XVI SEI4INARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS

BELO HORIZONTE

NOVEMBRO 1985

ASPECI'OS GEOT12CNICOS DA RECUPERA(^AO DA I3ARRAGEM DE TERRA DO GUARAPIRANGA

Terns I I

Paulo C. de Toledo Franca

ELE.I'ROPAULO - Eletricidade de Sao

Paulo S/A

331

I

1. INPRODUCAO

A finalidade inicial da Barragem do Guarapiranga, construida entre

1906 e 1909, era armazenar aqua para a geracio do energia eletrica. As Usi

nas de Parnaiba (hoje Edgard de Souza) e Rasgao, construidas a jusante no

Rio Tiete, no poderiam operar a plena carga o ano todo, segundo previsoes

feitas na epoca; isto iria certamente obrigar a urn racionamento de eletri

cidade na cidade de Sao Paulo. A solucao encontrada foi represar o Rio Gua

rapiranga, afluente do Pinheiros o qual, por sua vez, verte no Tiete (ver

Figura 1).

Com o correr dos anos a importancia do reservatorio aumentou, acompa

nhando o crescimento da cidade. A partir da ddcada de 20 passou a ser a

principal fonte do abastecimento do agua de Sao Paulo. Durante a dccada de

40, passou a compor o sistema de geraca-o do energia eletrica em Cubatao,

Usina Henry Borden, com a reversao do Rio Pinheiros Flora o Reservatorio

Billings. E acing de tudo, a intensa urbunizacao ocorrida a jusante nas

ultimas quatro decadas elevou o potencial do risco a niveis altissimos,

num caso de eventual ruptura.

Nos dias 28, 29 e 30 de janeiro de 1976 (1) uma cheia do grandes pro

porcoes atingiu a bacia do Guarapiranga, elevando o nivel do reservatorio

acima do maximo maximorum e pondo em risco a propria estrutura da barragem

e a cidade a jusanto. Na ocasiio, urtiz barreira provisoria de sacos do

areia foi erguida para a eventa-ilidade de extravasa-urento. A causa predomi-

nante teria sido a impermeabilizacao da bacia, aumentando o pico de enchen

to para valores muito acima dos utilizados no projeto. As chuvas diminui-

ram e a catastrofe foi evitada, mas foram iniciados imediatamente, em

ritmo de emergencia, os estudos visando o rodimensionamento da barragem. As

estruturas extravasoras, comportas originalmente do tres descarregadores

de fundo o um vertedouro livre de emergencia escavado em alteracao do ro-

cha de gnaisse, foram substituidas per um vertedor de comportas e um verte

333

I

dor livre em concreto.

A barragem de terra, embora tenha se comportado adequadamente a soli

citacao critica de nivel d'agua, foi imediatamente analisada com o objeti-

vo de conhecer os niveis de seguranca em que estava operando. A deteriora

cao da estrutura com 70 anos de vida util, construida com tecnicas antigas

e o aumento do potencial de risco a jusante, justificariam plenanEnte es-

tes estudos.

0 presente trabalho tem corm objetivo principal descrever. o projeto

e obras de remodelacao da barragem de terra, executados entre 1976 e 1978.

As caracteristicas principais da barragem de terra antiga sao inicialmente

apresentadas, dando enfase aos parametros geotecnicos e indices de seguran

ca que justificaram e direcionaram o projeto.

2. c7RAcrERTSTICAS ORIGINALS DA BPRRACEM

Corm ilustrado na Figura 1, a barragem situa-se a cerca de 15 km ao

sul do centro de Sao Paulo, dentro da area urbana. Tem 1.640 km de compri-

n nto, 17 m de altura maxima e volume de 500.000 m', a grande maioria com

posta de aterro hidraulico, uma tecnica muito utilizada na epoca. Na om-

breira direita, um pequeno volume foi langado e compactado manualmente ou

por forca animal.

0 aterro hidraulico foi fundeado em sedimentos aluvionares recentes,

compostos por areias e argilas e siltes organicos, que por sua vez apoiam-

-se numa camada variavel de solo de alterardo de rocha. Nesta regiao, o to

po rochoso apresenta perfis bastante suaves.

Ao longo do eixo foi construida uma parede vertical vedante, compos

to de estacas-prancha de madeira cravadas na fundacao e ligadas a chapas

de ago corrugado revestidas com betume, erguidas ate as proximidades da

334

crista. Um segundo "cutoff" de estacas-prancha de ago foi instalado apps a

eonclusao da obra a cerca de 20 m a montante do eixo, comp mostra a Figu-

ra 2.

0 desmonte da area de emprestimo, situada em cotas altas da ombreira

esquerda, era feito hidraulicamente atraves de jatos d'igua de rronitores.

0 material era entao transportado a praca por gravidade ou, caso necessa-

rio, atraves de bombas de recalque. Conti o material era langado nas bordas

de montante ou jusante das piscinas de decantacao, a fragao fina do solo

fluia para o centro do macico, criando um nucleo mais imperno vel como in-

dicado na Figura 2.

Na Figura 3, percebe-se com clareza a granulometria mais fina do nu

cleo em relacao aos espaldares. Esta difereca aparentemente no influiu nas

caracteristicas de deformabilidade (ensaios de adensamento) e resistencia

a longo prazo (ensaios triaxiais lentos), aonde os resultados das duas re-

gioes estao mesclados. Ainda nesta figura, nota-se uma alta dispersao dos

indices de vazio iniciais dos ensaios de adensamento sobre amostras inde-

formadas; isto estaria relacionado com o processo construtivo, que gera

grande heterogeneidade de camadas.

As medias obtidas de ensaios de permeabilidade vertical tambem indi

cam uma regiao mais estanque no nucleo:

Kv (nucleo) = 8,5 x 10-5 cm/s

Kv (espaldares) 1,0 x 10-3 cm/s

Os ensaios triaxiais lentos sobre amostras indeformadas mostraram

angulos de atrito na faix:. de 250 a 350 para as duas regioes indistintamen

te, como mostra a Figura 3. Estes valores, quo provavelmrnte refletem as

altas porcentagens de arcia fina encontradas, foram os utilizados nos estu

dos de avaliagdo da seguranca a longo prazo.

335

No final da analise de estabilidade, chegou -se a um coeficiente de se

guranca = 1,23 para um circulo critico pouco profundo sobre o talude jusan-

te. Porem, caso esta ruptura ocorresse temia-se o desenvolvimento rapido de

um processo do ruina total associado a liquefagao de areias finas com baixa

compacidade c alto grau de saturacao , presentes em camadas extensas do ator

ro e fundacao . A este efeito se somariam os elevados gradientes hidraulicos

do lencol freatico interno ao corpo da barragem.

3. runmrM C AAO DA I I P 1(i s 1

Portanto, todo o trabalho realizado na barragem do terra foi direcio-

nado a elevarao das condicoes de seguranca para niveis aceitaveis, sob to-

dos as aspectos . Ficou estabelecido, per exemplo, que o coeficiente de segu

ranra minim a estabilidadc devcria ficar em torno do 2,0. Mis n,io so a es-

tabilidade poderia ser levada em conta; os aspectos do seguranga abordados

e as solucoes de mclhoria idealizadas seguiram de uma maneira geral o esque

ma abaixo:

ITIM DE SEGURANcA SOLU O

SUBPRESSOES EL.EVADAS

ESTABILIDADEDO

MACIQO

PRESSOES CONFINANTES E

PESO PASSIVO BAIXOS A

JUSANTE

PAIXA RESIST NCIA E AL

TA COMPRESSIBILIDADE

DA FUNDAc7 O

EROS AO =- RNA

ONDAS DO RESERVATORIO

I cPRAVAZAMENPO

ERO SAO SUPERFICIAL

CONTROLE DO DESEMPENHO

SISTEMA DE DRENAGEM INTERNA

BERMA DE Ec`":.,IBRIO (ATERRO)

REMOcrO DOS SOIiDS MOLES DAFUNDACO A JUSANTE

LFILTROS INCLINADO E HORIZONTALRIP-RAP DE MONTANTE

ALTENMSEIM DA CRISTA

(MANIA E CANALET S DE DRENAGEM

INSPEcOES VISUAIS E INSTRUMEN

TAC110

336

A construcao das obras de melhoria, cuja sequencia e ilustrada esque

maticamente nas Figuras 5 e 6 , iniciou-se em agosto de 1977, constando

basicamente das seguintes etapas:

Preparo da Fundacao

A finalidade al' foi remover toda a materia vegetal e solos organicos

rroles da fundacao e talude de jusante, antes de lancar o aterro de equili-

brio. A espessura da camada removida variou de 1,0 a 4,0 m. Nas ombreiras

direita e esquerda em cotas mais elevadas, a escavarao foi executada a se-

co. Na parte central o elevado nivel do lencol freatico levou i execucao

previa do rebaixamento atraves de uma linha de ponteiras drenantes no Pe

da barragem, e pogos profundos nos limites da escavacao (Figura 5A ).

A remocao era feita ,;raves de trincheiras perpendiculares ao eixo

da barragem de cerca de 10 m de largura, escavadas intercaladamente e

imediatamente reaterradas. Procurava-se desta maneira evitar o descalcamen

to do pe da barragem.

Filtro Horizontal e Inclinado

Para a execucao do filtro horizontal, a areia era lancada e compacta

da em camzdas nas trincheiras mencionadas acima, ate atingir a cota infe-

rior do dreno de pe. Apos a execucao deste, mais uma camada de areia foi

lancada por circa de modo a envolve'-lo completanwnte, como indicado na Figu

ra 5B.

0 filtro inclinado foi construido junto a face de jusante ate o ni-

vel mixino do reservatorio (ver Figura 6A), concomitante a subida do ater-

ro. Sua principal finalidade e interceptar qualquer percolacao atraves do

macico, conduzindo a agua ao filtro horizontal e evitando erosao interna

(piping).

337

A compactagao das areias foi feita com rolos lisos estaticos. Para

minimizar a contaminacao superficial da areia, assim que a ultima camada

de filtro era liberada, lancava-se a primeira camada de aterro argiloso. A

areia utilizada nos filtros foi controlada granulometricamente; alguns re-

sultados de ensaios de caracterizagao sao apresentados na Figura 4A.

Dreno de Pe

0 dreno de pe e composto por um nucleo condutor de pedra britada

n9 3 envolto por pedrisco, que atua comp transicao para a arcia, comp indi

cado esquematicamente na Figura 5B . As aquas ai coletadas sio conduzidas

por tubulacao subterranea ao Canal Guarapiranga, apos passar pelas caixas

medidoras de vazao.

Pocos de Alivio

Na ombreira esquerda as limitacoes da praca do trabalho e a melhor

qualidade do solo do fundacao no justificavam a remocao ate o solo resi-

dual, como no restante da barragem. Para interceptar o fluxo percolante,

foram construidos 18 pocos do alivio interceptados polo drono do pc, conb

indicado na Figura 6B . Os pocos foram preenchidos por areia conpactada em

camadas concomitantemente a extracao do revestimento da perfuraclo.

Aterro Compactado de Reforco

F cecutado apps a conclusao do filtro horizontal, o aterro consti

tuiu-se quase totalmente de argila coluvionar, caracterizada na Figura 4.

0 material foi retirado de 7 areas de emprestinn situadas nas imediacoes

da obra, mas apesar desto diversidade do fontes as resultados dos ensaios

de caracterizag5o e controle indicaram um material razoavelmentc homogcneo.

Foram compactados cerca de 180.000 m3 de solo com grau do compactacao en-

tre 95% e 99%. Apos testes em aterro experimental., escolheu-se corm equipa

538

rrento de compactacao rolos com patas "tamping" estatico para argila e rolos

lisos estaticos para areias.

Evitou-se o use de equipamentos vibratorios ou muito pesados devido

as precarias condicoes da barragem.

0 controle do qualidade foi feito pelo metodo de Ililf e Proctor Nor-

mal, alem de ensaios do umidade e permeabilidade, em Laboratorio de Solos

montado no canteiro do obras.

0 aterro subiu concomitante ao filtro inclinado, comp indicado na Fi

gura 5B com talude 3H : 1V, finalizando com o alteamento da crista, prote-

cao e acabamento.

Protecao de k ntante e Acabamento da Crista

A proteca'o original da barragem se limitava a parte central e ombrei-

ra esquerda, atd um cota insuficiente para protegao contra ondas maiores.

Como indicado na Fioura 6A, foi feita uma protecao ate a nova cota

da crista. [kra cantiada de 30 cm do brita graduada compactada serviu Como

transicao para 50 cm de pedra rachao, ao longo de toda a barragem.

Sobre a crista foi efetuada pavimentacao atraves do imprimacao betumi

nosa.

Protecao e Drenagem Superficial do Jusante

A protecao dos taludes e areas a jusante foi feita com grama batataes

plantada em placas.

Para a construcao do sistenu do drenagem do agua do chuva brain utili

zados cerca de 4,6 km do canaletas do tipo meia-cana de concreto, interliga

das atraves de caixas de concreto e escadas dissipadoras, sendo lancadas no

Canal do Guarapiranga as aquas coletadas.

339

Instrumentacao

Foram instalados durante as obras , corm parte do sistema definitivo

de controle da barragem, os seguintes instrumentos.

. 22 piezometros "stand-pipe"

. 10 piezometros pneumaticos

. 5 medidores magneticos de recalque

2 inclinometros

. 16 medidores de nivel d'agua

4. OONQFS

A cheia de 1976 foi, sem duvida, o fator que desencadeou os servi-

cos de recuperacao da Barragem do Guarapiranga, embora no tenha causado

danos sensiveis a mesma. Sob este aspecto, pode ser considerada como uma

circunstancia providencial; a necessidade de executar a reform ficou cla

ramente evidenciada durante os estudos de avaliacao de seguranca.

As obras de reforma do macico de terra adequaram-no aos padroes do

seguranca geralmente aceitos para estruturas desta natureza, situada em

regiio urbana com potencial de risco altissimo. Os metodos construtivos

utilizados e o ritmo acelerado das obras nao podem ser considerados con-

vencionais nem os mais economicos. Isto pode ser explicado, no entanto,

pelas circunstancias especiais quo os mtivaram.

tr decorrencia irrediata da reforma foi o aumento do nivel de conhe

cimento do aterro hidraulico, uma tecnica utilizada na maioria das obras

da Eletropaulo. Isto tem sido de grande valia nos estudos de reavaliacao

de seguranca das barragens e diques do sistema hidraulico da corranhia.

340

9 feita inicialmente uma retrospectiva historica da construcao da

barragem no inicio do seculo e principais ocorrencias durante sua vida

util ate 1976, quando um cheia pos em risco a estrutura. t apresentado

em seguida um resumo da investigacao geotecnica e resultado da analise

de seguranca do macico de terra antigo, que motivaram as obras de recupe

racao. Os crit6rios utilizados Para elaboracao do projeto sao discutidos

e, finalmente, e feita uma descricao das obras executadas na barraqem de

terra.

6. BIBI1IOCR2AFIA

1) Light Servi(;os de Eletricidade S.A., 1976, "Estudo de Cheias do

Guarapiranga" - Relatorio Interno.

2) Light Servicos de Eletricidade S.A., & Themag Engenharia, 1979,

"Barragem do Guarapiranga - Obras do Complementar,ao" - Relato-

rio como Construldo.

3) Light Servicos do Eletricidade S.A., 1978, "Relatorio I cecutivo

das Obras de Reforco da Barragem do Guarapiranga" - Relatorio

Interno.

4) Negro Jr., A; Santos F9, M.G.; Guerra, M. 0., 1979, "Caracteris

ticas Gootecnicas do Solos de Aterros Hidraulicos e a Experien-

cia na Barragom do Guarapiranga" - Revista Solos e Rochas, Vol.

1 no 3.

5) Guerra, M. 0., '985, "Recupera(;ao do Macico Oeste da Barragem

do Rio Grande - Aspectos Relativos a Seguranca" - XVI Som.inario

Nacional do Grandes I3arragens.

6) Fanton, A. C.; Pion, 0. B. B.; Guerra, M. 0., 1985, "A Experien

cia da Eletropaulo cm Reciccracao de Iarragens " - XVI Seminario

do Grandes Barracjens.341

MAPA DE SITUA^AO

.,REA URBANA

v Kn

FIG. N21 - LOCALIZACAO DA BARRAGEM DO GUARAPIRANGA

342

100

DIAMETRGImm1

0.01 0,1 1.0 0

ARGILA SILTS AREIAFINjvFLIAI ;R05S ^EOREGUL

GRANULOMETRIA

4 6 B

?^v`•An NnPMAi. EFETIVA

ENSAIOS TRIAXIAIS LENTOSENVOLTO RI,', DE MOHR

2.00

.80

.60

,40

^' ,20

J

0

7

1.0 10.n

PNESSOF5 ( Ilq/crr

NUCLEO

----- ESPALDAR

ENSAIOS DE ADENSAMENTO

FIG. N°- 3 - ATERRO HIDRAULICOSOLOS DO NUCLEO E ESPALDARESENSAIOS GEOTECNICOS.

343

EST. 75+0,00

RESERVATdRIOGUARAPIRANGA

EST i0+ 0,00

,;

c`'JOSAN'E

PLANTA

BARRAGEM ANTIGAEST 10+0,00

0

ENROCAMENTO

MONTANrE

ATERROCOMPACTA00

B' ^RAGEM RECUPERADAE,r O+C',C.O

FIG. 2 - PLANTA E SEC,AO TIPICA.

DRENO DE AREIA

F- ANTERIOR REFORMA

i

DRENO DE PE

3 44

lou

Penelrw40

l/

SOLOSATERRO^j1'/

(FAIXA(SPECIF.)MEDIA /

/ /^ /

n I

AREIAS/.'(FAIXAO TIDA)

ARGILA SILTE AREIA FINA I MEDIA OROSSAI PEDREOULHO

FIG. N° 4 A - GRANULOMETRIA DOS SOLOS DE ATERROE AREIAS USADOS NA RECUPERAcAO

0w 60

•-ARGILA ARENOSA

a-SILTE ARGILOSO

J_20 40 60

LIMITE DE LIQUIDEY (%)

FIG N2 4B - GRAFICO DE PLASTICIDADE DOS SOLOS DE

ATERRO USADOS NA RECUPERAQAO.

345

AREIA SILTO APGILOSA\

ARGILA ORGANICA

AREIA

SOLO DE ALTEPACAO

TOPO ROCHOSO

288 PONTE(PAS

A) - ESCAVACAO DOS SOLOS MOLES COM REBAIXAMENTO DO LENGOL FREATICO

rlrkiZnNTAL

B) - FILTRO HORIZONTAL. DRENO DE PE, INICIO DO ATERRO E FILTRO HORIZONTAL

FIG. N° 5 - RECUPERACAO DO MACICO

ESCAVACAO E CONSTRUCAO DE FILTROS, DRENO DE PE E BERMA.

346

I

- PAVIMEhTACA0

A) - ATERRO, ALTEAMENTO DA CRISTA E PROTEGAO DE MONTANTE.

^,--AV I ME% TAc.v

SILTE ARENO'O

AqCILA SILrnSA

SILTE A4E%O iO

I-ATERRO COMPACTADO

•F DRENO DE Pt

SOLO OF ALrERACAO

8) - POrOS DE ALIVIO DA Oh14REIRA ESQUERDA.

GALERIAS 041:. BESP

1i

FIG. N2 6 - RECUPERAQAO DU MACIcO

ALTEAMENTO DA CRISTA, ENROCAMENTO E POcOS DE ALIVIO.

347