALQUE

2D .

619