avaliação de critérios de filtro em barragens de terra - estudo de caso uhe colíder

7/26/2019 Avaliao de Critrios de Filtro Em Barragens de Terra - Estudo de Caso UHE Colder

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COMIT BRASILEIRO DE BARRAGENSXXXSEMINRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENSFOZ DO IGUAUPR11A 13DE MAIO DE 2015RESERVADO AO CBDB

AVALIAO DE CRITRIOS DE FILTRO EM BARRAGENS DE TERRA

ESTUDO DE CASO DA UHE COLDER

Carina PIROLLIEngenheira CivilCOPEL Gerao e Transmisso S. A

Rafael Tiago VENDRAMINEngenheiro CivilCOPEL Gerao e Transmisso S. A

RESUMO

O modelo de gesto atual que busca reduo de riscos, economia e maior qualidadena implantao de um empreendimento de engenharia conhecido comoEngenharia do Proprietrio, EP ou ainda Owners Engineering. Esta modalidade degesto, se configura como uma espcie de seguro tcnico do empreendedorativonas diversas fases de implantao de um empreendimento. A COPEL pode serconsiderada uma das pioneiras desta forma de atuao, tendo a sua primeiraexperincia no ano de 1998, durante a implantao do empreendimento da UHEDona Francisca, no Rio Grande do Sul. Este trabalho objetiva apresentar umexemplo de atuao tcnica da EP na barragem margem direita da UHE Colder emsua implantao, que culminou na manuteno das especificaes tcnicas econdies de segurana da barragem.

ABSTRACT

The current management model that seeks to reduce risk, savings and increasequality in the implementation of an engineering project is known as Owner'sEngineering, EP (Engenharia do Proprietrio, in Portuguese). This management

mode, appears as "technical safe" of the active entrepreneur in various stages ofimplementation of a project. Copel, can be considered one of the pioneers of thisform of achievement, having its first experience in 1998, during the implementation ofHPP Dona Francisca, in Rio Grande do Sul. It aims to present an example oftechnical procedure of the EP on the right bank dam HPP Colder in itsimplementation, which resulted in the maintenance of the technical specifications anddam safety.


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XXX Seminrio Nacional de Grandes Barragens

1 INTRODUO

De acordo com Foster et. al (2000), levando em considerao a ruptura de 1.462barragens, ressalta-se que a ocorrncia de piping a maior causa de rupturas. Em

se tratando de fundao e barramento, a eroso regressiva corresponde a 48% dasocorrncias.

Este trabalho apresenta a atuao da Engenharia do Proprietrio tanto no processoexecutivo quanto no Projeto, aliando aspectos tcnicos e econmicos na intervenode dreno de p para um trecho correspondente a 320 metros da barragem de terrada UHE Colder.

O empreendimento UHE Colder de propriedade da COPEL Gerao e Transmisso,em construo no norte do Mato Grosso corresponde ao primeiro dos cincoaproveitamentos ao longo do rio Teles Pires. Conta com potncia instalada de 300MW, gerados a partir de 3 turbinas do tipo Kaplan. O eixo retilneo do arranjo dasestruturas apresenta comprimento total de 1.525 metros. O vertedouro possuicapacidade de descarga mxima de 6.935 m/s, correspondente cheia mximaprovvel.

A barragem possui taludes de terra e terra-enrocamento com inclinaes egeometrias variveis em funo das condies dos materiais de construo efundao. A barragem est separada em 4 segmentos, quais sejam: fechamento,margem direita, leito do rio e margem esquerda. O trecho onde foi realizadainterveno localiza-se na barragem margem direita, cuja altura mxima de 30metros.

Na sequncia, sero detalhados os aspectos de projeto e apresentados os motivosque levaram a se optar por uma interveno no dreno de p em decorrncia dautilizao de areia com granulometria inferior especificada.

2 CARACTERIZAO DO EMPREENDIMENTO

A barragem da UHE Colder localizada no rio Teles Pires, situa-se na divisa entre os

municpios de Nova Cana do Norte (margem direita) e Itaba (margem esquerda)no estado do Mato Grosso. O reservatrio abrange os municpios de Itaba, Cludia,Nova Cana do Norte e Colder.

O arranjo geral da UHE Colder constitudo pelas estruturas de barragem,vertedouro e casa de fora, dispostos ao longo de um eixo retilneo conforme Figura1.


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FIGURA 1Arranjo geral.(Fonte: VLB Engenharia)

A partir da margem esquerda, a barragem foi construda passando pelo leito do rio,numa extenso total de 1.126 metros at juntar-se s estruturas do vertedouro namargem direita.

O conjunto tomada de gua e casa de fora, separadas do vertedouro por um murode ligao, formam uma nica estrutura, composta por blocos estruturalmenteindependentes que abrigam 3 conjuntos de mquinas do tipo Kaplan. A rea demontagem adjacente casa de fora recebe a barragem de fechamento da margemdireita, que com uma extenso de 174 metros completa o fechamento at a ombreira

direita.

2.1 GEOLOGIA LOCAL

A fundao da barragem margem direita da UHE Colder constituda por arenitospertencentes formao Dardanelos, cujos estratos so por vezes entremeados porcamadas de argilitos de baixa resistncia.

Numa poro de aproximadamente 400 metros de fundao, existe uma camada

bem definida de cascalhos com espessura da ordem de 5 metros, permeveis.Quando examinado em maior detalhe, observa-se que se trata de uma aluviocontendo pedregulhos de grandes dimenses com ndice de vazios aparentemente


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baixo e existncia de bastante material fino preenchendo os vazios sem, no entanto,apresentar gros de tamanho mdio na distribuio granulomtrica.

Os arenitos de fundao apresentam, em mdia, resistncia R1(


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3A Transio Fina Compactada Pedrisco - Arenito Silicificado - Pedreira

3C Transio Grossa Compactada Arenito Silicificado - Pedreira

3D Transio Ampla Compactada Arenito Silicificado - Pedreira

B1 Brita 1 Arenito Silicificado - Pedreira

4A RandomMaterial Resultante de EscavaesObrigatrias do Macio R3, R4 e R5

4B Enrocamento Compactado Arenito Silicificado - Pedreira

5A Enrocamento Selecionado Arenito Silicificado - Rip-Rap

TABELA 1Materiais empregados na barragem direita.

As faixas granulomtricas especificadas em projeto para os materiais do espaldar demontante e dos filtros vertical e horizontal, descritos anteriormente encontram-se naFigura 3.

FIGURA 3Faixas granulomtricas dos materiais de construo(Fonte: VLB Engenharia).

Ressalta-se que a areia enquadrada nas faixas apresenta-se basicamente nointervalo de mdia a grossa, conforme recomendao, com intuito de garantir umapermeabilidade adequada ao sistema de drenagem. No sero enfatizadas nessetrabalho as faixas granulomtricas definidas para os materiais de transio ampla,random (materiais de escavao obrigatria), enrocamento compactado e deproteo.


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4 CARACTERSTICAS GEOTCNICAS DA BARRAGEM

O local de implantao do empreendimento caracteriza-se como um local bemajustado concepo de barragem de terra em termos de disponibilidade de

materiais adequados e em quantidades suficientes. Desta forma, o barramento foiprojetado tendo uma transio de enrocamento com ncleo argiloso nas regiesprximas as estruturas de concreto. No trecho correspondente ao fechamento, abarragem homognea de terra. As barragens margem esquerda, direita e leito dorio so zoneadas. A margem direita foi construda contendo um ncleo argiloso,espaldar em colvio a montante e random jusante. Os trechos margem esquerda eleito do rio so constitudos de ncleo e espaldar de montante em solo areno-argiloso provenientes de jazida existente dessa margem, e a jusante do mesmorandom descrito para margem direita.

O trecho de barragem de enrocamento apoiado em fundao em rocha na qual

foram realizadas injees dando maior estanqueidade ao macio rochoso. Emrelao seo da barragem apoiada em cascalhos existentes na fundao, foiprojetado um cut-off de 30 metros at a rocha, partindo do final do ncleo argilosoem direo ao espaldar de montante, com objetivo de se evitar gradientes elevadosque pudessem erodir os arenitos existentes na fundao. As barragens margemesquerda e leito do rio, e barragem de fechamento apoiam-se diretamente em rocha.

As Figuras 4, 5 e 6 apresentam sees de cada parte do barramento, sua posioem relao ao arranjo geral do empreendimento e foto em fase intermediria deconstruo.


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FIGURA 4Barragem de fechamento.(Fonte: VLB Engenharia)

FIGURA 5Barragem margem direita.(Fonte: VLB Engenharia)


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FIGURA 6Barragem margem esquerda e leito do rio.(Fonte: VLB Engenharia)

4.1 CARACTERIZAO DOS MATERIAIS IMPERMEVEIS DA BARRAGEM

A barragem da UHE Colder como um todo constituda de diferentes materias naspores que a compe. imprescindvel que os mesmos sejam corretamenteclassificados previamente construo da obra. Considera-se, do ponto de vista deimpermeabilizao do macio, os dados mdios obtidos para os materiais de ncleo1B (barragem margem direita) e 1C (barragens margem esquerda e leito do rio). ATabela 2 apresenta os resultados de ensaios de caracterizao e ensaios especiaismdios para esses solos.

Parmetros1B ( Valores

Mdios)

1C ( Valores

Mdios)LL (%) 64 22

IP (%) 29 7

% de Argila 65 22

% de Silte 15 12

% de Areia 20 65

% de Pedregulho 0 1


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Massa Especfica AparenteSeca mxima (g/cm)

1,45 1,80

Ht (%) 29,5 14,0

Permeabilidade (cm/s) 5 x 10-8

5 x 10-6

Coeso (kPa) 20 10

ngulo de Atrito () 22 31

TABELA 2 Parmetros geotcnicos de ncleo argiloso da barragem UHE Colder

O material 1B uma argila arenosa que apresenta uma massa especfica secamxima entre 1,40 e 1,45 g/cm3e teor de umidade tima entre 29 e 31% em mdia.

As especificaes tcnicas do empreendimento requisitavam grau de compactaomdio de trs amostras correspondente a 98%, sendo o mnimo estabelecido em95%. A prtica de lanamento do material em campo mostrou necessidade decamadas mximas de 25 cm e 10 passadas com rolo vibratrio tipo Dynapac CA 25para obter valores no intervalo requisitado. No perodo seco da regio, entre osmeses de maio a outubro, a trabalhabilidade era adequada, mas para os perodosde chuva, o lanamento era comprometido, pois o tempo de secagem correspondiaa 2 a 3 dias.

As condies de trabalhabilidade do material 1C em relao ao 1B se mostraramcompletamente diferentes, com menor retomada aps ocorrncia de chuvas,

apresentando ainda massa especfica seca mxima entre 1,70 e 1,90 g/cm e teorde umidade tima entre 12% e 18%, em mdia. A utilizao de rolos CaterpillarCS56 e CP533 favoreceu significativamente a produtividade, para execuo decamadas de 25 cm com 6 passadas apenas, mesmo para restrio de Grau deCompactao (GC) mnimo de 98%. Somente 15% dos resultados obtidosapresentaram GC entre 95% e 98%.

Importante ressaltar a preocupao em se buscar coeficientes de permeabilidademais baixos possveis, pois para barragem da UHE Colder 65% do material, emmdia, arenoso. Sherard et. al. (1963) mostram que na prtica de projetos, areduo dos valores de permeabilidade chegam em at 100 vezes dependendo do

grau de compactao adotado para o material.

As amostras indeformadas ensaiadas apresentam valores de permeabilidade mdiade k=5x10-6 cm/s na regio da barragem margem esquerda, valores estesconsiderados adequados tanto para o projetista como para a EP.

4.2 ATUAO DA EPNA INTERVENO MITIGADORA

Durante os trabalhos de inspeo tcnica desenvolvidos pela EP, juntamente com oseu Consultor Cssio Viotti, um exame ttil-visual da areia disponvel para execuodos filtros da barragem, indicou que, comparativamente as que estavam sendo


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utilizadas em outros trechos da barragem sua granulometria apresentava-se maisfina.

Diante dessa constatao, a EP solicitou ao Consrcio Construtor uma srie deensaios e anlises, cujos resultados apresentaram divergncias em relao

especificao tcnica no tocante aos critrios de filtro.

4.2.1 Critrios de Filtro

Considerando a impossibilidade de evitar que a gua percorra o interior dos aterroscompactados e alcance o talude de jusante, consagrou-se na prtica de projetosadotar aterros com sistemas de filtro vertical e horizontal. Trs funes principaisso resposta desses sistemas:

a) Disciplinar a vazo forando o fluxo para uma direo determinada, e comisso aumentando o controle sobre as poropresses desenvolvidas;b) Impedir a remoo de partculas slidas proveniente do fluxo de gua pelo

material do aterro e/ou das fundaes prevenindo ocorrncia de erosointerna;

c) Exercer a funo de dreno, disciplinando a gua interceptada e a conduzindopara fora do aterro, podendo assim ser medida e analisada.

Para o adequado funcionamento desse sistema, com base em uma grandequantidade de ensaios realizada por Sherard et. al(1984) e experincia em projetos,demonstrou-se que a eficincia dos filtros est relacionada ao tamanho do D15

obtido a partir das curvas granulomtricas do material do filtro. Dessa forma, um filtrodreno deve ao mesmo tempo reter os finos e possuir alto coeficiente depermeabilidade para diminuir o gradiente hidrulico. De acordo com Terzaghi, tem-se:

5

85

15

solo

filtro

D

D,

Onde D15 equivale ao percentual de 15% passante na curva granulomtrica domaterial mais grosseiro, e D85corresponde a 85% passante na curva granulomtricado material mais fino.

Esse critrio limita o tamanho dos finos do filtro de forma a evitar a passagem dosgros de solo. importante notar, que em se tratando de um material drenante emcontato com solo compactado, possvel aceitar margens maiores a esse critrio,desde que o solo compactado apresente coeso. No entanto, no contato entre areiae pedrisco, o fluxo de gua tambm aumenta e os cuidados na adoo de critrioscom valores superiores ao estabelecido no esto claramente comprovados.

Para o caso da UHE Colder, tem-se o agravante da barragem margem direita estar,em seu trecho de jusante, apoiada em cascalho composto de areia mdia a grossacom presena de pedregulhos, tambm significativamente permeveis.

Imediatamente abaixo deste trecho, encontram-se os arenitos feldspticos daFormao Dardanelos, com baixa a mdia resistncia e permeabilidade aps asinjees de fundao, da ordem de k=10-4cm/s.


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Para garantir a inexistncia de gradientes elevados, foi projetado um sistema dedrenagem com filtro vertical de 80 centmetros, e tapete drenante horizontal do tiposanduche, com 1,2 metros de espessura. A Figura 7 mostra uma seoesquemtica do filtro horizontal sanduche implantado na barragem da UHE Colder.

FIGURA 7Desenho esquemtico do filtro horizontal.(Fonte: VLB Engenharia)

4.2.2 Caracterizao dos Materiais da Interveno

Identificou-se durante construo da barragem que no trecho entre as estacas 12 a20, o tapete drenante havia sido executado com uma areia fina, fora da faixagranulomtrica especificada nos Requisitos de Projeto. A areia quando ensaiada emlaboratrio, permeabilidade constante, resultou em valores em acordo comestabelecido, k=10-2 cm/s.

Com atendimento ao requisito de permeabilidade, era necessrio enquadr-la nafaixa granulomtrica para atender ao critrio de filtro estabelecido por Terzaghi eadotado pelo empreendedor em seus requisitos.

A Figura 8 mostra a comparao entre D15 e D85 para um ensaio de curva

granulomtrica realizado entre os materiais 2B (areia) e 3A (pedrisco fino).


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FIGURA 8Relao de granulometria entre os materiais do tapete drenante horizontal.(Fonte: Construtora JMalucelli)

A relao resultou no valor de 9,1, (bem acima do valor 4 estabelecido nasespecificaes da obra) respaldando assim a necessidade de intervir no trecho jlanado, de maneira a impedir o carreamento do material fino.

A interveno de dreno de p para correo do filtro de areia 2B (fora de faixagranulomtrica) e pedrisco 3A, entre estacas 12 e 20, ao longo de 320 metros,ocorreu entre 04 de abril de 2013 e 09 de julho do mesmo ano.

Conforme o projeto apresentado e aprovado, a interveno foi executada em duasetapas, sendo a primeira a remoo do enrocamento de proteo 4B e transio 3Dpara expor o aterro de jusante, filtro horizontal e trincheira drenante. A segundacorrespondeu reconstruo da referida proteo com as transies adequadaspara correo dos materiais, eliminando qualquer possibilidade de carreamento dematerial 2B (fora de faixa granulomtrica), que pudesse reduzir a segurana dabarragem.

A Figura 9 apresenta o detalhe do projeto executado na interveno (linha cheia),comparativamente ao trecho anteriormente construdo (linha tracejada).


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FIGURA 9Detalhe de interveno do dreno de p da barragem margem direita. (Fonte: VLB Engenharia)

A escavao do enrocamento de proteo e transio iniciou em 04 de abril de 2013partindo da estaca 12 para estaca 20, em duas fases: primeira entre elevaes 250e 255 que se deu at o dia 12 de abril de 2013, e depois entre elevaes 255 e 260,executada at o dia 20 do mesmo ms.

Aps escavao do enrocamento de proteo e transio grossa, executou-se aremoo fina expondo efetivamente a trincheira drenante e filtro horizontal, sendo

que este servio foi executado mecnica e manualmente, em uma semana detrabalho.

4.2.3 Aspectos do Processo Executivo

Os materiais utilizados na interveno, conforme projeto apresentado constituram-se por filtros e transies 2B, 3A, 3C, B1 e 3D e 4B. A Figura 10 apresenta as faixasgranulomtricas dos materiais utilizados.


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FIGURA 10Faixas granulomtricas dos materiais da interveno.(Fonte: VLB Engenharia)

Os materiais 2B, 3A, 3C, caracterizam-se como os mais importantes, por se trataremde filtros para a areia lanada fora da faixa especificada. A areia 2B lanada nainterveno foi proveniente de dragagem do rio Teles Pires. Ensaios de laboratrioresultaram em coeficientes de permeabilidade mdia de k= 1x10 -2 cm/s ecompacidade relativa mdia obtida de 70%.

As Figuras 11, 12 e 13 apresentam o processo de escavao do trecho e filtroexposto.

FIGURA 11Escavao mecnica de enrocamento de proteo e transies.


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FIGURA 12Escavao manual para exposio de filtro horizontal e trincheira drenante.

FIGURA 13Exposio do filtro horizontal aps escavao.

O total de material removido foi de 26.000 m. Com avano da fase de escavao,iniciou-se a fase de reconstruo das transies e enrocamento de proteo.Inicialmente entre as estacas 13 e 13+05m, foi executado um teste experimentalcom os materiais 3A e 3C, como filtros areia lanada. Do teste experimentalobservou-se que 6 passadas eram adequadas para os materiais aplicados atingiremo mnimo 1,70 t/m, com o rolo compactador de tambor liso Dynapac CA25.


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As Figuras 14, 15, 16, 17 e 18 apresentam a sequncia do processo dereconstituio do dreno.

FIGURA 14Teste experimental com materiais de interveno no prprio aterro.

FIGURA 15Execuo de interveno at cobrimento de filtro horizontal.


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FIGURA 16Carreamento de 4A durante recomposio do trecho.

FIGURA 17Execuo de transies 2B, 3A, 3C e enrocamento 4B.


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FIGURA 18Execuo de transies 3D e enrocamento 4B.

O reaterro executado resultou em 38.000 m de material. A sua execuo se deuigual ao restante do trecho, sendo que os encaixes foram descobertos mecnica emanualmente e religados com os mesmos materiais e especificaes jmencionadas.

FIGURA 19Resultados obtidos para o pedrisco 3A.(Fonte: Construtora JMalucelli)

5 CONCLUSES

Este caso de obra demonstra a importncia de se ter, ao longo do processo deimplantao de empreendimentos desta natureza, supervises tcnicas exercidaspela engenharia do proprietrio e sua junta de consultores no auxlio aos seus

fornecedores no controle tcnico e preservao das condies de segurana equalidade.


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O processo de interveno executado foi necessrio, recuperando as especificaesde seguranas da obra de maneira a impedir a passagem da areia fina lanada notrecho da barragem margem direita.

Toda a ao s foi possvel a partir do entendimento, concordncia e colaborao da

empresa construtora que, a partir da compreenso da questo, se mostrou dispostae gil nas aes corretivas necessrias, reconstituindo no trecho em questo ascondies pr-estabelecidas pelo projeto.

6 AGRADECIMENTOS

Agradecemos ao Eng civil Consultor Cssio Viotti, VLB Engenharia e

Construtora JMalucelli pelos dados de projeto e do processo executivo cedidos paradesenvolvimento desse trabalho.

Agradecemos ainda aos profissionais colegas de trabalho Isabel Calegari Canalli,Michelle Yukie Inada e Roberto Werneck Seara pela sabedoria oferecida em apoio realizao deste trabalho.

1.

7 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

[1] CRUZ, P. T., 100 Barragens Brasileiras: Casos Histricos, Materiais deConstruo e Projeto. So Paulo, Ed. Oficina de Textos (1996).

[2] ELETROBRS; CBDB - Critrios de Projeto Civil de Usinas Hidreltricas. Rio de Janeiro (2003).

[3] FOSTER, M. ; FELL, R.; SPANNAGLE, M. A Method for Assessing theRelative Likelihood of Failure of Embankment Dams by Piping. Canada,Geotechnical Journal. Journal 37, p. 10001061 (2000).

[4] SHERARD, J. L.;WOODWARD, R. J.; GIZIENSKI, S. F.; CLEVENGER, W. A.Earth and Earth Rock Dams. Nova York, Ed. Jhon Wiley and Sons (1963)

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