dissertação perda d'Água

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EVANGELISTA CAETANO PORTO CRITÉRIO PARA DETERMINAÇÃO DE VAZÕES PELA FUNDAÇÃO DE BARRAGENS COM BASE NOS ENSAIOS DE PERDA D’ÁGUA O CASO DA USINA HIDRELÉTRICA DE ITAIPU Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Construção Civil, pelo Programa de Pós-Graduação em Construção Civil da Universidade Federal do Paraná PPGCC/UFPR. Orientador: Professor Ney Augusto Nascimento, PhD. CURITIBA/PR OUTUBRO - 2002

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Ensaios de perda d'água

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Page 1: Dissertação Perda d'Água

EVANGELISTA CAETANO PORTO

CRITÉRIO PARA DETERMINAÇÃO DE VAZÕES PELA FUNDAÇÃO

DE BARRAGENS COM BASE NOS ENSAIOS DE PERDA D’ÁGUA

O CASO DA USINA HIDRELÉTRICA DE ITAIPU

Dissertação apresentada como requisitoparcial para obtenção do grau de Mestreem Construção Civil, pelo Programa dePós-Graduação em Construção Civil daUniversidade Federal do ParanáPPGCC/UFPR.

Orientador: Professor Ney AugustoNascimento, PhD.

CURITIBA/PR

OUTUBRO - 2002

Page 2: Dissertação Perda d'Água

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Page 3: Dissertação Perda d'Água

iii

DEDICATÓRIA

Aos familiares pela compreensão,

apoio e incentivo, essenciais para a

elaboração deste trabalho

Page 4: Dissertação Perda d'Água

iv

AGRADECIMENTOS

À ITAIPU BINACIONAL pela oportunidade de retornar ao caminho do

aprendizado acadêmico, após 26 anos dedicados à construção das barragens de São

Simão (GO) e Itaipu (PR).

Aos professores da UFPR, em especial ao Prof. Ney Augusto Nascimento,

orientador deste trabalho e Profos. Alberto Pio Fiori e Alessander Cristopher Morales

Kormamm, membros da banca examinadora.

Aos professores tutores, colegas do curso PPGCC e engenheiros consultores

da ITAIPU BINACIONAL, de quem sempre recebi apoio para solucionar problemas

de diversas natureza.

Aos colegas de trabalho pelo incentivo e, em especial, ao engenheiro

Ademar S. Fiorini pela permanente colaboração, sem restrição de horário, que permitiu

a estruturação do trabalho com conteúdo técnico-científico. E em particular aos

colegas de Dissertação Claudio Issamy Osako e Miguel Angel López Paredes pelo

apoio em todas as fases do trabalho.

À Deus pela vitória deste momento. Obrigado, Senhor.

Page 5: Dissertação Perda d'Água

v

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1 - ESCALA DE TEMPOS GEOLÓGICOS.............................................................................. 8FIGURA 2 - MAPA DO PARANÁ E ÁREA DE MATAS DE ARAUCÁRIA........................................ 10FIGURA 3 - MAPA DA BACIA DO PARANÁ E ÁREA DE OCORRÊNCIAS DE

DERRAMES BASÁLTICOS................................................................................................ 14FIGURA 4 - ITAIPU - CORTINA DE INJEÇÃO NA OMBREIRA DIREITA ....................................... 18FIGURA 5 - ARRANJO DAS CORTINAS DE INJEÇÃO E DRENAGEM NA REGIÃO

DO LEITO DO RIO.............................................................................................................. 20FIGURA 6 - CRITÉRIOS DE SUBPRESSÃO DO TVA ......................................................................... 22FIGURA 7 - CRITÉRIO DE SUBPRESSÃO DO BUREAU OF RECALMATIONS(USBR)................. 22FIGURA 8 - SUBPRESSÃO MEDIDA NA FUNDAÇÃO DE UMA BARRAGEM DE

GRAVIDADE....................................................................................................................... 23FIGURA 9 - EXEMPLOS DE SUBPRESSÃO - ESTUDO DE CASOS DE BARRAGENS

DA EUROPA........................................................................................................................ 26FIGURA 10 - BLOCO MAIS ALTO DE ITAIPU ..................................................................................... 31FIGURA 11 - ESQUEMA DE MONTAGEM DOS EQUIPAMENTOS DE ENSAIOS............................ 32FIGURA 12 - FOLHA DE CAMPO DE ANOTAÇÕES DO ENSAIO DE PERDA D'ÁGUA.................. 37FIGURA 13 - CIRCUITOS DE MONTAGEM DO ENSAIO DE PERDA D'ÁGUA

(ESCOLAS AMERICANA E EUROPÉIA) ......................................................................... 38FIGURA 14 - PARÂMETROS UTILIZADOS NO CÁLCULO DO ENSAIO DE PERDA D'ÁGUA .................... 41FIGURA 15 - ÁBACO COM HASTE DE PERFURAÇÃO AW (15,9 mm) E OBURADOR 1"

(25,4 mm)................................................................................................................................ 46FIGURA 16 - ÁBACO COM HASTE DE PERFURAÇÃO NX (76,2 mm) E OBTURADOR DE 1"

(25,4 mm)................................................................................................................................ 47FIGURA 17 - ÁBACO COM TUBULAÇÃO φ 1,25" (31,75 mm) E OBTURADOR PERFURADO DE

1" (25,4 mm)........................................................................................................................... 48FIGURA 18 - ÁBACO COM TUBULAÇÃO GALVANIZADA E OBTURADOR DE 1" (25,4 mm)................... 49FIGURA 19 - ÁBACO PERDA DE CARGA EM TUBULAÇÃO GALVANIZADA DE 3/4"

(19,05 mm)............................................................................................................................ 50FIGURA 20 - ÁBACO PERDA DE CARGA EM TUBULAÇÃO GALVANIZADA DE 1"

(25,4 mm).............................................................................................................................. 51FIGURA 21 - CURVAS DE CONVERSÃO DE PERDA ESPECÍFICA EM

PERMEABILIDADE (cm/s)................................................................................................. 55FIGURA 22 - MODELO ESPERADO DE COMPORTAMENTO DO FLUXO DURANTE O

ENSAIO ............................................................................................................................... 57FIGURA 23 - RELAÇÃO ENTRE PERDA D'ÁGUA E ABERTURA DE FRATURAS .......................... 58FIGURA 24 - ARRANJO GERAL DE ITAIPU.......................................................................................... 71FIGURA 25 - GEOLOGIA DA FUNDAÇÃO DA ESTRUTURA DE DESVIO ....................................... 73FIGURA 26 - DISTRIBUIÇÃO TEÓRICA DA PERMEABILIDADE EM MACIÇOS

BASÁLTICOS E INTRUSIVOS .......................................................................................... 74FIGURA 27 - SUB-HORIZONTES (ÁREAS) DE APLICAÇÀO DO CRITÉRIO DE VAZÃO ............... 75FIGURA 28 - SEÇÃO TRANSVERSAL DA ESTRUTURA DE DESVIO ............................................... 79

Page 6: Dissertação Perda d'Água

vi

LISTA DE FOTOS E TABELAS

FOTO 1 - OBTURADOR SIMPLES TIPO MECÂNICO DE 4'' (101,6 mm) e de 3" (76,2 mm)..................... 34TABELA 1 - DIÂMETROS DE EQUIPAMENTOS DE SONDAGEM ROTATIVA .............................. 44TABELA 2 - COMPARAÇÃO DE PERDA DE CARGA EM TUBULAÇÃO 25,4 mm

(ITAIPU E CORRÊA FILHO).............................................................................................. 52TABELA 3 - EQUAÇÕES DE CÁLCULO DA PERMEABILIDADE EM REGIME

TURBULENTO E LAMINAR ............................................................................................. 59TABELA 4 - ESPESSURA MÉDIA DOS DERRAMES DE BASALTO DA FUNDAÇÃO

DE ITAIPU ........................................................................................................................... 68TABELA 5 - TOTAL DE ENSAIOS PERDA D'ÁGUA UTILIZADOS NA DEFINIÇÃO

DOS SUB-HORIZONTES.................................................................................................... 78TABELA 6 - ROTEIRO DE CÁLCULO DA VAZÃO ANTES DAS INJEÇÕES.................................... 82TABELA 7 - ROTEIRO DE CÁLCULO DA VAZÃO APÓS AS INJEÇÕES ......................................... 83TABELA 8 - COMPARAÇÃO DA VAZÃO ESTIMADA COM OUTROS CRITÉRIOS ....................... 85

Page 7: Dissertação Perda d'Água

vii

LISTA DE SIGLAS

ABGE- Associação Brasileira de Geologia e Engenharia.............................................................................CBDB- Comitê Brasileiro de Barragens .......................................................................................................SNGB - Seminário Nacional de Grandes Barragens......................................................................................IPT - Instituto de Pesquisas Tecnológicas.................................................................................................ABGE- Associação Brasileira de Geologia de Engenharia...........................................................................CESP - Companhia Energética de São Paulo ...............................................................................................TVA - Tenesse Valley Authority.................................................................................................................USBR - United States Bureau of Reclamation ..............................................................................................

LISTA DE SÍMBOLOS

π − Pi .....................................................................................................................................................% - Por cento ..........................................................................................................................................OC - Grau Celcius.....................................................................................................................................φ − Diâmetro de furo de sondagem ........................................................................................................

Page 8: Dissertação Perda d'Água

viii

LISTA DE ABREVIATURAS

E - Módulo de deformabilidade .............................................................................................................PE' - Perda d'água específica turbulenta ...................................................................................................PE - Perda d'água específica ....................................................................................................................Pe - Pressão efetiva de ensaio de perda d'água específica .......................................................................Pm - Pressão manométrica do ensaio de perda d'água específica.............................................................Cf - Coeficiente de forma........................................................................................................................Q - Vazão ...............................................................................................................................................L - Comprimento do trecho de ensaio de perda d'água específica .........................................................F - Fator de conversão de perda d'água específica em permeabilidade .................................................K - Coeficiente de permeabilidade em regime laminar .........................................................................K' - Coeficiente de permeabilidade em regime turbulento......................................................................Msnm - Metro sobre o nível do mar ..............................................................................................................Mpa - Mega Pascal .....................................................................................................................................KPa - Quilo Pascal .....................................................................................................................................Kgf - Quilograma-força.............................................................................................................................Atm - Atmosfera.........................................................................................................................................Cm - Centímetro........................................................................................................................................Km - Kilômetro .........................................................................................................................................Kg - Quilograma ......................................................................................................................................l - Litro .................................................................................................................................................m - Metro................................................................................................................................................min - Minuto..............................................................................................................................................mm - Milímetro .........................................................................................................................................N.ª - Nível d'água .....................................................................................................................................e - Espessura de fratura do maciço rochoso ..........................................................................................g - Aceleração da gravidade ..................................................................................................................s - Segundo ...........................................................................................................................................p. - Página...............................................................................................................................................cap. - Capítulo............................................................................................................................................vol. - Volume.............................................................................................................................................

Page 9: Dissertação Perda d'Água

ix

RESUMO

Com a intensificação da implantação de usinas hidrelétricas entre as décadas de 1950 e1980, a engenharia brasileira experimentou grande evolução, tanto pela experiênciaadquirida em construção, quanto na área de projeto e de auscultação das obrasimplantadas. Muitos desses empreendimentos foram adequadamente monitorados pormétodos de observação preocupados em avaliar suas condições de segurança, bemcomo comprovar a validade das hipóteses estabelecidas em projeto. Essa experiência,adquirida com esmero, pode ser expressa por intermédio de grande quantidade detrabalhos técnicos publicados em eventos realizados no Brasil e no exterior.

O objetivo desta dissertação é permitir aos técnicos da área de segurança de barragenso uso de uma ferramenta útil para o controle de infiltrações. Propõe-se a adoção destecritério para determinar a vazão da água de percolação esperada através da fundaçãoda barragem, levando em consideração os parâmetros geo-hidrológicos do substratorochoso do próprio empreendimento. Pretende-se assim estabelecer valores deinfiltração a serem possivelmente utilizados como números limite para controle dainstrumentação.

Tal critério, em essência, estabelece que a vazão entendida como aquela relativa àpercolação de águas de infiltração através do embasamento rochoso da barragem, sejaobtida pela fórmula da Lei de Darcy, onde o coeficiente de permeabilidade é calculadoa partir dos ensaios padronizados de perda de água realizados nesse material dafundação.

Descreve-se o método de execução e a aplicação do ensaio de perda de água. Um totalde 214 desses ensaios, realizados antes de 1982, foram analisados e 43 deles aplicados,pelo critério proposto, neste estudo de caso, para determinar a vazão pela fundação daEstrutura de Desvio da Barragem de Itaipu. Os mesmos indicaram uma vazão esperadaapenas 18,5% superior à medida nessa estrutura nos últimos 10 anos. Isso evidenciou obom ajuste do critério proposto para a presente aplicação. O valor estimado de 32 l/s,caso fosse admitido como limite de projeto, resultaria no dimensionamento de bombasde recalque com capacidade para 72 l/s, o que representaria uma economia de 50% emrelação à estação de bombeamento atualmente instalada.

Para continuidade do estudo sugere-se aplicar o critério proposto em barragensconstruídas mais recentemente, onde tenha sido aplicado tratamento da rocha maissimplificado, ou mesmo sem tratamento, para avaliar o custo benefício desse tipo detratamento mais simples em relação ao maior custo de instalações de bombas derecalque.

Palavras-chave: Ensaio de Perda de Água; Perda de Carga; Permeabilidade;Subpressão; Nível de Água em Furo de Sondagem; Percolação.

Page 10: Dissertação Perda d'Água

x

ABSTRACT

The increase in the number of hydroelectric power plants in Brazil between the years1950 and 1980, caused a considerable gain as far as engineering dam design,construction and monitoring in the country is concerned. Dam instrumentation wasthen based on assumed safety and design hypothesis. Such experience is recorded in agreat number of technical papers that were published in several places an occasions,both in Brazil and abroad.

The objective of this dissertation is to call the attention of professionals involved indam safety for using a tool here described, as an aid in seepage control activities. Theadopted criteria is able to furnish the foundation seepage value considering the hydro-geological parameters of the local foundation material. It is intended to establish thedischarge which may be used for monitoring control.

The criteria considers that the rock strata foundation seepage follows Darcy's law, andthe permeability coefficient is obtained from standard water-pressure tests carried outin boreholes at the dam site. Description and discussions about the in situ tests arepresented, taking advantage of the broad amount of data available from the Itaipuexperience.

A total of 214 water pressure tests, carried out before 1982, were analyzed in thisstudy; 43 of them were used to apply this criteria to determine the seepage dischargethrough the Diversion Structure of Itaipu Dam. The results show values 18,5% abovethe average rate of flow measured during the past 10 years, which is a reasonably goodadjustment for the proposed method. The resultant discharge of 32,0 l/s, given by themethod applied to the present case, if had been adopted as a design parameter, wouldhave given pump capacity of 72 l/s, which is an economy of 50% compared to the sizeof pumps actually installed.

For future research on the subject, it is suggested the use of this criteria in recentlybuilt hydro developments, either with simplified rock foundation treatment or with notreatment at all, to evaluate the cost advantages is in comparison to the normally highcost of water pumps.

Key-words: Water-Pressure Test; Head loss, Permeability, Uplift, Water table,Seepage

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SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS ........................................................................................... ........................................ vLISTA DE FOTOS E TABELAS ............................................................................................................... viLISTA DE SIGLAS E SÍMBOLOS ............................................................................................................. viiLISTA DE ABREVIATURAS ..................................................... ................................................................ viiiRESUMO ............................................................................................................................................... ixABSTRACT........................................................................... ........................................................................ xSUMÁRIO ............................................................................................................................................... xi1 - INTRODUÇÃO ............................................................................................................................ 12 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................................... 82.1 - TEMPO GEOLÓGICO ................................................................................................................... 82.2. - GEOLOGIA DA BACIA DO PARANÁ ........................................................................................ 92.2.1 - Aspectos Geomorfológicos ............................................................................................................. 92.2.2 - Litologia .......................................................................................................................................... 112.2.3 - Aspectos Tectônicos........................................................................................................................ 132.2.4 - Fundações das Barragens de Itumbiara, Porto Colombia e Itaipu................................................... 152.3 - TRATAMENTO DE FUNDAÇÕES POR INJEÇÃO E DRENAGEM.................................................... 162.3.1 - O Exemplo de Itaipu........................................................................................................................ 172.4 - INJEÇÃO OU DRENAGEM? ........................................................................................................ 203 - ENSAIO DE PERDA D’ÁGUA SOB PRESSÃO........................................................................ 273.1 - HISTÓRICO.................................................................................................................................... 273.2 - RECOMENDAÇÕES SOBRE OS EQUIPAMENTOS DE ENSAIO............................................ 313.3 - PROCEDIMENTOS DE EXECUÇÃO DO ENSAIO .................................................................... 353.4 - CRITÉRIOS DE PRESSÃO OPERACIONAL DO ENSAIO (Pm) ............................................... 383.5 - PRESSÃO EFETIVA DE ENSAIO (Pe) ........................................................................................ 403.6 - CÁLCULO DO ENSAIO DE PERDA D'ÁGUA ESPECÍFICA (PE)............................................ 433.7 - PERDA DE CARGA NA TUBULAÇÃO DE ENSAIO................................................................. 433.7.1 - Diâmetros dos Equipamentos de Sondagens................................................................................... 443.7.2 - Critérios Recomendados para Avaliação da Perda de Carga........................................................... 453.7.2.1 - Perda de carga na tubulação de ensaio - Ábacos aplicados em Itaipu ............................................. 453.7.2.2 - Critérios de perda de carga proposto por Corrêa Filho.................................................................... 493.7.3 - Análise Comparativa ....................................................................................................................... 514 - CÁLCULO DA PERMEABILIDADE (K) A PARTI R DOS ENSAIOS (PE) ........................ 544.1 - COMPORTAMENTO DO FLUXO NO TRECHO ENSAIADO................................................... 565 - MODELO PARA DETERMINAÇÃO DA VAZÃO PEL A FUNDAÇÃO .............................. 615.1 - CRITÉRIO PROPOSTO PARA ESTIMAR A VAZÃO................................................................ 615.2 - ROTEIRO PARA DETERMINAR A VAZÃO DE INFILTRAÇÃO ............................................ 626 - ESTUDO DE CASO - BARRAGEM DE ITAIPU ..................................................................... 666.1 - OBJETO DO ESTUDO DE CASO................................................................................................. 666.2 - CARACTERÍSTICAS DA GEOLOGIA NA REGIÃO DE ITAIPU ............................................. 676.2.1 - Geologia do Maciço Rochoso da Fundação .................................................................................... 676.2.2 - Condutividade Hidráulica da Fundação .......................................................................................... 696.3 - DETERMINAÇÃO DA VAZÃO - APLICAÇÃO DO ROTEIRO ................................................ 706.3.1 - Definição da Estrutura do Estudo de Caso ...................................................................................... 706.3.2 - Análise dos Ensaios de Perda d'água Específica ............................................................................. 736.3.3 - Definição dos Horizontes Permeáveis da Fundação........................................................................ 746.3.4 - Permeabilidade Adotada.................................................................................................................. 776.3.5 - Determinação do Gradiente Hidráulico........................................................................................... 796.3.6 - Vazão Estimada pelo Critério Proposto .......................................................................................... 806.4 - COMPARAÇÃO COM OUTROS CRITÉRIOS ............................................................................ 847 - DISCUSSÕES E CONCLUSÕES ............................................................................................... 877.1 - DISCUSSÕES................................................................................................................................. 877.2 - CONCLUSÕES............................................................................................................................... 887.3 - RECOMENDAÇÕES ..................................................................................................................... 90REFERÊNCIAS ........................................................................................................................................... 91

Page 12: Dissertação Perda d'Água

1

1 INTRODUÇÃO

A experiência tem mostrado que a vazão constitui, em muitos casos, uma das

grandezas de engenharia mais importantes na avaliação das condições de segurança

das estruturas hidráulicas e de suas fundações. O monitoramento dessa grandeza

representa um dos métodos de observação das estruturas, no que se refere à comprovar

a validade das hipóteses de projeto, visando a avaliação de suas condições de

segurança. Isso se deve ao fato da vazão expressar de forma rápida qualquer anomalia,

tanto nas estruturas de concreto e terra, como nas fundações. A ocorrência de vazão

súbita em estruturas hidráulicas provoca desconforto e preocupações entre os técnicos

responsáveis pela segurança do empreendimento, por não poderem responder,

prontamente, às seguintes indagações:

a) qual a origem da água de surgência? ;

b) a vazão de infiltração é compatível com as hipóteses admitidas nos

cálculos de projeto? ;

c) quais as providências a serem tomadas?

Esta dissertação limita-se a responder à segunda indagação, ao apresentar o

critério para determinação de vazões pela fundação de barragens, as quais

representarão as águas que se esperam que percolem pela fundação da barragem.

Propõe-se que esses valores poderão ser utilizados como controle da instrumentação

de segurança das estruturas civis da barragem.

Na análise das vazões de infiltrações, os técnicos podem ser conduzidos a

uma situação de falsa segurança, pois os valores, geralmente conservadores, previstos

na fase de projeto poderão superar em muito os valores medidos. Assim, os acréscimos

localizados de vazões que poderiam representar sinais de alerta, por serem geradores

de situações mais graves ou até mesmo fora de controle, muitas vezes recebem pouca

importância na análise de desempenho das estruturas.

Page 13: Dissertação Perda d'Água

2

Preocupado em melhor atender às necessidades do monitoramento civil de

estruturas hidráulicas, propõe-se com este trabalho a adoção de um critério novo, por

intermédio do qual serão buscados valores mais próximos daqueles que expressam um

comportamento normal das infiltrações. Tal critério leva em consideração o

comportamento do maciço rochoso frente à percolação de água pelas fissuras das

rochas de fundação do empreendimento hidrelétrico. O critério proposto aplica-se a

um estudo de caso, visto que será desenvolvida uma retroanálise dos resultados de

ensaios de perda d’água, executados em grande número durante as investigações

geológicas e execução dos tratamentos de fundação das obras hidráulicas,

especialmente na barragem de Itaipu.

Em conseqüência do acidente da Barragem da Pampulha, em maio de 1954,

a prefeitura de Belo Horizonte/MG patrocinou a publicação do livro RUPTURA DA

BARRAGEM DA PAMPULHA, elaborado pelo IPT, com o objetivo de se conhecer

profundamente a relação causa efeito desse acidente. Na elaboração deste documento

técnico, VARGAS et all (1955) estabeleceram a classificação de quatro tipos ou

grupos de rupturas de barragem:

a) rupturas estruturais ocorridas por se terem ultrapassadas as resistências

dos materiais da fundação e do corpo da barragem;

b) rupturas hidráulicas ocorridas por excesso de forças resultantes da

percolação da água que venham a produzir condições desfavoráveis para

a estabilidade, ou permitir intensas erosões;

c) rupturas por galgamento da crista devido às condições hidrológicas não

previstas nos estudos de projeto ou por falhas na operação de vertedouros.

d) acidentes de construção referentes aos casos de rupturas isolados que não

podem ser sistematizados, pois referem-se mais aos defeitos de

construção do que devido a aspectos de cálculo.

Page 14: Dissertação Perda d'Água

3

Nessa época, o superintendente do IPT, engenheiro Francisco João MAFFEI,

ao elaborar o prefácio do livro de VARGAS escreveu que, se há um país onde a

técnica de construção de barragens precisa ser desenvolvida, esse país é o Brasil.

Pode-se dizer que o desafio proposto por MAFFEI foi importante para o

desenvolvimento da Engenharia, gerando várias ações como descritas a seguir

Em meados da década de 50 e início da década de 60, o Brasil intensificou a

construção de hidrelétricas, sendo as barragens de grande porte concluídas até a

década de 1980. Essas obras formaram a base da matriz energética atual do país.

Nesse período, conforme relatado por AZEVEDO (1993), a engenharia

brasileira teve de construir, em curto espaço de tempo, grande número de barragens de

concreto de gravidade, tipo maciça, assentadas em basalto, o que propiciou ao meio

técnico nacional grande experiência em tratamento de fundações e análise de

subpressões nesse tipo de rocha, experiência traduzida por importantes trabalhos

técnicos.

Um dos importantes trabalhos publicados para consolidar essa experiência

foi o cadastro geotécnico de barragens da Bacia do Rio Paraná. Na apresentação desse

acervo técnico, SIGNER (1983) já considerava oportuna essa ocasião para reflexões,

análises e síntese da experiência adquirida pela geotecnia brasileira após a construção

de mais de trinta Usinas Hidrelétricas. O cadastro produzido contém os aspectos mais

relevantes do ponto de vista de projeto e constituiu-se em uma grande fonte de dados

de projetos e diversos problemas de execução de obras com características geotécnicas

ou físicas bastante semelhantes.

Dando continuidade à esse esforço de consolidar o conhecimento adquirido

pelas empresas brasileiras, o engenheiro SILVEIRA (1996), coordenador da Comissão

de Auscultação e Instrumentação de Barragens, apresentou um trabalho abordando e

Page 15: Dissertação Perda d'Água

4

historiando a experiência brasileira nessa área da engenharia. Esse documento

consubstanciava a experiência de três décadas de execução de um significativo número

de hidrelétricas de grande porte e o acúmulo de um vasto acervo de dados dessa área.

O trabalho apresentou o cadastramento de mais de cem obras instrumentadas, sendo

finalizado com a apresentação de diretrizes para a inspeção visual de barragens.

Outro esforço nesse sentido ocorreu através do Núcleo Regional de São

Paulo do Comitê Brasileiro de Barragens - CBDB, com a criação da Comissão

Regional de Segurança de Barragens, que estabeleceu entre suas metas prioritárias o

levantamento da situação da segurança de barragens no Estado de São Paulo, visando a

elaboração de um GUIA BÁSICO DE SEGURANÇA DE BARRAGENS.

A publicação desse guia pelo CBDB (2001) constituiu mais uma etapa

vencida para consolidar o desenvolvimento da engenharia brasileira na área de

segurança de barragens e possibilitou aos profissionais acesso às informações mais

recentes e, principalmente, definição de requisitos e recomendações mínimas a serem

seguidos em estudos relativos a segurança das estruturas, segundo critérios uniformes

e coerentes com o atual estágio do conhecimento. Assim, procurou-se através desse

guia atingir os seguintes objetivos:

a) definir requisitos mínimos de segurança;

b) uniformizar os critérios empregados;

c) permitir supervisão consistente da segurança de barragens, de modo a

conduzir à execução de melhorias que contribuam para aumentar a

confiabilidade da mesma e permitam melhor avaliação do desempenho

das estruturas;

d) fornecer uma base para a legislação e regulamentação da segurança de

barragens, em âmbito nacional. Um sonho a ser alcançado.

Dando continuidade à consolidação desses conhecimentos, a ELETROBRÁS

(2001) formou um grupo de profissionais, ainda atuantes no setor elétrico, do qual o

Page 16: Dissertação Perda d'Água

5

autor é um dos colaboradores, para elaborar um documento de critérios de projeto civil

de usinas hidrelétricas. Esse documento encontra-se com a minuta em revisão, e tem

como objetivo preservar a memória do setor elétrico, adquirida ao longo dos últimos

50 anos. Com esse documento pretende-se garantir no futuro o padrão de qualidade

dos projetos hidrelétricos, buscando perpetuar o conhecimento técnico da engenharia

brasileira, adquirido nas últimas cinco décadas em projetos, construção e controle de

barragens. Assim, procurou-se apresentar o desenvolvimento de projeto de usinas em

todas as suas etapas, visando fixar as condições exigíveis para a verificação da

segurança das estruturas, estabelecer definições, normas e critérios de quantificação

das ações atuantes nas estruturas, bem como definir os ensaios de caracterização e

propriedades dos materiais, principalmente de resistência. A incorporação dessas

exigências nos projetos tem por finalidade garantir a máxima eficiência, durabilidade e

confiabilidade das estruturas, as quais garantem a integridade do reservatório, primeiro

elemento da cadeia de geração da energia elétrica.

Em julho de 2001, o Núcleo Regional do Estado de São Paulo do CBDB

(2001) promoveu o SIMPÓSIO DE RISCOS ASSOCIADOS À BARRAGENS onde o

jurista POMPEU(2001) abordou com muita clareza o fato de que se não houvesse

“risco” não haveria preocupação com a segurança da barragem, em tema sobre os

aspectos desse campo da engenharia. Ainda nesse evento, SILVEIRA (2001), buscou

sensibilizar os participantes para a importância do controle das condições de segurança

das barragens, porque no caso de acidente, as conseqüências muitas vezes são

catastróficas, em termos perda de vidas humanas, materiais e danos ao meio ambiente.

Mais recentemente, em novembro de 2001, durante o XXIV Seminário

Nacional de Grandes Barragens (SNGB) em Fortaleza, observou-se grande

preocupação e esforço da comunidade técnica para a criação de normas de

regulamentação de segurança de barragens, as quais constituiriam um projeto de lei,

que submetido ao Congresso Nacional se transformasse em lei. Esses esforços vêm

Page 17: Dissertação Perda d'Água

6

sendo intensificados, mais recentemente, em vista da tendência nacional de

privatização dos empreendimentos hidrelétricos em operação e de novas concessões de

usinas, necessárias para garantir o aumento da matriz energética do Brasil.

O debate de temas como esses evidencia a preocupação do CBDB com o

estado limite de servicibilidade das obras construídas. Ou seja, preocupa-se com o

estado limite de serviço dos empreendimentos, onde a estrutura hidráulica deve

apresentar comportamento aceitável quanto ao seu estado de deformação, fissuração e

permeabilidade.

Diante do cenário exposto acima, o controle de vazões de infiltração torna-se

fundamental para a análise de desempenho de uma estrutura hidráulica. Essa grandeza

de engenharia evidencia de forma rápida, possíveis anomalias pela fundação da

estrutura. A simples comparação dos valores medidos com os previstos na fase de

projeto, por critérios conhecidos como de Lugeon e de Pautre descritos no item 6.4, ou

ainda, com os valores obtidos pelo critério proposto nesta dissertação, permitirá aos

técnicos responsáveis pela segurança da barragem avaliar a urgência e a classe de

intervenção.

No projeto de uma barragem, a subpressão atuante em descontinuidades da

fundação e no contato concreto/rocha é amplamente avaliada na verificação da

estabilidade do bloco. Pouca importância é dada à vazão, até mesmo porque o projeto

adota na avaliação da estabilidade, critérios de subpressão recomendado pelo Bureau

of Reclamation (USBR), que leva em consideração a carga hidráulica do reservatório e

a posição da cortina de drenagem com drenos operantes, como descrito no item 2.4.

ELETROBRÁS (2001) recomenda a verificação de estabilidade do bloco com drenos

inoperantes, onde a subpressão variará linearmente entre as cargas hidrostáticas de

montante e jusante, desprezando-se o efeito da cortina de drenagem.

Page 18: Dissertação Perda d'Água

7

Dessa forma, a elaboração do critério proposto nesta dissertação para

determinação de vazões mais próximas da realidade, constitui um recurso adicional à

disposição dos técnicos de segurança da barragem, visando subsidiar a análise do

desempenho das estrutura.

Na primeira parte deste trabalho (capítulo 2), apresenta-se uma revisão

bibliográfica, com destaque para a geologia da Bacia do Rio Paraná, incluindo a

descrição da litologia, aspectos geomorfológicos e tectônicos dessa formação

geológica que constitui a fundação de quarenta e uma barragens da região sul do

Brasil. Ainda neste capítulo, apresentam-se três dessas barragens, com descrição das

características de suas fundações, fazendo-se uma abordagem sobre drenagem e

tratamento do maciço rochoso por injeção de cimento.

Gil(1991) recomenda que no estudo de caso é importante indicar a forma de

coleta dos dados, e por essa razão, no capítulo 3 apresentam-se as instruções

necessárias para a execução do ensaio de perda d'água, compreendendo desde a

seqüência de procedimentos de campo e processamento de cálculo do ensaio. O

capítulo 4 indica a forma de conversão desses resultados em permeabilidade da rocha.

No capítulo 5 desenvolve-se o critério de determinação da vazão, sendo apresentado

no capítulo 6, o estudo de caso para as fundações da Estrutura de Desvio da barragem

de Itaipu. Nesse capítulo, procede-se a um estudo comparativo entre o valor da vazão

estimada pelo critério proposto com outros critérios utilizados para prever vazões pelas

fundações da barragem. Sugere-se que a vazão estimada pelo critério proposto

represente a vazão normal de água que se espera que percole pela fundação da

barragem, a qual poderá ser utilizada como referência para o controle dessa grandeza.

Finalmente, no capítulo 7 apresentam-se as discussões e conclusões e

encerra-se com a indicação de continuidade de pesquisa, sugerindo a aplicação do

critério, ora proposto, em outras barragens, para avaliar o custo benefício de um

tratamento da fundação sofisticado e oneroso em relação à outro mais simples.

Page 19: Dissertação Perda d'Água

8

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Neste capítulo apresentam-se os aspectos geológicos de caracterização das

ocorrências de derrames basálticos com idade aproximada de 140 milhões de anos,

incluindo uma abordagem sobre o tratamento dessas rochas de assentamento de 41

importantes barragens da região centro-sul do Brasil.

2.1 TEMPO GEOLÓGICO

Segundo ALMEIDA e RIBEIRO (1998), a idade relativa da terra pode ser

obtida observando-se as marcas dos eventos nela registrados e pela ordem natural de

superposição das camadas de sedimentares e de fósseis. Os autores apresentam a

figura 1, onde a coluna estratigráfica foi estabelecida considerando os eventos maiores

da história geológica, como as etapas da evolução da vida e soerguimento das grandes

cadeias de montanha. Para referência, considera-se que a Terra surgiu há 4500 milhões

de anos e, embora seja incerta, aceita-se a idade do universo de 15.000 milhões de

anos.

FIGURA 1 - ESCALA DE TEMPOS GEOLÓGICOS

FONTE: ALMEIDA e RIBEIRO (1998)

Page 20: Dissertação Perda d'Água

9

2.2 GEOLOGIA DA BACIA DO ALTO PARANÁ

BARTORELLI(1983) descreve a geologia geral das barragens da Bacia do

Rio Paraná, abrangendo os aspectos relativos ao relevo, litologia, tectonismo e

condicionantes geológico-geotécnicos relevantes.

A bacia hidrográfica do Rio Paraná abrange uma área, em território

brasileiro, superior a um milhão de km2 e eqüivale, de modo aproximado, à área da

bacia sedimentar homônima, a qual assim se caracterizou desde o período Devoniano

até o fim do Mesozóico. A bacia sedimentar resulta do movimento crustal

caracterizado pelo afundamento da superfície sólida da terra em relação a áreas

circunvizinhas.

Esse comportamento tectônico propiciou condições favoráveis a

sedimentação em ambientes os mais diversificados, envolvendo depósitos marinhos,

estuarinos, lacustres, glaciais, desérticos e fluviais recobertos, em grande parte, pelo

espesso pacote vulcânico representado pelas rochas basálticas da Formação Serra

Geral. Esses materiais correspondem à unidade geológica de maior importância para

projetos de Engenharia nessa área.

2.2.1 Aspectos Geomorfológicos

Sob o ponto de vista fisiográfico, a Bacia do Rio Paraná drena,

essencialmente, uma extensa área planáltica, variando desde a cota 2.000 metros sobre

o nível do mar (msnm) nas cabeceiras orientais, até 100 msnm no médio curso do rio

Paraná, na fronteira do Brasil com o Paraguay e Argentina.

As diferenças mais marcantes das feições geomorfológicas, hidrográficas, de

relevo e vegetação permitiram dividir o planalto basáltico do Paraná em duas unidades

principais, uma representada pela Bacia do Alto do Paraná ao norte, e outra

meridional, subdividida em Planalto das Araucárias na região leste do Estado e Zona

das Missões na porção oeste, como mostrado na figura 2.

Page 21: Dissertação Perda d'Água

10

FIGURA – 2 MAPA DO PARANÁ E ÁREA DE MATAS DE ARAUCÁRIA

FONTE: PÁGINA DA ARAUCÁRIA, DISPONÍVEL NA INTERNERT (2003)

A Bacia do Alto do Paraná caracteriza-se por apresentar uma cobertura

sedimentar mesozóica generalizada, representada pelos arenitos do Grupo Bauru, os

quais incluem a Formação Caiuá. O relevo é suavisado, com vales pouco encaixados,

sendo que os grandes rios possuem seus leitos já escavados sobre o substrato basáltico.

Essa unidade geomorfológica setentrional encontra-se naturalmente limitada com a

unidade ao sul pelo fim de ocorrência dos sedimentos supra-basálticos, início das

matas de Araucária, e pelas cataratas das Sete Quedas, que dividiam o alto e o médio

curso do Rio Paraná. Na região da Bacia do Alto do Paraná distinguem-se duas sub-

unidades, uma representada pelas “cuestas” basálticas marginais e outra representada

pelos planaltos sedimentares da parte central da bacia, onde o terreno natural

apresenta-se variando entre as altitudes de 200 a 800 m em relação ao nível do mar.

Na Bacia do médio Paraná, ao sul de Sete Quedas, o Planalto das Araucárias

atinge freqüentemente altitudes superiores a 600 m, possuindo relevo acidentado, com

vales bastante encaixados, enquanto a zona das Missões é mais suave e as altitudes vão

decrescendo progressivamente até a altitude de 100 msnm, em direção à Bacia

Pampeana.

Page 22: Dissertação Perda d'Água

11

A cobertura cenozóica, por sua vez, é muito mais evidente na Bacia do Alto

Paraná, onde o nível de base local, representado antigamente pelos Saltos das Sete

Quedas, barrou a migração dos aluviões, os quais originaram extensas planícies e

terraços cenozóicos, com significativa expressão morfológica nos vales do Rio Paraná

e seus afluentes a montante de Sete Quedas. Essa situação é marcante na área de

Guaíra, onde depósitos aluviais recentes e de terraço atingem vários quilômetros de

largura logo a montante das Sete Quedas, praticamente não existindo a partir desse

local, onde o Rio Paraná precipitava-se num estreito “ canyon” com menos de 100 m

de largura. Em 1982, esse "Canyon" ficou submerso pelas águas do reservatório da

Usina de Itaipu.

2.2.2 Litologia

Com interesse para obras de engenharia, sob o ponto de vista litológico,

merecem citação apenas as rochas das camadas que capeiam a seqüência sedimentar

paleozóica e mesozóica média - superior, constituídas pelos basaltos com gênese no

período Jurássico e Cretáceo médio e superior da Formação Serra Geral, e arenitos do

Grupo Bauru correspondente ao cretáceo médio e superior. BARTORELLI (1983,

p.13) considerou os depósitos coluvionares e aluvionares cenozóicos importantes e

bastante freqüentes nas fundações de obras de engenharia.

As rochas basálticas constituem o substrato formado pelas seqüências

sedimentares mais novas e, praticamente, é nesse substrato que se apoiam as grandes

estruturas de concreto de barragens na Bacia do Paraná. Este embasamento

caracteriza-se por seqüências de sucessivos derrames de lava com espessuras

individuais variando de 10 metros a várias dezenas de metros acumulando espessura

média de até 1.600 metros. Exemplo é a região central da Bacia, onde a Usina de

Capivara localizada no Rio Paranapanema a 60 km de Presidente Prudente no estado

de São Paulo, a espessura média das camadas de basalto atinge 900 metros, como foi

Page 23: Dissertação Perda d'Água

12

registrado por BARTORELLI (1983, p.122). Já na região de Ciudad Del Este, no

Paraguai, a perfuração de um poço artesiano indicou a espessura do basalto de 430

metros abaixo do terreno natural, quando atingiu o arenito situado abaixo do basalto na

profundidade correspondente à cota -230 metros em relação ao nível do mar.

Cada derrame de lava é caracterizado por forte diaclasamento horizontal na

base, realçado pelas estruturas de fluxo, o qual cede lugar, no corpo do derrame, ao

diaclasamento vertical que pode chegar a isolar blocos de rocha de estrutura maciça e

textura microcristalina (denso). No topo, os derrames mostram incipiente

diaclasamento horizontal e carcterizam-se por apresentar inúmeras vesículas e/ou

amígdalas preenchidas por diversos minerais como quartzo, calcita, zeolitas, argilo-

minerais, etc. Geralmente ocorrem camadas de brechas aglomeráticas que podem

atingir 10 metros ou mais de espessura, sendo freqüente sua utilização para

fechamento de grandes rios e, também, empregadas na construção de enrocamento,

devido à sua resistência e tamanho dos blocos.

De maneira geral, os basaltos constituem fundações de boa qualidade para

grandes estruturas de concreto. As maiores descontinuidades que apresentam são

quase sempre horizontais e quando interferem com a segurança de obras, os problemas

são resolvidos, em grande parte das vezes, por rebaixamento das cotas de escavação

das fundações ou por substituição do material fraco das descontinuidades por outro de

propriedades mecânicas adequadas ao projeto. Um exemplo do último caso citado

ocorreu com o reforço das fundações de Itaipu, na região do leito do Rio Paraná, onde

o contato entre dois derrames posicionado 20 m abaixo da fundação apresentava-se

com preenchimento de argila e seus parâmetros de coesão e atrito não atendiam aos

cálculos de estabilidade do bloco de concreto da barragem. A solução nesse caso foi a

abertura de túneis com seção de 3,5 x 2,5m de altura escavados ao longo do contato

frágil, os quais foram preenchidos com concreto em substituição ao material de

resistência inadequada. Esse tratamento de fundação foi denominado de "Chavetas", as

quais correspondem aos túneis preenchidos de concreto que substituíram o material

mais fraco da fundação. PORTO et all (1999) registraram o desempenho desse

tratamento, 17 anos após o enchimento do lago de Itaipu.

Page 24: Dissertação Perda d'Água

13

Os depósitos coluviais são constituídos principalmente por argilas arenosas e

siltosas, muitas vezes com níveis de cascalho na base, e possuem coloração típica

marrom-avermelhada escura. Nas áreas de cobertura arenítica a percentagem de areia

chega a oscilar em torno de 50%. Segundo BARTORRELI (1983, p.13), os colúvios

prestam-se muito bem à utilização como material de empréstimo devido ao seu

excelente comportamento quando submetidos aos processos de compactação.

2.2.3 Aspectos Tectônicos

A Bacia do Paraná foi afetada mais intensamente por tectonismo, durante a

reativação dos períodos Jurássico e Cretáceo, responsáveis por extensos fraturamentos

da crosta que permitiram o acesso de grande volume de lavas basálticas provenientes

do manto superior do núcleo da terra. Dessa maneira originaram-se extensas camadas

de derrame fissural definido por ALMEIDA e RIBEIRO (1998, p.26), como resultante

do extravasamento da lava por meio de uma rede de fraturas na superfície terrestre.

É caracterizada, assim, sob o ponto de vista estrutural, por grandes

alinhamentos transversais ao eixo da bacia, orientados dominantemente para noroeste

e oeste-noroeste, os quais se estendem por várias centenas de quilômetros e ocupam

faixas com 20 até 100 km de largura. Os alinhamentos ocupam faixas coincidentes

com os vales de alguns grandes afluentes do Rio Paraná pela margem esquerda, como

os dos rios Iguaçu, Piquirí, Paranapanema, Tiete, Grande e outros, além do próprio rio

Uruguai que forma uma bacia praticamente independente, conforme indicado por

BARTORELLI (1983, p.14).

Quanto aos fenômenos de sismicidade induzida, caso venham a ocorrer, é

provável que os mesmos apresentem epicentro, com maior freqüência, em áreas de

reservatórios localizados ao longo da direção de fraqueza crustal. ANDE e

ELETROBRÁS (1974) registraram que em várias partes do mundo, inclusive no

Brasil, tem ocorrido sismos induzidos por reservatório. A formação do lago pode

alterar as condições estáticas da rocha de duas maneiras. Uma mecânica devida à

Page 25: Dissertação Perda d'Água

14

massa de água e outra hidráulica devida às infiltrações de águas subterrâneas em

camadas mais profundas. A combinação dessas duas forças podem gerar distúrbios

tectônicos, caso ocorra em região de descontinuidades e falhas maiores.

Na figura 3, mostram-se as áreas de ocorrência de derrames basálticos da

Bacia do Rio Paraná com localização de quarenta barragens da região sul do Brasil e a

barragem de Yacyretá localizada no Paraguay. Nessa bacia foram demarcadas as

formações geológicas dos derrames de basalto, abrangendo a região sul do Brasil,

parte leste do Paraguai e a porção setentrional da Argentina. Várias barragens da

Cemig, Cesp e Copel encontram-se assentadas nesses derrames de basalto.

FIGURA – 3 MAPA DA BACIA DO PARANÁ E ÁREA DE OCORRÊNCIA DE DERRAMES BASÁLTICOS

FONTE: CBDB (2000) e NAKAO (1983)

Page 26: Dissertação Perda d'Água

15

2.2.4 Fundações das Barragens de Itumbiara, Porto Colômbia e Itaipu

NAKAO (1983), descrevendo uma síntese das percolações pela fundações

das barragens de terra de Itumbiara, Porto Colômbia e Itaipu, apresentou o perfil

estratificado com as características das camadas de cobertura, as quais resultam em

produto de intemperização “in situ” do basalto, sobre o maciço rochoso matriz. A

transição entre essas duas unidades geológicas se faz com a variação gradual nas

propriedades físicas, químicas, mecânicas e hidrogeotécnicas, constituindo o solo

alterado do basalto, denominado de saprolito na área do projeto de Itaipu. Esse solo

está caracterizado pela ABNT (1980) como um solo de alteração de rocha, por ser

proveniente da desintegração, "in situ", da rocha matriz de basalto por agentes de

intempérie, tanto físico como vento, calor e pressão, como químicos pela presença de

águas de chuvas e de percolação.

Um perfil dessa região apresenta do topo para a base, os seguintes estratos:

a) a camada de solo superficial, que se caracteriza por sua homogeneidade,

coloração avermelhada a marrom escura, porosidade elevada, baixa

resistência à penetração SPT e altos valores de limite de liquidez. Na base

dessa camada superficial ocorrem, em geral, níveis de concreções

limoníticas, pedregulhos e cascalhos arredondados de quartzo e

calcedônia;

b) subjacente à camada homogênea segue-se o material saprolítico de

basalto, com cores variáveis, predominando a cinza e amarela, com

vestígios da rocha matriz cada vez mais nítidos com a profundidade,

destacando-se fraturas antigas bastante visíveis por onde se faz a

percolação da água subterrânea. As percolações preferenciais se fazem na

base dessa camada saprolítica, onde o basalto se apresenta fraturado e

com alteração pronunciada ao longo das paredes das fraturas. Os ensaios

de perda d’água nessa camada apresentam, em geral, perdas elevadas ou

totais da água de ensaio;

Page 27: Dissertação Perda d'Água

16

c) o maciço rochoso imediatamente subjacente é pouco permeável e

altamente resistente, apesar das juntas-falhas e microfissuras freqüentes.

Entretanto, essas características podem sofrer mudanças bruscas pela

presença de camadas de brechas, arenitos intertrapeanos, basalto vesicular

ou amigdaloidal e basalto desagregável.

2.3 TRATAMENTOS DE FUNDAÇÕES POR INJEÇÃO E DRENAGEM

LORENZ e VAZ (1998, p.361) registraram a necessidade de melhoria ou

reforço das características originais de um maciço geológico, aplicando um tratamento

através do qual sejam melhoradas as propriedades mecânicas e hidráulicas da rocha de

forma a adequá-la às solicitações impostas por uma obra de engenharia.

Os critérios de projeto civil em fase de emissão pela ELETROBRÁS (2001)

recomendaram o melhoramento das propriedades do maciço em seus aspectos de

resistência, deformabilidade e permeabilidade através da execução de tratamento do

maciço com injeção profunda, para eliminar zonas de grande concentração de fluxo e

um sistema de drenagem eficiente. A redução da permeabilidade não tem efeito direto

na estabilidade, mas contribui para a diminuição do fluxo afluente ao sistema de

drenagem, não havendo necessidade do projeto contemplar impermeabilização

absoluta da rocha. Essa proposta da Eletrobrás representa os procedimentos aplicados

nas construções das barragens do Brasil, sendo mencionado pelo seu caráter

regulamentador, assegurando a sua aplicação nos projetos civis de barragens a serem

desenvolvidos pelos consórcios privados, hoje responsáveis pelo crescimento da

matriz energética brasileira, em vista do processo de privatização, ora em andamento.

BIRINDELLI (1987) também registrou que a implantação de obras que

acarretam alterações nas solicitações atuantes nos maciços rochosos e, por outro lado,

a necessidade de um funcionamento adequado e seguro das estruturas, exige uma

intervenção para melhorar suas características de suporte, estanqueidade e

permeabilidade.

Page 28: Dissertação Perda d'Água

17

No que se refere à hidrogeotecnia, esses tratamentos da rocha se resumem,

basicamente, em dois tipos: cortina de injeção e drenagem. Geralmente, as injeções

constituem-se de uma ou mais linhas de furos dispostos ao longo do pé de montante da

barragem, igualmente espaçados e injetados com calda de cimento. Menos comum é a

utilização de outros materiais como resina orgânica, devido ao alto custo dos produtos

químicos. Um exemplo de aplicação de resina foi registrado por BARBI (1991), em

que essa resina foi utilizada no tratamento do concreto de alta permeabilidade da Casa

de Força de Itaipu. De modo geral, quando o tratamento por injeção de cimento não

reduz a permeabilidade aos níveis indicados pelo projeto, utiliza-se uma calda de

injeção com mais de um tipo de material. Nesse caso, primeiro injeta-se a calda de

cimento, e em seguida a resina orgânica, que somente será aplicada no final do

processo de injeção, visando minimizar o consumo do produto de maior custo. A

resina preenche as microfissuras do meio tratado, reduzindo sua permeabilidade a

valores inferiores a 10-6 cm/s, como indicado por LORENZ e VAZ (1998, p.368).

CASAGRANDE(1961) considerou a importância de se investigarem as

injeções constituídas de uma linha de furos, as quais podem não ser confiáveis.

Atualmente são mais executados tratamentos com cortinas profundas compostas de

mais de uma linha de furos, injeções rasas de colagem do contato concreto/rocha e

injeções de consolidação da porção superior do maciço, que geralmente se apresentam

com fraturas de alívio em vista dos abalos provocados pelos fogos de escavação.

2.3.1 O Exemplo de Itaipu

As estruturas de Itaipu estão apoiadas sobre os derrames basálticos da Bacia

do Alto Paraná pertencentes à Formação Serra Geral, de idade jurássica. Os derrames

são bastante uniformes, variando de um basalto cinzento no corpo do derrame, a uma

rocha vesicular, amigdaloidal e brechosa, nas zonas de transição da porção superior.

As principais características desses derrames na região de Itaipu são:

Page 29: Dissertação Perda d'Água

18

a) camadas praticamente horizontais com espessura variando entre 20 m e

60 m, tendo o basalto denso do corpo do derrame E = 20.000 MPa;

b) camadas de brecha posicionadas entre os derrames, apresentando-se

heterogêneas, mais fracas, e mais deformáveis (E = 7.000 a 10.000 MPa),

apresentando permeabilidade bem superior à do basalto (ver figura 26);

c) descontinuidades localizadas em planos paralelos aos derrames,

normalmente posicionadas próximas ao topo dos derrames ou na base do

basalto amigdaloidal.

O tratamento das fundações de Itaipu consistiu basicamente em uma cortina

de injeção profunda, executada ao longo do pé de montante da barragem, utilizando 3

linhas de furos verticais. O tratamento raso da fundação aplicou injeções de

consolidação e colagem. A figura 4 ilustra os esquemas de injeção aplicados em Itaipu,

onde o detalhe X permite observar a existência de três linhas de injeção profunda

executadas para o tratamento da rocha.

FIGURA 4 - ITAIPU - CORTINA DE INJEÇÃO NA OMBREIRA DIREITA

FONTE: GOMBOSSY (1981)

34m

El. 99

El. 00

Page 30: Dissertação Perda d'Água

19

Os procedimentos de execução das injeções em Itaipu foram indicados pela

IECO/ELC (1997), tendo a cortina profunda 3 linhas de furos, sendo obrigatória a

execução dos furos primários e secundários das linhas externas e eventual, os furos de

ordem terciária da linha central. Os furos primários e secundários estão espaçados de 3

metros entre si, tanto na linha de jusante como de montante. Nos locais com absorção

de cimento superior a 12,5 kgf/m, executaram-se furos de ordem superior na linha

central, utilizando o critério de "split spacing", que reduz o espaçamento entre os furos

terciários e quaternários pela metade, resultando em 1,5 metro a distância entre furos

na linha central. A profundidade das cortinas de injeção e drenagem foi governada,

essencialmente, pelas características do maciço basáltico de fundação, sempre

atingindo os níveis mais permeáveis das descontinuidades e contatos entre derrames.

No caso do basalto, o tratamento da rocha por injeções é importante para

reduzir a permeabilidade através do preenchimento das zonas de fraturas ou

descontinuidades presentes nesse tipo de rocha, caracterizada por planos sub-

horizontais, geralmente de grandes extensões.

A eficiência dessa cortina é fundamental para garantir melhorias físicas e

hidráulicas da rocha tratada, reduzindo o afluxo de águas de infiltração para o sistema

de drenagem.

As cortinas de drenagem são constituídas de furos igualmente espaçados e

dispostos logo a jusante da cortina de injeção profunda, com o objetivo de drenar as

águas que fluem através do maciço e aliviar as subpressões impostas pela carga

hidráulica do reservatório.

A figura 5 mostra o arranjo das cortinas de injeção e drenagem na região do

leito do rio da barragem de Itaipu.

Page 31: Dissertação Perda d'Água

20

FIGURA 5 - ARRANJO DAS CORTINAS DE INJEÇÃO E DRENAGEM NA REGIÃO DO LEITO DO RIO

FONTE: PORTO (2001)

2.4 INJEÇÃO OU DRENAGEM?

Durante a conferência “A primeira leitura de Rankine”, realizada para a

Sociedade Britânica de Mecânica de Solos e Fundações, CASAGRANDE (1961)

demonstrou que o sistema de drenagem é sempre mais eficiente para reduzir as

subpressões, quando comparado com cortinas de injeções executadas para tratamento

das fundações de barragens.

Nessa conferência, ele registrou o seu parecer à respeito do comportamento

de engenheiros, até de renome, ao dizerem-lhe que nos seus projetos, nunca

consideravam o efeito da cortina de injeção no dimensionamento da subpressão e, na

DIMENSÕES INDICADAS EM METRO

Page 32: Dissertação Perda d'Água

21

realidade, contavam somente com a drenagem, porém relutavam em defender essa

posição em público. Na verdade, os defensores das injeções respeitam o tratamento de

rocha por injeção de cimento como se fosse um dogma.

Nesse evento CASAGRANDE estabeleceu um marco nos conceitos de

tratamento de rocha de fundação, ao abrir um debate onde ele defendia, claramente,

apenas o uso de drenos para controle da subpressão. Esse procedimento ia contra uma

filosofia de 160 anos de uso de cortinas de injeção e uma prática estabelecida

empiricamente e adotada pelos técnicos da época. A barragem Dieppe na França, em

1802, foi a primeira a tratar suas fundações por injeção de cimento.

Como definido por ANDRADE(1982), essa afirmação do Profº Casagrande

fundamentava-se na sua consciência de homem prático, objetivo, que persistia

sustentando uma experiência que lhe dava suporte para enfrentar dogmas estabelecidos

no meio técnico. Naquela época era comum o uso de uma cortina de injeção seguida

por uma linha de drenos distando do paramento de montante, aproximadamente, 10%

da largura da base da barragem. Essa prática admitia diagramas de subpressão

recomendadas pelo Bureau of Reclamation (USBR), Corps of Engineers e Tennessee

Valley Authority (TVA), como mostrado por ANDRADE (1982, p.65).

O Corps of Engineers recomendava a cortina de vedação próxima ao

paramento de montante e profundidade até a camada impermeável.

As hipóteses de subpressão recomendadas para as barragens do Tennessee

Valley Authority(TVA) admitem a eficiência da cortina de injeções, que deverá ter

profundidade aproximadamente de 1/3 da carga hidráulica de montante, e

recomendam, uma linha de drenos com espaçamento inferior ou igual a três metros

entre furos e profundidade da linha de injeção. Apesar do TVA admitir a eficiência da

cortina de injeção, o seu critério de subpressão é mais conservador e expressa que a

Page 33: Dissertação Perda d'Água

22

intensidade de pressão na linha de drenos pode atingir 50% da diferença de carga

hidrostática entre o nível do reservatório e o topo da fundação a jusante da barragem,

nos casos com níveis de jusante baixos. Se ocorrer nível d'água alto a jusante, o

critério de subpressão do TVA é menos conservador e admite na linha de drenos a

carga hidráulica inferior a 25% da diferença de carga hidrostática entre o nível do

reservatório e de jusante, como mostrado na figura 6.

FIGURA 6 - CRITÉRIOS DE SUBPRESSÃO DO TVA

FONTE: ANDRADE (1982)

O Bureau of Reclamation(USBR) adotou um critério semelhante para suas

barragens na década de 1950, admitindo para a subpressão na linha de drenos um valor

igual ao nível de jusante mais 1/3 da carga hidráulica entre o nível do reservatório e de

jusante, como mostrado na figura 7.

FIGURA 7 - CRITÉRIO DE SUBPRESSÃO DO BUREAU OF RECLAMATIONS(USBR)

FONTE: ANDRADE (1982)

Page 34: Dissertação Perda d'Água

23

SABARLY(1968) foi um importante aliado do Professor Casagrande ao

mostrar que numa barragem estanque fundada em terreno homogêneo e contínuo, o

efeito de uma cortina de injeções, mesmo perfeita, a menos que possua uma

profundidade considerável, praticamente não é notado nas medidas de subpressões na

base da barragem. SABARLY fez uma análise da subpressão de uma barragem de

gravidade, sobre a qual o autor do artigo mostrou a figura 8 e fez a seguinte afirmação:

"Pode-se ver que a cortina de injeções é eficaz, pois, em combinação com o sistema de

drenagem, reduz consideravelmente o valor das subpressões".

FIGURA 8 - SUBPRESSÃO MEDIDA NA FUNDAÇÀO DE UMA BARRAGEM DE GRAVIDADE

FONTE: SABARLY (1968)

Na abordagem crítica do artigo citado, SABARLY não concordou com a

afirmação do autor e considerou justamente o contrário, ou seja, se a cortina fosse

realmente estanque, o nível indicado pelos piezômetros posicionados a montante da

cortina de injeção deveria situar-se próximo do nível do reservatório. Este exemplo

mostra claramente a conveniência de pôr de novo em discussão o tema denominado

por CASAGRANDE em 1961 de “dogma”, em relação à idéia que a maioria dos

técnicos tem como ponto pacífico, de que é inconcebível realizar uma obra sem cortina

de injeção, enquanto a drenagem é relegada a um plano secundário.

Page 35: Dissertação Perda d'Água

24

Recomenda-se que não se trata de suprimir sistematicamente a cortina de

injeção e de se executar sempre sistemas de drenagem considerável. A arte do

projetista consiste em ter profundo conhecimento dos fenômenos físicos e

condicionantes geológicos envolvidos para adaptar, para cada caso, os princípios

gerais sem subestimar ou superestimar um em relação aos outros.

É fato conhecido que é muito mais difícil melhorar a resistência à

compressão, cisalhamento e hidrogeotécnicas de uma fundação por injeções quando a

permeabilidade inicial da rocha é muito baixa, sendo relativamente simples reduzir de

diversas potências de dez, por meio de injeções, a permeabilidade de um terreno muito

permeável. Porém a injeção clássica não terá qualquer efeito em terreno de baixa

permeabilidade. Assim, pode-se concluir por uma linha de ação geral:

a) em terreno pouco permeável (k < 10-6 cm/s), a cortina de injeção não terá

qualquer efeito, sendo portanto inútil. Mas, as subpressões irão se

desenvolver exatamente como num terreno mais permeável e a drenagem

será portanto indispensável. Deixar-se-á de lado a cortina de injeção

(apesar do dogma), e todo esforço deverá ser concentrado na drenagem;

b) em terreno muito permeável (k > 10-4 cm/s), somente a drenagem, sob o

ponto de vista de subpressões, teria a mesma eficácia que em terrenos

pouco permeáveis, mas a sua vazão poderia ser considerável e

inadmissível para a economia do projeto, com possibilidade de saturação

do sistema de drenagem. Além disso, há grande risco de erosões internas

do material de fundação, devido às elevadas velocidades de percolação.

Mas nesse caso, a cortina de injeção é capaz de reduzir de reduzir de

várias potências de dez a permeabilidade do terreno. Executando a cortina

de injeção, o sistema de drenagem se tornará menos necessário, pois o

Page 36: Dissertação Perda d'Água

25

terreno a jusante da cortina continua muito permeável em relação à

cortina de injeção, e as subpressões perigosas não se desenvolvem. Para

concluir o assunto, que evidentemente não está esgotado, Sabarly

mencionou o baixo custo de uma rede de drenagem em relação aos

tratamentos da rocha por injeções.

No Brasil é comum e amplamente aplicado nos projetos, o diagrama

recomendado pelo USBR. Nos Critérios de Projeto Civil de Usinas Hidrelétricas, a

Eletrobrás(2001) recomendou a adoção de um diagrama de subpressão igual ao critério

do USBR, com drenos operantes e não operantes, nos cálculos de estabilidade do

bloco da barragem.

RUGGERI(2001), relator do grupo de trabalho europeu em subpressão de

barragens, publicou um diagrama de subpressão que leva em conta o diâmetro do furo

do dreno, o espaçamento entre drenos e a distância da linha de drenos ao paramento

molhado da estrutura. Esse diagrama resultou do estudo de caso de subpressão na

fundação de centenas de barragens de gravidade, que foi elaborado pelos comitês de

países europeus. Desse estudo, resultaram os ábacos apresentados na figura 9, os quais

permitem determinar o percentual de redução da subpressão na linha de drenos.

Page 37: Dissertação Perda d'Água

26

FIGURA 9 - EXEMPLOS DE SUBPRESSÃO - ESTUDO DE CASOS DE BARRAGENS DA EUROPA

(a) - espaçamento entre drenos

(b) - distância entre linha de drenos e paramento molhado

(c) - constante de cálculo

(h) - carga do reservatório

(h*) - subpressão na linha de drenos

(1 ) - curvas acrescentadas para o caso de Itaipu

( r ) - raio do furo de drenagem

FONTE: RUGGERI (2001)

As retas tracejadas sobre os ábacos de estudo de caso da figura acima

representam a barragem maciça da Estrutura de Desvio de Itaipu, a qual indicou nos

diagramas de RUGGERI uma subpressão do contato concreto rocha igual a 10% do

total da coluna hidráulica do lago. Essa subpressão medida a partir dos piezômetros

instalados no interior dessa estrutura, atualmente (ano de 2002) representa 5% da

altura da coluna de água do reservatório. Pode-se observar que esse valor medido na

fundação da Estrutura de Desvio representa uma subpressão na linha de drenos bem

inferior aos valores preconizados nos diagramas do USBR e ELETROBRÁS.

Page 38: Dissertação Perda d'Água

27

3. ENSAIO DE PERDA D'ÁGUA SOB PRESSÃO

O ensaio de perda d'água consiste em medir a vazão de água injetada sob

pressão no interior do maciço rochoso, através de um trecho de um furo de sondagem,

com o objetivo de determinar a permeabilidade e o comportamento da rocha frente à

percolação de água pelas fissuras da camada ensaiada. O resultado desse ensaio é

expresso em função do comprimento unitário do trecho ensaiado e representa a perda

d'água específica do maciço (PE), a qual é representada por l/(min.m.atm).

3.1 HISTÓRICO

O simples ensaio de injeção de água no meio rochoso proposto pelo geólogo

LUGEON (1933) mostrou-se satisfatório para avaliar a condutividade hidráulica da

rocha e investigar a sua injetabilidade. Atualmente, é prática normal efetuar ensaios de

perda d’água sob pressão, também denominado "ensaio Lugeon", em furos de

investigações geológicas dos maciços rochosos e nas sondagens executadas durante o

tratamento da rocha por injeções.

Esse ensaio bastante simples consiste em medir a vazão d’água que penetra

no maciço, em um trecho do furo de sondagem, geralmente variando de 3 a 6 metros

de comprimento. O ensaio proposto por Lugeon é realizado sob a pressão de 1 MPa

(10 kgf/cm2), a qual é aplicada em todos os trechos do furo, qualquer que seja a

profundidade do trecho ensaiado. A quantidade de água injetada, avaliada em

litro/minuto, por metro de furo sob a pressão de 10 atm (10 kgf/cm2) é conhecida por

unidade Lugeon e eqüivale a uma perda d'água específica PE=1,0 l/(min.m.10 atm). A

partir desse ensaio adotou-se a seguinte regra prática para avaliar a injetabilidade do

maciço rochoso:

a) a rocha do maciço é considerada estanque, ou seja, de baixa

permeabilidade, quando o ensaio de perda d'água apresentar resultado

Page 39: Dissertação Perda d'Água

28

inferior a uma unidade Lugeon e, nesse caso, a rocha poderá não ser

tratada por injeção de material de impermeabilização;

b) a rocha do maciço é considerada permeável, quando o ensaio de perda

d'água apresentar resultado maior do que uma unidade Lugeon e, nesse

caso, a rocha deverá ser tratada por injeção de material de

impermeabilização;

Na tradução do artigo de SABARLY (1968), os geólogos Guidicini e Barros

registraram que essa regra muito simples, citada acima, obteve grande sucesso junto

aos projetistas, pois estabelecia os critérios de injetabilidade da rocha e indicava , para

o tratamento da fundação, a pressão de injeção em 1 Kgf/cm2 por metro de

profundidade do furo.

No Brasil, o ensaio de Lugeon ficou consagrado como o “ensaio de perda

d’água sob pressão”. O ensaio foi paulatinamente utilizado a partir da década de 50,

durante a implantação dos grandes aproveitamentos hidrelétricos, com importantes

modificações conforme descritas por CORRÊA FILHO e IYOMASA (1983), no item

referente à evolução histórica deste ensaio, como mostrado abaixo:

a) em 1954, as pressões de injeção d’água passaram a ser relacionadas com

a profundidade, tendo sido aplicado 1 Psi/pé de profundidade do trecho

ensaiado, correspondendo de forma aproximada a ≅ 23 kPa por metro de

profundidade de furo. Dessa forma não era mais aplicada a pressão de

1000 kPa ao longo do furo, conforme preconizado por Lugeon, e assim,

para o ensaio realizado nessa nova condição de pressão foi introduzida

uma nova unidade expressa em litro/(min.metro.100kPa), a unidade de

perda d'água específica (PE). Esse critério de pressão máxima do ensaio

relacionado com a profundidade do trecho ensaiado é aplicado até hoje.

Tal critério tem como premissa, para definir a pressão máxima de ensaio,

a densidade média do maciço sobreposto, ou seja, a pressão aplicada em

Page 40: Dissertação Perda d'Água

29

uma hipotética fissura plana da rocha deverá ser inferior à pressão

provocada pelo peso do bloco de rocha situado acima dessa fissura. Com

isso, podem-se evitar possíveis alterações dos parâmetros geomecânicos e

hidrogeológicos das fraturas da rocha;

b) em 1968, as pressões efetivas de cálculo do valor de perda d‘água

passaram a considerar os efeitos do atrito exercido pela água nas paredes

internas das tubulações e conexões utilizadas na composição do ensaio;

c) a partir de 1975, o estabelecimento das diretrizes para execução dos

ensaios de perda d’água sob pressão, editadas pela ABGE, foi um marco

importante para a padronização dos procedimentos de execução, cálculos,

interpretação e comparação entre os resultados obtidos dos ensaios em

diversas obras. Esse ensaio busca determinar a permeabilidade de

maciços rochosos de fundação de barragens, com o objetivo de se estudar

a percolação e possíveis tratamentos de impermeabilização.

Após 1975, pouco foi acrescentado nos procedimentos do ensaio,

destacando-se:

a) ensaio de múltiplo estágio(EME), visando melhor comparação e

correlação entre os dados obtidos no campo e os ensaios de laboratório,

em estudos do IPT, apud QUADROS(2002);

b) ensaio TRH (Teste de Ruptura Hidráulica) proposto por

ANDRADE(1987) e que consiste de uma tela permeável acoplada à parte

inferior do obturador utilizado no ensaio de perda d'água. A tela tem a

finalidade de registrar as descontinuidades portadoras de água existentes

no trecho submetido ao ensaio. Ao encerrar o teste, o fluxo d'água para o

interior do furo cessa deixando impressos na tela as descontinuidades

permeáveis. Ainda em 1986, o IPT utilizou membrana de borracha

Page 41: Dissertação Perda d'Água

30

substituindo a tela permeável, para melhor gravação das fissuras da

parede do furo e incluiu um transdutor eletrônico de pressão no interior

do obturador, para medir a pressão efetiva atuante no trecho de ensaio,

conforme mostrado por QUADROS(2002).

PIERRE(1973) reconhece o teste de perda d’água, originalmente proposto

por Maurice Lugeon em 1933, como um critério de injetabilidade da rocha. Mas,

alertou que alguns autores têm mostrado que o total de água injetada sob pressão

absorvida pela rocha, não é um parâmetro intrínseco de sua permeabilidade, mas

preferencialmente do seu grau de fraturamento. No entanto, após a execução das

injeções de cimento para tratamento da rocha de fundação da barragem, espera-se que

o ensaio de perda d'água seja realizado em meio mais homogêneo, permitindo um

fluxo laminar da água de ensaio de forma a expressar a condutividade hidráulica do

maciço nos locais ensaiados.

Naquela época aceitava-se que a curva vazão versus pressão do ensaio de

Lugeon deveria ser corretamente interpretada antes de ser considerada como um

simples valor de injetabilidade do maciço rochoso ensaiado sob pressão de 1000 kPa,

como proposto por ele. Discutia-se que sendo o comprimento do trecho ensaiado

variável, outras informações podem ser obtidas a partir do trecho ensaiado, como por

exemplo conhecer a abertura das descontinuidades e a posição das fissuras permeáveis.

É mostrado na figura 10 o tratamento da rocha, a instrumentação e a

drenagem da fundação de um bloco mais alto de Itaipu posicionado na região do leito

do Rio Paraná. Nessa figura está indicado um dos furos da cortina de injeção

executada para o tratamento da rocha, onde foi realizado um ensaio de perda d'água.

Page 42: Dissertação Perda d'Água

31

FIGURA 10 - BLOCO MAIS ALTO DE ITAIPU

FONTE: PORTO (1999)

Na figura 10 podem ser observadas as cortinas de injeção executadas ao

longo do pé de montante e de jusante da barragem, além de indicar um dos furos onde

se realiza o ensaio de perda d'água, também denominado de "Lugeon".

3.2 RECOMENDAÇÕES SOBRE OS EQUIPAMENTOS DE ENSAIO

Os equipamentos básicos utilizados nos ensaios estão mostrados no esquema

de montagem apresentado na figura 11.

FURO DE ENSAIO

Page 43: Dissertação Perda d'Água

32

FIGURA 11 - ESQUEMA DE MONTAGEM DOS EQUIPAMENTOS DO ENSAIO

FONTE : OLIVEIRA, SILVA e FERREIRA (1975)

As características técnicas dos equipamentos e recomendações práticas

apresentadas a seguir, referem-se às campanhas de sondagem mais comuns, como

furos de diâmetro de 76,2 mm e comprimento em torno de 50 metros:

a) Bomba d’água – com capacidade de 100 litros/min sob pressão de 1 MPa.

CORRÊA FILHO e IYOMASA(1983), registraram que já havia

mudanças nos equipamentos de sondagem, visando melhorar os

resultados. Assim foi testado nas tubulações de diâmetro até 1 1/4" para

reduzir a perda de carga na tubulação e bombas de 100 litros/min. a 1

MPa. Em Itaipu a bomba especificada foi de vazão livre de 120

litros/min.

b) Tubulação – também denominada de composição de ensaio, compõe-se

de tubos galvanizados, conexões como joelho, T, luvas, etc. O diâmetro

desses equipamentos é fundamental para a definição do valor de perda de

carga na tubulação, a qual deverá ser considerada na pressão efetiva de

ensaio e aplicada nos cálculos do ensaio. Sabe-se que as tubulações com

Page 44: Dissertação Perda d'Água

33

diâmetro acima de 50,8mm, a perda de carga é menor, como pode-se

observar nos ábacos apresentados no item 3.7.2.1, onde o diâmetro de

tubulação maior indica perda de carga menor. No entanto, sua aplicação

exigiria furos de maior diâmetro, de custo mais alto. Como a maioria das

campanhas de sondagem é executada com furos de 3” (76,2 mm), a

tubulação de ensaio mais usual é de 1” (25,4 mm), que representa uma

perda de carga de valor médio ao longo das tubulações utilizadas nos

ensaios.

c) Estabilizador de pressão – constitui-se de um tambor posicionado entre a

bomba e o manômetro que possibilita amortizar as oscilações de pressão,

provocadas pelo impacto da bomba, por meio da variação de volume do

ar contido no interior do tambor. A variação de pressão lida no

manômetro dever ser inferior a 10% da pressão indicada em cada estágio

do ensaio. É recomendável utilizar mais de um tambor, conectado em

linha, para atingir essa variação de pressão.

d) Hidrômetros – os hidrômetros utilizados nos ensaios de perda d'água são

do tipo volumétrico e indicam o volume de água injetada no trecho de

ensaio. A capacidade nominal da maioria dos hidrômetros é de três a

cinco m3/h nas canalizações com diâmetro de 3/4” e de 7 a 10 m3/h para

diâmetro de 1”. É recomendável que esse equipamento seja sensível para

medir vazão mínima de 3 litros/min. O hidrômetro deve ser aferido antes

de entrar em uso e a diferença entre a vazão real e nominal deve ser

inferior a 10 %, para ser considerado aceitável para uso no campo;

e) Manômetro – utilizar com fundo de escala inferior a duas vezes a pressão

máxima a ser aplicada no ensaio;

f) Salva-manômetro - dispositivo montado antes do manômetro para sua

proteção;

g) Obturador – é mais comum o uso de obturador de reação mecânica para

expansão da borracha que permite vedar e isolar o trecho de ensaio. A

Page 45: Dissertação Perda d'Água

34

foto 1 mostra dois obturadores simples de reação mecânica..

FOTO 1 - OBTURADOR SIMPLES TIPO MECÂNICO DE 4" (101,6 mm) e de 3" (76,2 mm)

FONTE: ITAIPU - DIVISÃO DE GEOLOGIA

h) Nota: é tecnicamente aconselhável que o ensaio de perda d'água seja

realizado durante a execução da perfuração e em trechos descendentes, ou

seja, a cada três a seis metros interrompe-se a perfuração, executa-se o

ensaio, e em seguida retoma-se a perfuração. Nesses casos, a

confiabilidade do ensaio é maior, se comparada com o ensaio executados

utilizando obturador duplo. Esse tipo de obturador dificulta perceber na

superfície, qualquer vazamento ou fuga da água de ensaio, devido à uma

vedação imperfeita entre a borracha do obturador e a parede do furo. Os

obturadores mecânicos tem menor custo, porém exigem mais tempo

operacional de ensaio, por dificuldades de manuseio da tubulação.

Podem-se também, utilizar obturadores infláveis acoplados à mangueiras,

que permitem menor tempo de descida e retirado do equipamento do

interior do furo, porém de custo mais alto. No Brasil, não é comum o uso

dos obturadores pneumáticos

4"

3"

Page 46: Dissertação Perda d'Água

35

3.3 PROCEDIMENTOS DE EXECUÇÃO DO ENSAIO

O ensaio de perda d'água consiste em medir a água injetada em um trecho do

furo, a qual deve ser aplicada em três ou cinco estágios de pressão. Cada estágio de

pressão deve ser mantido até que se obtenha a vazão constante, representando a

condição de fluxo permanente, devendo-se, em seguida, medir a absorção de água que

infiltra na rocha, efetuando-se cinco medidas de vazão a cada minuto

aproximadamente. A média dessas medidas constitui um ponto da curva de vazão

versus pressão efetiva de ensaio. Esses pares de dados devidamente tratados permitem

calcular a perda d'água específica (PE), a qual reflete a permeabilidade do trecho

ensaiado. OLIVEIRA, SILVA e FERREIRA (1975), registraram que o ensaio de perda

d'água é muito utilizado para calcular a permeabilidade da rocha ensaiada, bastando

para isso, multiplicar seu valor por fatores que dependem de parâmetros

hidrogeológicos e geométricos do trecho ensaiado, conforme será mostrado no item 4.

A execução do ensaio em trechos de furos já perfurados exige o uso de

obturador duplo, o que torna mais difícil identificar na superfície qualquer vazamento

da água injetada, caso ocorra a vedação imperfeita entre a parede do furo e o

obturador, principalmente no seu trecho inferior. Assim, os resultados dos ensaios

devem ser analisados com reserva, em vista da pouca confiabilidade da operação de

vedação entre a borracha do obturador e a parede do furo.

A seguir apresentam-se, "passo a passo", os procedimentos operacionais do

ensaio, os quais estabelecem a sua seqüência de execução:

a) 1º passo: com o furo obturado e efetuadas as medidas de profundidade do

trecho de ensaio, nível d’água do terreno, nível freático, comprimento da

composição e altura do manômetro, passa-se a injetar água com a pressão

de 10 kPa do 1º estágio do ensaio, estabelecido pelo critério de pressão

indicado a seguir no item 3.4. Mantém-se injetando água sob pressão

Page 47: Dissertação Perda d'Água

36

constante, durante o tempo necessário para o estabelecimento de um

regime de percolação permanente. Ao atingir esse regime, a cada minuto

registram-se cinco valores de vazão correspondentes aos volumes de água

lidos no hidrômetro, os quais representam a absorção de água injetada no

maciço. Caso as três primeiras leituras de vazão não sofram alterações

significativas, ou seja, quando a variação dessas leituras for inferior a

10%, o ensaio desse estágio pode ser encerrado, passando-se para o

estágio seguinte de pressão

Em geral tem-se adotado um tempo de 10 minutos para atingir a

estabilização do fluxo, para iniciar as leituras de vazão;

b) 2º passo: concluído o estágio inicial procede-se ao aumento cuidadoso da

pressão para o estágio intermediário (2º estágio do ensaio), registrando

cinco valores de vazão após a estabilização do fluxo;

c) 3º passo: aumentar gradualmente a pressão do manômetro para aplicar a

pressão de estágio máximo (3º estágio do ensaio) e registram-se as vazões

conforme estabelecido no passo anterior;

c) 4º passo: após a conclusão do estágio com pressão máxima, dar início ao

processo de redução da pressão para o estágio intermediário de pressão

(4º estágio do ensaio) e, finalmente, reduzir para o estágio mínimo (5º

estágio do ensaio). Registrar as vazões da mesma forma indicada

anteriormente, ou seja, após o estabelecimento de fluxo permanente da

água injetada. Em seguida encerra-se o ensaio;

d) na folha de campo devem ser registradas todas as anotações indicadas

acima, como mostrado na figura 12.

Page 48: Dissertação Perda d'Água

37

FIGURA 12 - FOLHA DE CAMPO DE ANOTAÇÕES DO ENSAIO DE PERDA D'ÁGUA

FONTE ; ITAIPU (DIVISÃO DE GEOLOGIA)

No caso do trecho ensaiado apresentar alta absorção é muito importante

anotar, a vazão máxima registrada pela bomba e a pressão manométrica atingida no

ensaio.

Os procedimentos de execução do ensaio indicados acima complementam

aqueles recomendados por OLIVIERA, SILVA e FERREIRA (1975), sob o ponto de

vista de procedimentos do ensaio de perda d'água, os quais foram também

apresentados pelos autores como roteiro operacional de execução do ensaio.

Page 49: Dissertação Perda d'Água

38

3.4 CRITÉRIOS DE PRESSÃO OPERACIONAL DO ENSAIO (Pm)

A definição da pressão do ensaio é de fundamental importância, por ter

grande influência nos resultados a serem obtidos. De maneira geral, a pressão

operacional de ensaio, ou seja, a pressão a ser lida no manômetro (Pm) é definida por

duas escolas de tendências diferentes:

a) a primeira de “altas pressões”, representada pelo circuito europeu de

ensaio (figura 13), tem suas raízes em Lugeon, com aplicação de pressões

de 1 MPa, independentemente da profundidade do trecho ensaiado;

b) a segunda de “baixas pressões” representa a escola americana que

considera a pressão máxima operacional de ensaio igual a 1 Psi por pé de

profundidade ≅ 23 kPa por metro de profundidade do trecho em ensaio;

SABARLY (1968) mostrou os esquemas dos circuitos de montagem do

ensaio de perda d'água dessas duas escolas, os quais constam da figura 13, onde se

observa que para altas pressões (circuito europeu), a tubulação de ensaio não está

equipada com dispositivo de retorno da água injetada.

FIGURA 13 - CIRCUITOS DE MONTAGEM DO ENSAIO DE PERDA D'ÁGUA (ESCOLAS AMERICANA E EUROPÉIA)

FONTE : SABARLY (1968)

No Brasil o ensaio de perda d'água adota a escola de "baixas pressões", as

quais devem ser aplicadas em cinco estágios, sendo dois estágios de pressão mínima,

dois estágios de pressão intermediária e um estágio de pressão máxima como

recomendado no trabalho de OLIVEIRA, SILVA e FERREIRA(1975). Considerando

CIRCUITO EUROPEU CIRCUITO AMERICANO

Page 50: Dissertação Perda d'Água

39

que nesse trabalho, denominado de "Diretrizes ABGE", foi recomendado o cálculo da

pressão máxima de ensaio igual a 1 Psi/ pé de profundidade, sem indicar a referência

dessa profundidade, considera-se oportuno apresentar abaixo tanto o critério

recomendado pelas Diretrizes ABGE, como o critério utilizado em Itaipu para cálculo

da pressão manométrica máxima de ensaio (Pm):

a) critério ABGE - recomendou a aplicação de 25 kPa (0,25 kgf/cm²) por

metro de profundidade do obturador para determinar a pressão máxima de

ensaio. A partir dessa pressão, são estabelecidas as pressões dos demais

estágios do ensaio conforme indicado a seguir:

- 1º estágio = pressão mínima = 0,10 kgf/cm2;

- 2º estágio = pressão intermediária = 50% da pressão máxima;

- 3º estágio = pressão máxima = 0,25 kgf/cm2/m de profundidade do

obturador;

- 4º estágio = pressão intermediária. = 50% da pressão máxima;

- 5º estágio = pressão mínima = 0,10 kgf/cm2.

b) critério Itaipu - nos ensaios realizados em Itaipu, foi utilizado o critério de

20 kPa (0,20 kgf/cm2) por metro de profundidade do ponto médio do

trecho de ensaio, para determinar a pressão manométrica máxima de

ensaio. Essa pressão manométrica maior, principalmente se o trecho

ensaiado atingir 6 m de comprimento, resultará em pressão efetiva do

ensaio ( Pe ) também maior. Com isso, os valores de perda d'água

específica serão menores, conforme pode-se observar na equação 5. Para

os demais estágios os valores de pressão operacional (Pm) serão

calculados conforme indicado no item anterior. Pelo critério recomendado

pelas Diretrizes ABGE, o ensaio teria a pressão máxima menor, pelo fato

de considerar a profundidade do obturador, ou seja, o nível do topo do

trecho de ensaio.

O critério de pressão manométrica aplicado em Itaipu resultará em valores

menores de permeabilidade da rocha ensaiada, a qual conduzirá à valores menores de

Page 51: Dissertação Perda d'Água

40

vazão de água, considerada normal, que se espera que percole pela fundação da

barragem. Assim procedendo, pretende-se obter um de determinação de vazão mais

conservador.

É comum a aplicação de apenas três estágios de pressão ao invés de cinco, e

a adoção de trechos de ensaios de 5 m, com o objetivo de otimizar os trabalhos de

sondagem, deixando de executar o 2º e 4º estágios. A boa técnica de ensaio recomenda

a sua realização em trechos descendentes, ou seja, a cada trecho perfurado do furo

paralisa-se a perfuração, executa-se o ensaio e retoma-se a perfuração novamente.

Nesse caso, nenhum CONTRATADO aceita passivamente a paralisação do

equipamento de produção, para aguardar a execução do ensaio de perda d'água, de

grande importância para caracterizar a condutividade hidrogeológica da rocha de

fundação da barragem. Por essa razão, recomenda-se a inclusão de cláusulas

contratuais que permitam a execução desses ensaios.

3.5 PRESSÃO EFETIVA DE ENSAIO (Pe)

Definida a pressão operacional (Pm) e realizado o ensaio, pode-se calcular a

pressão efetiva, ou seja, aquela pressão atuante no trecho em ensaio, a qual considera

outras forças envolvidas, como o peso da coluna d'água, artesianismo, a posição do

lençol freático do furo e a perda de carga que ocorre ao longo da tubulação.

Para avaliar numericamente o ensaio, deve-se primeiro calcular a pressão

efetiva (Pe). Para isso, a figura 14 apresenta três situações de atuação do peso da

coluna de água (H) em relação à posição do nível freático do furo (N). O peso dessa

coluna de água é uma das parcelas de cálculo a pressão efetiva (Pe). A figura 14

apresenta também outros parâmetros a serem considerados no cálculo da pressão

efetiva atuante no trecho de ensaio:

Page 52: Dissertação Perda d'Água

41

FIGURA 14 - PARÂMETROS UTILIZADOS NO CÁLCULO DO ENSAIO DE PERDA D'ÁGUA

FONTE: OLIVEIRA, SILVA e FERREIRA (1975)

a) Parâmetros hidrológicos e geométricos

- N = Profundidade do nível d'água do furo (NA), em metro;

- N’ = Pressão de artesianismo mca (metro de coluna de água);

- Pob = Profundidade do obturador, em metro;

- H = Peso da coluna d’água atuante no ponto médio do trecho ensaiado,

em metros, a qual dividida por 10 mca fornece o valor de H em

kgf/cm2;

- h = Altura do manômetro, em metro;

- L = Comprimento do trecho ensaiado, em metro;

- C = Comprimento da tubulação entre o manômetro e o obturador (m);

CASO 3

TRECHO ENSAIO ABAIXO DO N.A. (CASO 2)TRECHO ENSAIO ACIMA DO N.A. (CASO 1)

Page 53: Dissertação Perda d'Água

42

- d = Diâmetro do furo = 2r, em metro.

b) Cálculo da Pressão efetiva aplicada no trecho médio do ensaio

- Para determinar a Pe temos três casos de "H" (peso da coluna d'água)

conforme mostrado na figura 14:

- Caso 1 Trecho do ensaio acima do nível d'água do furo (N)

- 2

LPobhH ++= (1);

- Caso 2 Trecho do ensaio abaixo do nível d'água do furo (N)

- hNH += (2);

- Caso 3 Furo de ensaio com artesianismo (N')

- hNH +−= ' (3);

A pressão efetiva de ensaio(Pe) é calculada com a seguinte equação:

- PcPmH

Pe −+=10

(4)

ondePe em kgf/cm2

Pm em kgf/cm2

Pc indica a perda de carga em do fluxo de água ao longo datubulação, em kgf/cm2 e seu valor pode ser obtido pelos ábacosapresentados no item 3.7.2.1 em kgf/cm2 Observação: para expressar os valores de pressão em kPa, deve-seutilizar a relação 1kgf/cm2 = 100 kPa;

c) Resumo dos dados de ensaio

- Q = Vazão média em l/min de água injetada e em cada estágio de

pressão, como registrado na folha de campo da figura 12;

- Pm = Pressão manométrica (kgf/cm2) indicada pelo critério apresentado

no item 3.4;

- Pc = Perda de carga (kgf/cm2) calculada pelos ábacos mostrados no

item 3.7, tendo como referência o comprimento da tubulação(C) e da

vazão "Q" medida no ensaio;

- Pe = Pressão efetiva de ensaio em kgf/cm2, a ser calculada pela

equação 4.

Page 54: Dissertação Perda d'Água

43

3.6 CÁLCULO DO ENSAIO DE PERDA D’ÁGUA ESPECÍFICA (PE)

Após a determinação dos valores e parâmetros anteriormente mostrados,

pode-se calcular o valor da perda d'água específica do ensaio com o uso da fórmula

abaixo (equação 5), apresentada por Mello e Cruz (1960), apud CORRÊA FILHO

(1985, p.76), para determinar o coeficiente de perda d'água específica (PE) do ensaio

de perda d'água sob pressão,

)2/..min/(,..min.

min.

22

cmkgfml em

cm

kgfm

l

cm

kgfm

litro

PeLQ

PE ============ (5)

Essa equação é muito utilizada para expressar a permeabilidade do maciço

rochoso, apesar dos erros grosseiros que ocorrem nesse ensaio. A ampla utilização

desses resultados se deve ao seu baixo custo, simplicidade e rapidez de execução,

quando comparado com os ensaio de permeabilidade tradicionais.

OLIVEIRA, SILVA e FERREIRA (1975, p.8), autores das Diretrizes da

ABGE indicam que esse valor do ensaio de perda d'água (PE) é muito utilizado para

determinar a permeabilidade da rocha, considerando o ensaio com regime de fluxo

laminar, apesar de pouco ocorrer esse regime em meios fraturados.

3.7 PERDA DE CARGA NA TUBULAÇÃO DE ENSAIO

É de fundamental importância determinar a perda de carga gerada pelo atrito

entre a água e a parede da tubulação durante a execução do ensaio, em conseqüência

do fluxo de água injetada sob pressão. Antes da apresentação dos critérios de perda de

carga, julgou-se necessário fazer uma descrição sobre os diâmetros utilizados nos

serviços de sondagens, como registrado a seguir.

Page 55: Dissertação Perda d'Água

44

3.7.1 Diâmetros dos Equipamentos de Sondagens

Com relação à nomenclatura utilizada para especificação de diâmetros dos

equipamentos de perfuração e segundo o fabricante MAQUESONDA (1970), a

primeira tentativa de enquadrar, padronizar e identificar todo material usado em

sondagens rotativas a diamante ocorreu em 1880. Inicialmente, a coroa "A" seria

acoplada num barrilete "A", acionado por hastes "A", através de um revestimento "A"

fabricado em tubo de 2" (50,8 mm), o revestimento "B" em tubo de 2,5" (63,5 mm), o

revestimento "E" em tubo de 1,5" (38,1 mm) e o revestimento "N" em tubo de 3" (76,2

mm). À medida que novos diâmetros de tubos se tornavam mais acessíveis, os

fabricantes se uniram para ajustar e padronizar as dimensões de diâmetros mestre

integrando-os num grupo seqüencial. Nessa oportunidade foi acrescentada uma

segunda letra para caracterizar o diâmetros mestre, como EX, AX, BX e NX em ordem

crescente. Posteriormente, decidiu-se pelo uso da letra W de "worldwide", ou seja,

mundial ao invés da letra X, sendo que as letras W e X são sinônimas. Até hoje foram

aprovados 11 jogos de ferramentas pela DCDMA - Diamond Core Drill Manufacturers

Association, os quais constam da tabela 1.

TABELA 1 - DIÂMETROS DE EQUIPAMENTOS DE SONDAGEM ROTATIVA

FONTE: MAQUESONDA (1970)

Diâmetro nominaldo Furo

Denominçãodasérie POL mm

RevestimentoLinha X

(1)

HastesLinha W

(1)

DiâmetroAmostra

R 1" 25,4 36,6 x 30,3 27,8 x 10,3 18,3

E 1 1/2" 38,1 46,2 x 41,2 34,9 x 11,1 20,6

A 2" 50,8 57,3 x 50,7 43,7 x 15,9 30,0

B 2 1/2" 63,5 73,2 x 65,0 54,0 x 19,0 41,3

N 3" 76,2 89,1 x 80,8 66,7 x 34,0 54,0

K 3 1/2" 88,9 89,1 x 80,8 73,0 x 60,3 * 68,3

H 4" 101,6 114,5 x 104,6 88,9 x 60,3 76,0

P 5" 127,0 139,7 x 127,9 92,1

S 6" 152,4 168,3 x 155,0 112,0

U 7" 177,8 193,7 x 179,9 139,0

Z 8" 203,2 219,0 x 206,0

114,3 x103,2 **

ouA P I

165,0

* Haste munida de rosca cônica API** Haste da Linha "Q" (wire line)(1) Diâmetros Externo e Interno

Page 56: Dissertação Perda d'Água

45

3.7.2 Critérios Recomendados para Avaliação da Perda de Carga

As Diretrizes ABGE consideram que uma tubulação com diâmetro igual ou

inferior a 3/4" (19,05 mm) introduz grandes perda de carga e deve ser evitada. Ao

contrário, as tubulações de diâmetro superior a 2" (50,8 mm) apresentam valores de

perda de carga bem menores. Por essa razão, é recomendada pelas Diretrizes ABGE a

execução de ábacos de perda de carga nas próprias canalizações de ensaios que serão

utilizados nos trabalhos de campo.

3.7.2.1 Perda de carga na tubulação de ensaio - Ábacos aplicados em Itaipu

Seguindo as recomendações das Diretrizes ABGE, a Itaipu executou diversos

ensaios de perda de carga em tubulações que foram utilizadas nos trabalhos de

sondagem e elaborou os ábacos apresentados nas figuras 15 a 18, que mostram a perda

de carga em tubulações de quatro diferentes diâmetros de composição de ensaio. Os

ábacos apresentados foram elaborados para os serviços de geotecnia de Itaipu e

resultaram de medições diretas da perda de carga em vários comprimentos de

tubulação (C), com extensão de até 150 m, por onde passaram diferentes vazões (Q),

que permitiram a elaboração das curvas de perda de carga apresentadas a seguir.

1º Ábaco - Para elaborar as curvas de perda de carga apresentadas na figura

15 utilizou-se para circulação de água uma tubulação de hastes (AW) do equipamento

de perfuração, com diâmetro interno de 15,9 mm e obturador de tubo galvanizado com

φ "1"(25,4 mm). As medições mostraram uma perda de carga elevada de 2200 kPa que

corresponde a 22 kgf/cm2 em condições extremas de ensaio. Isso se deve à reduzida

dimensão do diâmetro interno da tubulação. O uso desse ábaco não é recomendável

devido aos grandes valores de perda de carga registrados nessa composição de ensaio.

Page 57: Dissertação Perda d'Água

46

FIGURA 15 -.ÁBACO COM HASTE DE PERFURAÇÃO AW (15,9 mm) e OBTURADOR DE 1" (25,4 mm)

FONTE: ITAIPU (DIVISÃO DE GEOLOGIA)

2º Ábaco - As curvas apresentadas na figura 16 foram obtidas utilizando para

circulação de água o próprio revestimento de torque do barrilete do equipamento de

perfuração com diâmetro nominal de 76,2 mm (NX) e obturador de tubo galvanizado φ

1" (25,4 mm). As medições mostraram uma perda de carga abaixo de 380 kPa que

corresponde a 3,80 kgf/cm2 para vazão de 100 litros/min passando ao longo de uma

tubulação de 150 metros de comprimento.

COMPRIMENTO DA TUBULAÇÃO L (m)

PE

RD

A C

AR

GA

EM

kgf

/cm

2

Page 58: Dissertação Perda d'Água

47

FIGURA 16 - ÁBACO COM HASTE DE PERFURAÇÃO NX (76,2 mm) E OBTURADOR DE 1" (25,4 mm)

FONTE: ITAIPU (DIVISÃO DE GEOLOGIA)

3º Ábaco - Nos ensaios de perda de carga realizados para obter as curvas do

ábaco da figura 17 foi utilizada uma tubulação com diâmetro (φ 11/4"; 31,75 mm) para

circulação de água e um obturador perfurado de φ 1" (25,4 mm) posicionado na

extremidade da tubulação de saída do fluxo de água. As medições realizadas em vários

comprimentos de tubulação para cada vazão de ensaio permitiram elaborar as curvas

mostradas no ábaco da figura 17, onde o valor máximo medido de perda de carga não

superou 170 kPa (1,70 kgf/cm2). Essa composição de ensaio é mais recomendável para

execução dos ensaios por apresentar as menores perda de carga pela tubulação.

Page 59: Dissertação Perda d'Água

48

FIGURA 17 - ÁBACO COM TUBULAÇÃO φ 1,25" (31,75 mm) e OBTURADOR PERFURADO φ 1" (25,4 mm)

FONTE: ITAIPU (DIVISÃO DE GEOLOGIA)

4º Ábaco - Nos ensaios de geração das curvas do ábaco da figura 18 foi

utilizado para circulação de água uma tubulação e um obturador de tubos galvanizados

com diâmetro de 1"(25,4mm). As medições mostraram perda de carga máxima de 600

kPa, que é equivalente a uma pressão de 6,0 kgf/cm2, quando a vazão foi de 100

litros/min e a tubulação estava com 150 metros de comprimento.

Page 60: Dissertação Perda d'Água

49

FIGURA 18 - ÁBACO COM TUBULAÇÃO GALVANIZADA E OBTURADOR DE 1" (25,4 mm)

FONTE: ITAIPU (DIVISÃO DE GEOLOGIA)

Os ábacos apresentados acima foram utilizados para determinar a pressão

efetiva dos ensaios de perda d'água, realizados nos trabalhos de investigações

geotécnicas e tratamento da rocha de fundação da barragem de Itaipu.

3.7.2.2 Critério de perda de carga proposto por Corrêa Filho

Em relação à perda de carga, CORRÊA FILHO (1985, p.48) recomendou

limitar o comprimento da composição de ensaio entre 10 e 40 m, para obter uma vazão

operacional ideal em torno de 70 litros/min em tubulação com diâmetro 3/4"(19,05

mm), e uma vazão de 220 litros/minuto para tubulação com diâmetro de 1"(25,4 mm).

Page 61: Dissertação Perda d'Água

50

Esses valores foram definidos a partir do critério proposto pelo autor, no qual admitia-

se como ideal, uma perda de carga específica de 1 mca/metro de tubulação. A partir

dessa premissa, podem-se calcular os valores dessas vazões pelos ábacos das figuras

19 e 20.

FIGURA 19 - ÁBACO PERDA DE CARGA EM TUBULAÇÃO GALVANIZADA DE 3/4"(19,05 mm)

FONTE: CORRÊA FILHO (1985)

Page 62: Dissertação Perda d'Água

51

FIGURA 20 - ÁBACO PERDA DE CARGA EM TUBULAÇÃO GALVANIZADA DE 1" (25,4 mm)

FONTE: - CORRÊA FILHO (1985)

3.7.3 Análise Comparativa

A seguir é mostrado um estudo comparativo entre as perdas de carga em

tubulação galvanizada de 1" (25,4 mm) indicadas pelo ábaco da figura 18, apresentado

por Itaipu, e aqueles indicados por Corrêa Filho na figura 20. Os valores obtidos

constam na tabela indicada a seguir.

Page 63: Dissertação Perda d'Água

52

TABELA 2 - COMPARAÇÃO DE PERDA DE CARGA EM TUBULAÇÃO 25,4 mm (ITAIPU E CORRÊA FILHO)

Pc= Perda de carga fornecidapelos ábacos

( kgf/cm2)

i = Perda carga específica (Pc /C )(mca/ metro de tubulação)

Comprimento daTubulação (C)

(m)

.Vazão (Q)(litros / min)

Itaipu Corrêa Filho Itaipu Corrêa Filho

10 30 0,06 0,04 0,06 0,04

20 40 0,15 0,12 0,07 0,06

30 50 0,30 0,25 0,10 0,08

40 55 0,45 0,41 0,11 0,10

50 60 0,70 0,59 0,14 0,12

60 65 1,00 0,89 0,16 0,13

70 70 1,45 1,00 0,21 0,14

90 90 2,95 1,90 0,33 0,21

100 100 3,70 2,50 0,37 0,25

150 100 6,00 * 0,40 *

( * ) Fora do limite do ábaco.

FONTE: CORRÊA FILHO (1985)

A análise dos resultados da tabela 2 permite observar:

a) a vazão máxima fornecida pelos ábacos limitou-se aos 100 litros/min, que

representa a capacidade da maioria das bombas especificadas para os

serviços de injeção. Em Itaipu, a capacidade máxima das bombas

utilizadas foi de 150 litros/minuto;

b) os valores de perda de carga indicadas por Itaipu foram maiores, em vista

desse ábaco resultar de várias medidas diretas da perda de carga na

composição de ensaio completa, incluindo obturador e os instrumentos de

medida da vazão e pressão, como hidrômetro e manômetro.

A partir dos valores de perda de carga fornecidos pelos ábacos e de perda de

carga específica calculadas na tabela 2, podem-se inferir as seguintes observações de

ordem prática:

a) é fundamental que a tubulação a ser utilizada nos ensaios seja submetida

ao ensaio de perda de carga, a qual deverá ter em sua composição todas

conexões, hidrômetro, manômetro e inclusive o obturador;

Page 64: Dissertação Perda d'Água

53

b) é coerente limitar a vazão de 120 litros/minuto para tubulação de 1"

(25,4mm), estabelecida por CORRÊA FILHO (1985, p.48), em vista

dessa vazão apresentar uma perda de carga específica de 0,40 mca/metro,

como mostrado na tabela 2, para tubulação de 150m e vazão de 100 litros/

minuto;

c) o valor proposto por Corrêa Filho para a perda de carga específica "i" de

1 mca/metro de tubulação é bastante conservador, como pode ser

observado na tabela 2, onde os valores de perda de carga indicada pelos

ábacos correspondem a coeficientes "i" máximo igual a 0,40.

Page 65: Dissertação Perda d'Água

54

4 CÁLCULO DA PERMEABILIDADE (K) A PARTIR DOS ENSAIOS (PE)

QUADROS(2002) registrou que a proposta do ensaio de perda d'água de

Maurice Lugeon constituiu-se em marco para o desenvolvimento da caracterização

hidráulica dos maciços de fundação, visando as obras de engenharia. Nesses ensaios os

horizontes rochosos são considerados homogêneos lateralmente.

A partir dos valores do ensaio de perda d'água obtidos pela equação (5)

mostrada no item 3.6, pode-se calcular a permeabilidade “in situ” representativa das

camadas sub-horizontais da rocha, por meio da aplicação da fórmula utilizada por

Franciss, apud OLIVEIRA, SILVA e FERREIRA (1975, p.8):

r

L

PeL

QK

.66,0ln

...2π= (6)

onde,

L.Pe

Q, é a expressão de cálculo do ensaio PE (Perda d'água; equação 5);

Cfr

L=

.66,0ln = coeficiente de forma, cujo valor depende da relação entre

o comprimento do trecho ensaiado e o raio do furo de sondagem;

em seguida, transformando as unidades de PE de litros/(min.m.kgf/cm2)

para um resultado de permeabilidade (K) em cm/s, temos

)/.(10.66,1 4 scmPE −−−−==== que, substituindo na equação 6, fornece o valor da

permeabilidade:

CfPEscmK .2

10.66,1.)/(

4

ππππ−−−−

==== (7)

Admitindo a parcela constante da equação FCf ====−−−−

..210.66,1 4

ππππ e substituindo

na equação 7, temos;

FPEscmK .)/( ==== (8)onde os valores de F estão indicados na figura 21, a qual leva emconsideração o coeficiente de forma do trecho ensaiado.

Page 66: Dissertação Perda d'Água

55

FIGURA 21 - CURVAS DE CONVERSÃO DE PERDA D'ÁGUA ESPECÍFICA EM PERMEABILIDADE (cm/s)

FONTE : OLIVEIRA, SILVA e FERREIRA (1975)

A título de exemplo, o coeficiente de permeabilidade de um furo de diâmetro

NX ensaiado em um trecho de 5 m, com uma a perda específica de 1l/(min.m.kgf/cm2)

será igual a 1,0 x (1,19x10-4 ) ≅ 1,2 x 10-4 cm/s.

É de uso corrente, a execução do ensaio em trecho de 3 m de furo com

diâmetro NX (3"), o qual indicará no gráfico da figura 21 um fator de conversão de

1,04 x 10-4 cm/s, que na prática é adotado com o valor de 1,0x10-4 para expressar a

permeabilidade do meio. Assim, um trecho com perda específica de

4l/(min.m.kgf/cm2) tem sua permeabilidade expressa por 4,0 x (1,0x10-4 ) ≅ 4,0x10-4

cm/s.

Outro exemplo de conversão de perda d'água em permeabilidade da rocha

ensaiada foi objeto do trabalho de BULUT et all (1996) que, no entanto não é aplicável

no caso desta dissertação, pois os autores utilizam a vazão de água injetada com

FATOR DE CONVERSÃO ( F ) DE PERDA D'ÁGUA (PE) EM PE RMEABILIDADE ( K )

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

1,10

1,20

1,30

1,400,

1

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

2,8

3,0

3,2

3,4

3,6

3,8

4,0

4,2

4,4

4,6

4,8

5,0

COMPRIMENTO (L) DO TRECHO ENSAIADO (m)

VA

LOR

ES

DE

" F

" (x

10-4

cm/s

)

NX(76,2mm) HX(101,6mm) AX(50,8mm)

NX

AX

HX

Page 67: Dissertação Perda d'Água

56

pressões crescentes de 2, 4, 6, 8 e 10 atm durante 10 minutos, bem diferente do caso de

Itaipu, que aplica estágios de pressão crescente e decrescente. BULUT calculou o

coeficiente de permeabilidade da rocha a partir do total de água injetada sob diferentes

pressões. Para isso, os autores fizeram uso de equações matemáticas do método de

ensaio de permeabilidade do Bureau of Reclamation (1951) , apud BULUT (1996), e

no final do trabalho, apresentou-se um gráfico que indica o coeficiente de

permeabilidade médio da rocha, conhecendo-se apenas a vazão média de água injetada

nas pressões indicadas acima. Esse trabalho mostra também a maneira de transformar

os valores do ensaio de perda d'água em permeabilidade em meio poroso.

Como o ensaio de perda d'água é executado em três ou cinco estágios de

pressão, obtém-se para o mesmo trecho ensaiado, mais de um valor de PE, que

aplicados na equação (8) geram, também, mais de um resultado de permeabilidade.

Devido a esse fato, há necessidade de se definir qual dos resultados representa melhor

a permeabilidade do maciço. OLIVEIRA, SILVA e FERREIRA (1975, p.9)

recomendaram adotar os valores do primeiro estágio de pressão, obtidos antes do

maciço ser submetido aos valores maiores de pressão dos estágios subseqüentes. Além

disso, deve-se considerar como condição necessária para o cálculo da permeabilidade,

a existência de um regime laminar, para evitar a alterações físicas da feição ensaiada.

Para atender esse requisito, é importante conhecer o comportamento do fluxo durante

o ensaio, conforme será visto no item a seguir.

4.1 COMPORTAMENTO DO FLUXO NO TRECHO ENSAIADO

O comportamento do fluxo pode ser determinado com auxílio de gráficos de

vazão versus pressão efetiva de ensaio, a partir dos quais pode-se inferir como o

escoamento d’água ocorreu através das fissuras. Uma aplicação direta dessa

observação pode ser a definição dos valores limites de pressão a ser aplicada nos

tratamentos dos maciços por injeção. A figura 22 mostra o modelo de comportamento

esperado para o fluxo, indicando quatro casos teoricamente esperados para os regimes

Page 68: Dissertação Perda d'Água

57

de escoamento laminar, turbulento, de deformação da fissura e de vazão total, os quais

admitem ainda uma subdivisão do comportamento físico das fissuras do trecho

ensaiado em “sem alteração”, “com fechamento” e “com abertura”.

FIGURA 22 - MODELO ESPERADO DE COMPORTAMENTO DO FLUXO DURANTE O ENSAIO

1) - "a" e "b" indicam vazão e pressão crescentes respectivamente;2) - 1 a 5 indicam a seqüência de aplicação dos estágios de execução do ensaio;

FONTE : OLIVEIRA, SILVA e FERREIRA (1975)

Page 69: Dissertação Perda d'Água

58

O comportamento apresentado é de caráter qualitativo por considerar apenas

o trecho ensaiado, sem se preocupar com o grau de fraturamento do maciço rochoso.

Segundo Cruz (1979), apud CORRÊA FILHO (1985, p.78), em ensaios de

perda d'água sob pressão, quando o trecho ensaiado intercepta uma feição de elevada

permeabilidade, a natureza do fluxo tem condição de ser turbulenta ou pelo menos

transacional. Nesse caso, e admitindo-se para o trecho de ensaio do maciço rochoso a

presença de fraturas abertas, paralelas e espaçamento uniforme, Cruz relacionou uma

perda d’água específica turbulenta (PE’) com a abertura da fratura da rocha (e) e o

número de fraturas por centímetro no trecho de ensaio (N), pela expressão:

a) NeePE . .10.4,2' 5−= , sendo a unidade de PE' igual a

)/...(min / 2cmkgml (9);

b) Nos gráficos da figura 23 e nas equações da tabela 3, apresentadas por

CRUZ (1979) e BOTELHO (1960) apud CORRÊA FILHO(1985, p.79),

mostra-se a relação entre a perda d'água em regime turbulento e laminar

com a abertura das fraturas do maciço ensaiado. As fórmulas mostradas

na tabela 3 permitem calcular a perda específica e a permeabilidade em

função da abertura da fratura.

FIGURA 23 - RELAÇÃO ENTRE PERDA D'ÁGUA E ABERTURA DE FRATURAS

FONTE: CRUZ (1979), APUD CORRÊA FILHO (1985)

Page 70: Dissertação Perda d'Água

59

TABELA 3 - EQUAÇÕES DE CÁLCULO DA PERMEABILIDADE EM REGIME TURBULENTO E LAMINAR

INDICES DE PERMEABILIDADEREGIME PROPOSTO POR

PERDA D'ÁGUAPERMEABILIDADE

LAMINAR MELLO e CRUZ ..

PeL

QPE =

r

L

PeL

QK

. 66,0ln

. .2 π=

TURBULENTOBOTELHO e CRUZ

(Várias fraturas) PeL

QPE

'=

e gK .4' ====

Q Vazão do ensaio;L Comprimento do trecho ensaiado;Pe Pressão efetiva do ensaio;e Abertura da fratura;g Aceleração da gravidade.

FONTE: CORRÊA FILHO (1985)

Identificando-se o regime de fluxo que ocorreu no ensaio, podem-se utilizar

adequadamente as fórmulas da tabela 3 para obter os índices de permeabilidade da

rocha ensaiada.

Entretanto, quando se trata de um bom tratamento das fundações por injeção

de materiais impermeabilizantes, é mais provável que as fissuras estejam fechadas e

não inter-comunicantes, consubstanciando portanto, a hipótese de fluxo laminar nos

ensaios de perda d'água específica. Visando confirmar essa hipótese, durante a reunião

do Board de Consultores Civis realizada em novembro de 2002 na Usina de Itaipu, foi

discutido esse assunto com o Profº Paulo T. Cruz que ratificou a validade em se

considerar como laminar o fluxo nesse tipo de ensaio e sua transformação em

coeficiente de permeabilidade da rocha, conforme sua resposta no Relatório do Board

(ITAIPU BINACIONAL 2002), transcrita a seguir:

"A estimativa de vazões pelas fundações tem implícita algumas hipóteses simplificadoras,como por exemplo: fluxo radial uniforme em toda a altura do trecho ensaiado e a validadeda lei de Darcy, ou seja, de fluxo laminar.

Page 71: Dissertação Perda d'Água

60

Estas condições só ocorreriam no maciço rochoso se o mesmo fôsse um meio poroso,contínuo e saturado. Esta condição dificilmente ocorre a não ser nas feições basálticascomo as brechas e as porções centrais dos derrames, que, no entanto, são práticamenteimpermeáveis. Todo o fluxo se concentra nos contatos e nas juntas como ilustrado porGuidicini já em 1976 (figura 26).

Portanto, estimar as permeabilidades destas feições descontínuas, com ensaios da perda deágua, é uma prática usual, mas apenas aproximada. Quando os ensaios são procedidos apósas injeções, e na área injetada, as condições do meio rochoso são mais uniformes e asestimativas da permeabilidade equivalente do meio rochoso são um pouco menos afetadaspelas descontinuidades já injetadas"

Por essas razões, no estudo de retroanálise de dados dos ensaios de perda

d'água realizados em Itaipu, os quais foram objeto de estudo de caso desta dissertação,

algumas premissas foram estabelecidas para o tratamento desses resultados:

a) os cálculos foram efetuados considerando os ensaios em regime laminar;

b) os horizontes rochosos são considerados homogêneos lateralmente, como

caracterizado nas sondagens, o que permite a identificação dos sub-

horizontes mais permeáveis do maciço rochoso;

c) a permeabilidade indicada para representar os sub-horizontes do maciço

foi estabelecida a partir dos ensaios de perda d'água e constitui, em

essência, o critério adotado para determinar a vazão esperada pela

fundação da barragem, objeto principal desta dissertação.

Essas premissas constituem uma prática geral e admitem que o ensaio de

perda d'água expressa a condutividade hidráulica do maciço de fundação nos locais

ensaiados. Segundo QUADROS(2002), apesar do ensaio de perda d'água fornecer a

permeabilidade de meio isotrópico, ele é aceito por ser o único que existe de largo uso

na geotecnia, ser de baixo custo e de resultado imediato.

Page 72: Dissertação Perda d'Água

61

5 MODELO PARA DETERMINAÇÃO DA VAZÃO PELA FUNDAÇÃO

Apresentam-se neste capítulo, os procedimentos e a seqüência das etapas a

serem desenvolvidas para aplicar o critério de determinação de vazões de percolação

de água pela fundação de barragens.

5.1 CRITÉRIO PROPOSTO PARA ESTIMAR A VAZÃO

A proposta fundamental desta dissertação é a de estabelecer um critério

válido para determinação da vazão de águas que percolam pela fundação de barragens,

a partir de ensaios de perda d'água realizados na própria rocha do empreendimento.

Tal critério, em essência, propõe que a vazão, entendida como aquela relativa

à percolação de águas de infiltração sob pressão em meios porosos, seja obtida por

intermédio de simples aplicação da Lei de Darcy, cujo coeficiente de permeabilidade

nela contido seja definido a partir dos ensaios padronizados de perda de água.

Assim, a variável a ser verificada será o coeficiente de permeabilidade da

rocha, a ser obtido a partir dos ensaios de perda de água realizados na fundação da

barragem.

A partir da conversão dos resultados dos ensaios de perda d'água em

coeficiente de permeabilidade da rocha, como indicado no capítulo anterior, é possível

identificar os sub-horizontes mais permeáveis da fundação. Com a definição desses

horizontes pode-se iniciar o roteiro para determinação da vazão de infiltração pela

fundação da barragem.

Page 73: Dissertação Perda d'Água

62

5.2 ROTEIRO PARA DETERMINAR A VAZÃO DE INFILTRAÇÃO

O roteiro apresentado buscou, de forma seqüencial, apresentar todas as

etapas necessárias para calcular a vazão de infiltração pela fundação, conforme

mostrado a seguir:

a) definir o trecho da estrutura da barragem, onde o estudo de caso deverá se

desenvolver para cálculo da vazão esperada pela fundação;

b) analisar os resultados dos ensaios de perda d'água realizados nos furos de

sondagem, executados tanto na fase de investigações geológicas, quanto

durante o tratamento da fundação do maciço rochoso e por ocasião da

instalação dos piezômetros de fundação da barragem;

c) definir os horizontes da fundação de características hidrogeológicas

semelhantes. Para isso, é necessário um estudo prévio da geometria

escavada, da geologia e suas principais descontinuidades. Após esse

estudo da fundação a ser avaliada, pode-se estabelecer um ou mais sub-

horizontes permeáveis, geralmente caracterizados por extensos planos de

descontinuidade do maciço rochoso ou ainda pela fundação rasa, cujo

contato entre o bloco de concreto e a rocha apresenta-se mais permeável

por serem de materiais diferentes;

d) definir a permeabilidade média desses sub-horizontes rochosos. Tal valor

terá como base os resultados dos ensaios de perda d'água convertidos em

permeabilidade, conforme mostrado no capítulo 4, e representará a

condutividade hidráulica da rocha. Para estabelecer o valor médio da

permeabilidade da fundação deste estudo de caso houve a necessidade de

se fixar algumas premissas, as quais resultaram em limitações a serem

impostas na aplicação do critério proposto para determinar a vazão pela

fundação da barragem. Essas limitações foram:

d1) os ensaios que registram perda total da água injetada, ou seja,

aqueles cuja pressão máxima especificada para o ensaio não foi

Page 74: Dissertação Perda d'Água

63

atingida, foram considerados de alta permeabilidade com o valor

de 10-3 cm/s. Esse valor eqüivale a um ensaio de perda d'água em

um trecho de 3m de um furo com diâmetro NX (76,2 mm) que

apresentou uma vazão de 120 l/min, sob uma pressão mínima de

200 kPa (2 kgf/cm2).

Aplicando os valores desse exemplo na equação 5, obtém-se a

perda d’água específica PE = 120/(3.2) = 20 l/(min.m.kgf/cm2).

Esse valor aplicado na equação (8) com o fator F de conversão

mostrado na curvas da figura 21, conduz à permeabilidade de

20(1,04x10-4 )cm/s ≅ 2x10-3 cm/s ≅ 10-3 cm/s;

d2) aos ensaios situados em zonas de baixa permeabilidade, os quais

mostraram-se impermeáveis, atribuiu-se o coeficiente de

permeabilidade inferior a 10-7cm/s, sendo esse valor considerado

nos cálculos somente uma vez. Como regra geral, recomenda-se

praticar:

d2-a) em horizontes de alta permeabilidade com absorção de

água superior à capacidade da bomba de ensaio (120 l/min),

adotar o coeficiente de permeabilidade da rocha igual a 10-3

cm/s;

d2-b) em horizontes impermeáveis, onde o ensaio apresentar

perda de água específica PE < 0,01 adotar o coeficiente de

permeabilidade da rocha variando entre 10-6 e 10-7 cm/s;

d3) o valor utilizado do ensaio de perda d'água para conversão da

permeabilidade equivalente da rocha foi do 3º estágio, embora os

autores OLIVEIRA, SILVA e FERREIRA, apud item 4 desta

dissertação, recomendassem o uso dos resultados do 1º estágio dos

ensaios. Com a adoção do 3º estágio, recomendada neste trabalho,

pretende-se obter um critério de determinação de vazão mais

conservador, do ponto de vista de se atingir valores menores de

Page 75: Dissertação Perda d'Água

64

vazão, considerada como normal, que se espera de percolação pela

fundação da barragem, a qual será determinada pelo critério

proposto nesta dissertação. Espera-se tal fato, pois o 3º estágio do

ensaio é realizado com maior pressão efetiva, que resultará em

perda d'água específica e permeabilidade equivalente da rocha de

fundação também menores, ao aplicar as equações 5 e 8;

e) estabelecer o gradiente hidráulico responsável pela percolação de água

entre o lago e a drenagem. Essa água que atravessa a seção molhada da

cortina de injeção, onde serão realizados os ensaios de perda d'água

específica, é conduzida para os medidores de vazão, onde será

quantificada. O gradiente é estabelecido em função dos parâmetros

geométricos do conjunto estrutura e fundação, levando em conta a

pressão hidrostática e a distância entre a face de montante da estrutura e a

linha de drenos de alívio das subpressões. Para exemplo, ver o item 6.3.5,

que apresenta os valores calculados para a estrutura do estudo de caso

apresentado no próximo capítulo;

f) estimar a vazão de infiltração utilizando a Lei de Darcy transformada

analiticamente, aplicando a equação10, em que a vazão é expressa em

função do gradiente hidráulico e da área de seção molhada da cortina de

injeção, a qual constitui o meio de percolação das águas de infiltração.

Assim, os valores de gradiente hidráulico e de permeabilidade

estabelecidos segundo as alíneas "d" e "e", aplicados na equação10,

indicarão a vazão de infiltração, cujas águas que atravessam a cortina

deverão ser capturadas pelo sistema de drenagem, aliviando as

subpressões.

AikQ . . = (10)

sendo

Page 76: Dissertação Perda d'Água

65

Q em cm3/s;

K = cm/s;

i = gradiente hidráulico, adimensional e corresponde ao gradiente da

carga hidráulica entre o paramento de montante e a cortina de

drenagem;

A = cm2 corresponde à área molhada da seção longitudinal da

fundação, tratada por injeção de cimento;

g) finalmente, e com os dados obtidos nos itens anteriores, podem-se

elaborar as tabelas com os parâmetros indicados acima, os quais aplicados

na equação 10 indicarão a vazão que se espera, como normal, de

percolação pela fundação da barragem. Essas tabelas constam do estudo

de caso, que será objeto do capítulo seguinte, em que efetuou-se a

aplicação do roteiro proposto neste item para determinar a vazão esperada

pela fundação da barragem.

Page 77: Dissertação Perda d'Água

66

6 ESTUDO DE CASO - BARRAGEM DE ITAIPU

A seguir, apresenta-se uma aplicação do roteiro proposto para determinar a

vazão esperada pela fundação da Estrutura de Desvio da Barragem de Itaipu. O estudo

de caso apresentado segue todos os itens do roteiro proposto em 5.2.

6.1 OBJETO DO ESTUDO DE CASO

Nesta dissertação foram analisadas duas situações de aplicação da hipótese,

indicada no item 5.1, ou seja, o coeficiente de permeabilidade da rocha, obtido a partir

dos ensaios de perda d’água realizados em furos de sondagem, que aplicado na

equação 10 indicará a vazão esperada pela fundação. Essas duas situações referem-se

aos ensaios de perda d'água realizados no tratamento da rocha de fundação de Itaipu,

em fases distintas:

a) antes do tratamento das fundações por injeção de cimento, utilizando os

ensaios dos furos de sondagens executados na fase de investigações

geológicas e de estudos de reconhecimento, prévio, da injetabilidade da

rocha a ser tratada;

b) após o tratamento das fundações, utilizando os ensaios dos locais onde a

cortina de injeção indicou maiores absorções de cimento. Nesses locais,

foi recomendado executar furos de sondagem com extração de

testemunhos de rocha, para avaliar o preenchimento das fraturas por calda

de cimento, bem como para verificar a injetabilidade residual da rocha.

Essa verificação se realiza por meio de novos ensaios de perda d'água

executados nesses furos de verificação da cortina. Os resultados desses

ensaios permitem avaliar a eficiência da cortina de injeção e fizeram parte

do conjunto de dados analisados nesta dissertação.

Page 78: Dissertação Perda d'Água

67

6.2 CARACTERÍSTICAS DA GEOLOGIA NA REGIÃO DE ITAIPU

Considerando que já encontra-se definida a estrutura da barragem, onde o

estudo de caso será aplicado, julgou-se necessário apresentar a geologia desse local

antes de aplicar o roteiro proposto no item 5.2.

6.2.1 Geologia do Maciço Rochoso da Fundação

As fundações da barragem de Itaipu constituem-se de rochas vulcânicas que

se formaram em toda a região centro-sul do Brasil e a região leste do Paraguai, durante

os períodos Jurássico e Cretáceo da era mesozóica (capítulo 2). Essas rochas na região

de Itaipu compreendem os espessos derrames de lavas de formação Serra Geral do

Grupo São Bento, também conhecido por "Trap do Paraná" ou basalto da Bacia do Rio

Paraná.

Os derrames sucessivos de lavas vulcânicas estão intercalados por brechas,

sendo que um derrame é representado por uma camada de lava mais uma camada de

brecha. A espessura média desse derrame varia entre 30 e 60 metros. O derrame

apresenta-se quase horizontalmente, com pequeno mergulho para montante,

originando planos com caimento da ordem de 1º a 2o NE.

Na área onde se encontram implantados os blocos da Estrutura de Desvio,

objeto deste estudo de caso, foram executadas sondagens rotativas com extração de

testemunhos, ensaios de perda d'água e abertos poços de prospecção. A análise de

todos esses dados levou a caracterizar como de interesse do maciço rochoso de

fundação, os derrames basálticos "A" , "B", "C", "D" e "E". Em Itaipu, a denominação

dos derrames é indicada por letras do alfabeto na ordem de baixo para cima, ou seja o

derrame "E" é o mais superficial. De modo geral, os derrames sucessivos apresentam o

seguinte perfil de estratificação:

Page 79: Dissertação Perda d'Água

68

a) basalto denso cinzento na base e porção central do derrame;

b) basalto vesicular e amigdaloidal posicionado no topo da lava vulcânica,

que no processo de resfriamento do magma aprisiona gases, formando

vesículas nessa parte da camada superficial de lava;

c) brechas, também denominadas de inter-derrames representam o topo de

um derrame, e constituem uma zona de transição entre dois

derramamentos de lava vulcânica. A origem das brechas se deve ao

cozimento, que ocorre através do calor da lava do derrame superior, a

qual é responsável pelo processo de endurecimento do solo transportado e

de coluvião sedimentados sobre a lava do derrame inferior, durante o

período decorrido entre duas lavas vulcânicas, formando assim, a zona de

transição entre derrames;

d) descontinuidades associadas a cada derrame da fundação, as quais se

posicionam no terço médio superior da camada de derrames basálticos

formando falhas horizontais em planos de alcance regional. Essas zonas

de fraqueza assumem importante papel de condicionante geológico para o

projeto.

As espessuras médias das camadas de basalto e zonas de transição composta

de basalto vesicular e brechas estão indicadas na tabela 4

TABELA 4 - ESPESSURA MÉDIA DOS DERRAMES DE BASALTO DA FUNDAÇÃO DE ITAIPU

ESPESSURA MÉDIA (M)DERRAME

COTA MÉDIA CONTATOSUPERIOR CAMADA DE

BASALTO DENSOZONA DE TRANSIÇÃO

(BASALTO VESICULAR E BRECHA)

E 170 50 9-10

D 135 21-23 8-9

C 112 30-32 4-5

B 80 40 15-20

A 20 55 6-9

FONTE: IECO/ELC (1974)

Page 80: Dissertação Perda d'Água

69

6.2.2 Condutividade Hidráulica da Fundação

O comportamento da fundação em Itaipu, sob o ponto de vista de

condutividade hidráulica, não foge dos padrões habitualmente observados para outras

barragens situadas em litologia similar.

Nos derrames basálticos, é a estratificação natural que condiciona o

aparecimento de horizontes mais permeáveis, os quais, ao lado das descontinuidades

formadas durante a consolidação do magma basáltico e do contato artificial entre a

rocha e a estrutura, constituem os principais planos de percolação. O contato concreto

rocha pode ser controlado através de um eficiente trabalho de preparo do topo rochoso

e de injeções de ligação.

As descontinuidades, por outro lado, que acompanham o mergulho regional

dos derrames, acabam aflorando a jusante da barragem, por onde são abastecidas pela

água do rio. Assim essas falhas horizontais assumem importante papel na condução do

aquífero e drenagem do maciço.

Os contatos inter-derrames têm um desempenho muito parecido com as

descontinuidades, a menos da alimentação a partir dos níveis superiores, que aqui é

dificultada pela barreira apresentada pelos horizontes de basalto vesículo-amigdalóide,

posicionados acima e abaixo do contato.

As brechas, por não apresentarem um sistema definido de fraturas,

funcionam como esponja, ou seja, apenas armazenam água sem capacidade de permitir

a sua transmissão.

O corpo dos derrames pode ser considerado impermeável, já que 65% dos

ensaios mostram perda d'água específica, PE < 0,01.

Page 81: Dissertação Perda d'Água

70

Do ponto de vista de condutividade hidráulica da fundação de Itaipu, as

descontinuidades associadas a cada derrame e os contatos entre derrames se

destacaram pela alta permeabilidade da rocha na fase de investigações e pelas maiores

absorções de cimento durante o tratamento das fundações.

6.3 DETERMINAÇÃO DA VAZÃO - APLICAÇÃO DO ROTEIRO

Conhecida a geologia da fundação da estrutura de aplicação do estudo de

caso, apresentam-se as etapas, de forma seqüencial, do roteiro do item 5.2, as quais

permitem estimar a vazão esperada pela fundação.

6.3.1 Definição da Estrutura do Estudo de Caso

Para aplicação do critério proposto, em estudo de caso, optou-se pela

fundação do trecho da barragem de Itaipu denominado Estrutura de Desvio, em vista

dessa estrutura ter sido construída no canal de desvio do Rio Paraná, com 150m de

largura, altura máxima de 90m e extensão de 2 km, o que permitiu obter um fluxo

hidráulico, praticamente bidimensional das águas de percolação. Dessa forma, os

valores de infiltração medidos no protótipo foram utilizados para aferição dos valores

indicados pelo critério proposto. A localização da Estrutura de Desvio no arranjo geral

de Itaipu está apresentada na figura 24.

Page 82: Dissertação Perda d'Água

71

FIGURA 24 - ARRANJO GERAL DE ITAIPU

FONTE: ITAIPU

A Estrutura de Desvio, denominada de trecho "H" do barramento de Itaipu, é

uma barragem de concreto, tipo gravidade maciça que encontra-se encaixada no canal

construído para o desvio do Rio Paraná. É composta de dez blocos de largura simples

Page 83: Dissertação Perda d'Água

72

de 12,3 metros e blocos duplos de 24,6 metros de largura, todos separados por juntas

de contração.

A geologia da fundação dessa estrutura abrange, nas ombreiras direita e

esquerda do canal, taludes com alturas de 50 e 79 metros, os quais expõem ao longo

das paredes do canal, os derrames C, D e E, brechas B, brecha D e junta D. Sob a

estrutura de concreto, e em toda extensão de largura do canal, a fundação abrange os

maciços dos derrames A com espessura de 20 m e derrame B com espessura média de

50 metros. A camada do derrame B já inclui a espessura da brecha B, na qual se

encontra no topo desse derrame, e constitui a fundação rasa do contato entre o

concreto e a rocha de fundação. Outra feição geológica importante refere-se ao contato

entre derrames, o qual é representado por um plano sub-horizontal formado entre o

topo da brecha e o derrame subseqüente, onde se observa elevada permeabilidade.

Ainda destacam-se nessa fundação, do ponto de vista geomecânico e de percolação de

águas, as descontinuidades denominadas juntas A e B, sendo a primeira de alta

permeabilidade. As principais feições geológicas e a geologia da fundação da estrutura

de desvio estão apresentadas na figura 25.

Page 84: Dissertação Perda d'Água

73

FIGURA 25 - GEOLOGIA DA FUNDAÇÃO DA ESTRUTURA DE DESVIO

FONTE: ITAIPU 1 - Derrame A 2 - Derrame B

6.3.2 Análise dos Ensaios de Perda d'água Específica

De modo geral, no estudo de injetabilidade da fundação em rocha basáltica

destacam-se três situações de condutividade hidráulica da rocha, as quais puderam

facilmente ser observadas com o andamento dos ensaios de campo:

a) Zonas de alta permeabilidade- correspondentes aos contatos abertos entre

derrames, descontinuidades e falhas geológicas. Nesses locais, as

pressões indicadas para a execução do ensaio de perda d'água são,

geralmente, difíceis de ser atingidas, exigindo equipamentos adequados

para atender as especificações dos ensaios. Essas feições quase sempre

têm ampla continuidade e são facilmente identificadas nas sondagens e

ensaios;

b) Zonas impermeáveis - tipicamente, representam o basalto denso e

amigdaloidal do corpo rochoso do maciço. Facilmente identificados por

exporem sua estanqueidade, mostrando ensaios sem absorção de água;

Junta A

Junta D

Brecha B

Derrame

Derrame

2

1

Derrame

Brecha B

Junta B

Page 85: Dissertação Perda d'Água

74

c) Zonas de permeabilidade variada - correspondem às litologias onde o

comportamento dos ensaios de perda d'água apresenta maior variabilidade

de resultados. Geralmente correspondem às zonas ou faixas fraturadas

dos derrames, brechas e às vezes contatos mais fechados entre derrames.

Essas feições representam as incertezas com relação ao consumo de

cimento para o tratamento da rocha por injeções.

A classificação mostrada acima vem ao encontro da afirmação de

AZEVEDO (1993), em que o autor destacou a forte anisotropia da permeabilidade nos

maciços basálticos, sendo mais acentuada nas juntas falhas sub-horizontais do que no

próprio maciço rochoso. Foi observado, também, a tendência de aumento da

condutividade hidráulica desses sub-horizontes com o aumento de profundidade da

ocorrência geológica, ao contrário do que ocorre nos maciços intrusivos, como

mostrado na figura 26.

FIGURA 26 - DISTRIBUIÇÃO TEÓRICA DA PERMEABILIDADE EM MACIÇOS BASÁLTICOS E INTRUSIVOS

FONTE: OLIVEIRA, SILVA E GUIDICINI(1976), APUD AZEVEDO (1993)

6.3.3 Definição dos Horizontes Permeáveis da Fundação

Após a análise de dados dos ensaios de perda d'água, foi necessário um

estudo prévio da geometria escavada, geologia e descontinuidades importantes da

fundação da estrutura a ser avaliada. Assim, no estudo de caso da Estrutura de Desvio,

a fundação foi divida em três áreas, como mostrado na figura 27:

, respectivamente

Page 86: Dissertação Perda d'Água

75

FO

NT

E: IT

AIP

U

FIG

UR

A 27 - S

UB

-HO

RIZ

ON

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S (Á

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ÉR

IO D

E V

AZ

ÃO

75

Page 87: Dissertação Perda d'Água

76

a) Área 1 - considerada como a fundação de assentamento da estrutura de

concreto, a qual se prolonga 20 metros sob a ombreira direita do canal e

40 metros na outra ombreira, totalizando 210 metros de extensão de

fundação e espessura de 55m, entre as cotas 10 e 65. As dimensões de 20

e 40 m referem-se, respectivamente, ao alcance dos leques de injeção e

drenagem executados para tratamento da rocha sob as ombreiras. A área 1

abrange, três importantes feições geológicas consideradas no estudo de

caso;

- Contato concreto rocha, considerado o topo da fundação, o qual pode

ter sido abalado pelos fogos de desmonte, apresentando-se de difícil

tratamento por injeção. Essa dificuldade se deve ao fato desse contato

ser superficial, o que não permite aplicação de pressões elevadas nos

trabalhos de injeções. Essa feição abrange a fundação rasa da Estrutura

de Desvio e se posiciona entre as cotas 60 e 65;

- Descontinuidade do derrame B - denominada "junta B", a qual foi

admitida, para cálculo da vazão, com espessura de 5m e está

posicionada entre as cotas 50 e 55. Essa feição que foi objeto de

intensas investigações geológicas das fundações de Itaipu, sob a

Estrutura de Desvio apresentou-se, porém, com preenchimento de

minerais e de baixa permeabilidade;

- Descontinuidade do derrame A - denominada "Junta A", que

caracterizou o horizonte mais permeável das fundações antes do

tratamento por injeções. O sub-horizonte do maciço rochoso que

contém essa descontinuidade foi considerado no presente estudo com a

espessura de 15m, entre as cotas 10 e 25, para incorporar no mesmo

horizonte permeável, a brecha e o contato inter-derrames A e B. Essas

feições são caracterizadas por elevadas permeabilidade e apresentaram

excelentes resultados de redução de permeabilidade, após o tratamento

da rocha;

Page 88: Dissertação Perda d'Água

77

b) Área 2 - correspondente a uma faixa da fundação do talude direito do

canal de desvio, a qual possui 20m de largura em direção ao leito do rio e

profundidade entre as cotas 115 e 65. Esse pacote do maciço é constituído

pela brecha B e derrames C e D, onde está apoiado o primeiro bloco da

Estrutura de Desvio. Esse maciço mostrou alta permeabilidade inicial da

rocha, em vista do seu desconfinamento lateral duplo, resultante da sua

geometria de escavação, sendo de um lado a parede direita do canal e, do

outro lado, os taludes escavados para assentar os blocos de concreto da

região da encosta do Rio Paraná;

c) Área 3 - considerada com a largura de 40m a partir do talude esquerdo do

canal em direção ao blocos do trecho I. Essa área da fundação possui a

espessura máxima de 79m, entre as cotas 65 e 144. Essa fundação está

desconfinada somente de um lado pelo talude de esquerda hidráulica do

canal, onde afloram a junta D, derrames C, D e E e brechas B e D, dando-

lhe uma característica de permeabilidade variável;

d) Áreas não consideradas - a porção inferior do basalto denso do derrame B

posicionado abaixo da junta B entre as cotas 25 e 50, e a porção desse

derrame abaixo da cota 10 não foram consideradas na área da seção de

tratamento por injeção de cimento. Tal procedimento teve como base os

resultados dos ensaios nesse local, os quais não indicaram absorção da

água injetada.

6.3.4 Permeabilidade Adotada

A utilização dos valores de perda específica dos ensaios padronizados, para

definir a permeabilidade equivalente da rocha, constituiu a variável a ser verificada

que, em essência, representa o critério proposto nesta dissertação, ou seja estimar a

vazão esperada pela fundação da barragem, com base nos ensaios de perda d'água,

conforme descrito no item 5.1. Assim, as permeabilidades adotadas para representar a

Page 89: Dissertação Perda d'Água

78

condutividade hidráulica dos sub-horizontes foram consubstanciadas nos ensaios de

perda d'água e constam nas tabelas do item 6.3.6 de cálculo da vazão esperada.

Em Itaipu foi realizado um universo de 9500 ensaios de perda d'água nas

fundações de todos os trechos da barragem, tanto nas fases de investigações no início

da década de 70, como antes e após o tratamento das fundações por injeções de

cimento durante a construção da usina.

Embora o total de ensaios sob a Estrutura de Desvio nessa época de

investigação seja da ordem de 800 ensaios, a tabela 5 indica a origem de 214 deles que

foram pré-avaliados para identificar a condutividade hidráulica da rocha e definir os

sub-horizontes permeáveis da fundação.

TABELA 5 - TOTAL DE ENSAIOS PERDA D'ÁGUA UTILIZADOS NA DEFINIÇÃO DOS SUB-HORIZONTES

Nº DE ENSAIOS PERDA D'ÁGUAÁREA DOS SUB-

HORIZONTESFASE DAS SONDAGENS

ANTES DASINJEÇÃO

APÓS ASINJEÇÕES

INVESTIGAÇÕES 76

PRÉ-INJEÇÕES DE RECONHECIMENTO 22

CONTROLE DA EFICIÊNCIA DAS INJEÇÕES 101

PIEZÔMETROS DA FUNDAÇÃO 54

PRÉ-INJEÇÕES DE RECONHECIMENTO 11

CONTROLE DA EFICIÊNCIA DAS INJEÇÕES 102

PIEZÔMETROS DA PARDE DO CANAL 8

PRÉ-INJEÇÕES DE RECONHECIMENTO 9 (a)

CONTROLE DA EFICIÊNCIA DAS INJEÇÕES 6 (a)3

PIEZÔMETROS DA PARDE DO CANAL 8

118 96TOTAL

214

(a) Na ombreira direita foram utilizados os resultados de zoneamento da permeabilidade antes e depoisdo tratamento da rocha. Nessa área não foram executados furos de controle das injeções.

FONTE: ITAIPU

Do total de 214 ensaios pré-analisados, no estudo de caso concentrou-se a

atenção em 23 ensaios efetuados antes do tratamento e em 20 ensaios efetuados após o

Page 90: Dissertação Perda d'Água

79

tratamento, por estarem situados na região da cortina de injeção de montante e

coincidirem com os horizontes pré-definidos de percolação. Esses ensaios constam das

tabelas 6 e 7 do item 6.3.6.

6.3.5 Determinação do Gradiente Hidráulico

A seguir é mostrada a seção transversal da Estrutura de Desvio, que indicou

os parâmetros geométricos e hidráulicos utilizados para determinar o gradiente

hidráulico, responsável pela percolação das águas de infiltração. Nas tabelas 6 e 7

constam os valores desses gradientes, bem como das áreas de prováveis caminhos de

percolação dessas águas.

O gradiente é definido, essencialmente, a partir da geometria do bloco de

concreto da estrutura e da posição das cortinas, tanto de injeção, responsáveis pela

redução das águas de percolação, como de drenagem, onde a subpressão é aliviada e as

águas são conduzidas pelos drenos até os medidores de vazão.

Na figura 28 apresentam-se as dimensões para calcular os parâmetros

geométricos e hidráulicos utilizados para determinar a vazão esperada pela fundação.

FIGURA 28 – SEÇÃO TRANSVERSAL DA ESTRUTURA DE DESVIO

FONTE: ITAIPU

EL.67

SUPOSTA TRINCA

DE TRAÇÃO

EL.83

Page 91: Dissertação Perda d'Água

80

Parâmetros calculados nos três horizontes da fundação:

a) Área 1

i = gradiente hidráulico(adimensional)

i = (220 – 67) / 22 = 6,95 sendo 220 o nível do reservatório, 67 a cota

da boca dos drenos no interior da galeria e 22 a distância entre o lago e

a linha de drenagem;

A = área de percolação de água pela cortina de injeção

A (contato concreto rocha)= 210 x 5 = 1050m2 ;

A (junta B) = 210 x 5 = 1050m2 ;

A (junta e brecha A) =210 x 15 = 3150m2 .

b) Área 2 - Ombreira direita do canal entre cotas 115 e 65

i = gradiente hidráulico(adimensional)

i = (220 – 90) / 41 = 3,17 sendo 90 a elevação média da ombreira, onde

aplica a carga hidráulica do reservatório e 41m a distância entre o lago

e a linha de drenagem posicionada no centro do poço de captação de

águas de ombreira;

A = área de percolação de água pela cortina de injeção

A = 50x20 = 1000m2 sendo 50 (115-65) a altura da seção molhada e

20 a largura considerada em direção aos blocos do leito do Rio Paraná;

c) Área 3 - Ombreira esquerda entre cotas 144 e 65

i = gradiente hidráulico(adimensional)

i = (220 – 104,5) / 41 = 2,82 sendo 104,5 a elevação média da

ombreira, onde se aplica a carga hidráulica do reservatório.

A = área de percolação de água pela cortina de injeção

A = 79x40 = 3160m2, sendo 79 (144-65) a altura da seção molhada e

40 a largura considerada em direção aos blocos do trecho I.

6.3.6 Vazões Estimadas pelo Critério Proposto

As vazões estimadas pelo critério proposto serão obtidas pela aplicação da

equação 10, Q = k.i.A, conforme indicado no item 5.2. A seguir, apresentam-se nas

tabelas 6 e 7 as vazões calculadas para a fundação da Estrutura de Desvio de Itaipu,

antes e após o tratamento da rocha de fundação por injeções de cimento. A partir das

Page 92: Dissertação Perda d'Água

81

vazões apresentadas nessas tabelas, as quais foram calculadas pelo critério e medidas

no protótipo, podem-se inferir as seguintes observações:

a) os valores indicados na tabela 6 referem-se às vazões calculadas antes do

tratamento da rocha por injeções de cimento. Por isso, os valores são

altos, se comparados com as vazões medidas na fundação da barragem

(protótipo) em setembro de 2002, em se tratando de águas de percolação.

A apresentação dessas vazões antes e após o tratamento da rocha teve por

objetivo mostrar a eficiência das injeções aplicadas no tratamento da

rocha;

b) os valores indicados na tabela 7 expressam as vazões determinadas pelo

critério proposto nesta dissertação, obtidas utilizando os resultados dos

ensaios de perda d'água executados nos furos de verificação da qualidade

da cortina de injeção. As águas que percolam através da cortina de

injeção serão conduzidas para o sistema de drenagem e controladas nos

medidores de vazão;

c) a comparação dos resultados das vazões apresentadas na tabela 7 mostrou

um bom ajuste da vazão total da estrutura do estudo de caso, apenas

18,5% o superior ao valor medido no protótipo. Sugere-se que a vazão de

32 l/s, determinada pelo critério, seja utilizada como valor de referência,

portanto, considerada como normal que se espera de percolação pela

fundação. Caso essa vazão seja ultrapassada, a equipe de segurança da

barragem deve entrar em alerta;

d) ainda na tabela 7, as vazões parciais das áreas 1 e 2 mostraram-se,

respectivamente 60% e 68% maiores que aquelas medidas no protótipo,

enquanto que na área 3 o critério mostrou-se inadequado, indicando uma

vazão menor que a medida. Tal fato deveu-se à extensão regional da junta

geológica do derrame D, cuja vazão total é medida no sistema da área 3,

portanto, incluindo contribuições de trecho situado fora do limite de 40 m

considerado nos cálculos de vazão dessa área.

Page 93: Dissertação Perda d'Água

82

Largura (m) Altura (m) Área (cm2) Vazão/Feição Vazão Total

4,1E-05

1,0E-03

2,0E-04

1,0E-04

Junta B 5,0E-04

2,0E-05

5,0E-05

5,0E-04

2,0E-04

5,0E-06

4,1E-03

4,8E-05

2,6E-04

3,2E-05

5,9E-04

4,2E-04

1,1E-03

7,0E-04

1,0E-04

1,0E-03

5,0E-04

5,0E-06

5,0E-05

EL. 50/55

Fundação Rasa El. 60/65

Derrames C e D, brecha B

entre El. 65/115

ÁR

EA

1

F

unda

ção

das

estr

utur

asÄ

RE

A 2

Om

brei

ra D

ireita

Vazão

(cm3/s)SUB-HORIZONTES

(FEIÇÃO) (1)

Distância Drenagem

(m)

Vazão Medida no Protótipo(l/s)

Vazão pelo Critério (l/s) (5)K (ensaio) cm/s (2)

K (adotado) cm/s (3)

Carga Hidráulica.

(m)

Seção drenante

51,5

Derrames C e D brechas B e D

entre El. 65/144

89,8

25,9 25,9

34,6 34,6

24,5

13,9

ÁREA

Junta A e Contato entre Derrames A/B

(El. 10/25)

i (Gradhidr) (4)

12,0

VAZÃO TOTAL 150,3 27,0

5,0

10,0

ÁR

EA

3

Om

brei

ra

Esq

uerd

a

41 2,817073 40

153

153

3,4E-04

1,9E-04

2,4E-04

8,2E-04

3,9E-04

153

130

115,5

6,95454522

210

210

210

22

22

6,954545

6,954545

15

1,1E+07

1,1E+07

3,2E+07

41 3,170732 20 50

79 3,2E+07 34606,3354

24480,8693

13874,3182

51481,0227

1,0E+07 25894,3089

5

5

1 - Os sub-horizontes geralmente estão caracterizados por uma feição geológica;2 - Permeabilidade obtida a partir do ensaio de perda d'água executado em trecho de 3m. Fator conversão igual 1,0x10-4 cm/s;3 - Permeabilidade equivalente média do sub-horizonte da rocha;4 - Valor do gradiente hidráulico calculado no item 6.3.5;5 - Vazão calculada pelo Critério proposto. Q = K.i.A;6 - As cores correspondem aos horizontes permeáveis indicados na figura 27

TA

BE

LA 6 - R

OT

EIR

O D

E C

ÁLC

ULO

DA

S V

AZ

ÕE

S A

NT

ES

DA

S IN

JEÇ

ÕE

S

FO

NT

E: IT

AIP

U

Page 94: Dissertação Perda d'Água

83

Largura (m)

Altura (m)

Área (cm²)

Vazão/Feição Vazão Total

1,7E-04

2,1E-04

8,0E-06

1,5E-04

5,7E-04

2,9E-04

Junta B El. 50/55

5,0E-06 5,0E-06 153 22 6,954545 210 5 1,1E+07 365,1136 0,4

1,0E-05

5,0E-06

2,8E-04

5,9E-05

1,5E-04

3,1E-05

1,6E-04

5,0E-06

1,2E-05

1,5E-04

1,7E-04

2,5E-04

ÁR

EA

3

Om

brei

ra

Dire

ita Derrames C e D

brechas B e D entre El.65/144

5,0E-05 5,0E-05 115,5 41 2,817073 40 79 3,2E+07 4450,9756 4,5 4,5 10,0

Fundação Rasa El. 60/65

Seçao Drenante

ÁR

EA

1

Fun

daçã

o da

s es

trut

uras

ÁR

EA

2

Om

brei

ra D

ireita

K (ensaio) cm/s (2)

K(adotado) cm/s (3)

ÁREASUB-HORIZONTES

FEIÇÃO (1)i

(Gradhidr) (4)Vazão Medida no

Protótipo (l/s)

17,1

Vazão (cm3/s)

Vazão pelo Critério(l/s) (5)

8,420 50 1,0E+07 8402,4390

210

Carga Hid. (m)

Distância Drenagem (m)

41 3,170732

22 6,954545

22 6,954545

5,0

12,0

VAZÀO TOTAL 32,0 27,0

1,6

19,1

8,42,7E-04

2,3E-04

3,2E+07 1643,0114

1,1E+07 17111,6591210 5

Derrame C e D brecha B

entre El. 65/115

157,5E-06

153

153

130

Junta e Contato entre derrames A/B

El.10/25

1 - Os sub-horizontes geralmente estão caracterizados por uma feição geológica;2 - Permeabilidade obtida a partir do ensaio de perda d'água executado em trecho de 3m. Fator conversão igual 1,0x10-4 cm/s;3 - Permeabilidade equivalente média do sub-horizonte da rocha;4 - Valor do gradiente hidráulico calculado no item 6.3.5;5 - Vazão calculada pelo Critério proposto Q = K.i.A;6 - As cores correspondem aos horizontes permeáveis indicados na figura 27

TA

BE

LA 7 - R

OT

EIR

O D

E C

ÁLC

ULO

DA

S V

AZ

ÕE

S A

S A

S IN

JEÇ

ÕE

S

FO

NT

E: IT

AIP

U

Page 95: Dissertação Perda d'Água

84

6.4 COMPARAÇÃO COM OUTROS CRITÉRIOS

Na tabela 8, as vazões indicadas pelo critério proposto nesta dissertação

foram comparadas com valores de outros critérios, amplamente utilizados no meio

técnico, como aqueles de Lugeon, e Pautre. Esses critérios definem valores de

referência para infiltrações em barragens, de forma empírica com base em observação

de drenos operantes.

O critério Lugeon, descrito no item 3.1, estabelece que uma fundação com

perda de água igual ou superior a 1 Lugeon é injetável e deve ser tratada por injeções

para reduzir as infiltrações. Assim, a unidade de 1 Lugeon corresponde ao ensaio de

um trecho do furo que apresentou uma absorção de água de 1 l/(min.m.10 kgf/cm2).

Dessa forma, 1 Lugeon = 0,1 PE l/(min.m.kgf/cm2) em vista da relação de pressão, em

que o resultado da perda d'água específica (PE) é calculado sob pressão (kgf/cm2)

unitária. Aplicando-se o fator de conversão de perda d'água em permeabilidade

mostrado no gráfico da figura 21, em ensaio padrão com trecho de 3m de um furo com

diâmetro NX, obtém-se o fator "F" igual a 1,04x10-4 cm/s, que aplicado na equação 8

do item 4, permite identificar a seguinte relação:

1 Lugeon = 0,1 PE = 0,1.1,04.10-4 ≅ 10-5 cm/s, o qual indica o coeficiente de

permeabilidade do trecho ensaiado;

Portanto, o critério Lugeon recomenda haver necessidade de tratamento por

injeção, o maciço rochoso com permeabilidade superior a 10-5 cm/s.

Aplicando o critério Lugeon na fundação da Estrutura de Desvio, na qual a

drenagem foi executada com profundidade de 67 m, pode-se calcular a vazão de um

dreno, utilizando esse critério simulando um ensaio de perda d'água. Para isso, a carga

do reservatório aplicada na profundidade média do furo foi considerada a pressão de

Page 96: Dissertação Perda d'Água

85

ensaio e seu valor é igual a 186,5 mca (18,65 kgf/cm2 ) = {220 - (67/2)}. Aplicando

esses valores na equação 5 temos a expressão do ensaio Lugeon:

a) PELu = Q/(min.m.10kgf/cm2);

Para a condição de injetabilidade de Lugeon, PELu = 1,0 Lugeon, pode-se

obter a vazão de um dreno;

b) QLu/dreno = 67.(18,65/10,0) = 125 l/min = 2,08 l/s, da expressão

PE=Q/(min.m.10kgf/cm2). Considerando a área 1 da figura 27 que possui

a extensão de 210m e admitindo o espaçamento padrão de 3m entre

drenos, essa região foi drenada por 70 drenos. Assim, a vazão total pela

drenagem nessa região calculada pelo critério Lugeon foi de

QLu/total/fundação = 2,08.70=145,5 l/s.

O critério Pautre admite, de forma bastante empírica, a vazão pela barragem

em função da área em contato com o reservatório (área molhada). Nesse critério,

admite-se a infiltração de 1cm3/s por metro quadrado de área em contato com o

reservatório, sem considerar as influências do tempo, da altura da barragem, do tipo de

rocha de fundação. A sua aplicação para a fundação da Estrutura de Desvio,

considerando a cortina de injeção como área molhada, indicou uma vazão de 17,8 l/s

TABELA 8 – COMPARAÇÃO DA VAZÃO ESTIMADA COM OUTROS CRITÉRIOS

VAZÃO (l/s)DIFERENÇA EM RELAÇÃO AO

PROTÓTIPOSITUAÇÃO

CRITÉRIOPROPOSTO

LUGEON PAUTREPROTÓTIPO

(1)CRITÉRIO

PROPOSTOLUGEON PAUTRE

ANTES DOTRATAMENTO

150,3 456%

APÓS OTRATAMENTO

32,0 145,5 17,8 27,0 18,5% 438% -34%

(1) Valor da vazão medida na fundação da Estrutura de Desvio.

A tabela 8 evidencia um ajuste razoável da vazão estimada pelo critério

proposto com o valor medido na Estrutura de Desvio, o qual foi superado em apenas

18,5%, quando considerados os resultados dos ensaios de perda de água efetuados

após o tratamento por injeções. Além desse ajuste, o critério proposto mostrou que o

Page 97: Dissertação Perda d'Água

86

valor da permeabilidade adotado para a rocha de fundação, a partir desses ensaios

padronizados e executados nela própria, é mais confiável e razoável para expressar a

vazão esperada pela fundação, ao invés de adotar coeficientes de permeabilidade

tabelados, muito utilizados de forma conservadora para estimar a vazão teórica

admitida nos projetos.

Outro dado importante que pode ser observado refere-se à vazão estimada

pelo critério proposto de 32,0 l/s, para a fundação tratada por cortina de injeção

composta de três linhas de furos, que representa uma redução da vazão de infiltração

de 4,6 vezes, caso não fosse tratada. Essa constatação é muito coerente com afirmação

de BARBI, apud AZEVEDO (1993), de que a experiência com tratamento de fundação

de rocha basáltica por injeção de cimento exerce um efetivo controle das vazões,

reduzindo a permeabilidade das feições de maior condutividade hidráulica em centenas

de vezes e reduzem o fluxo de água para o sistema de drenagem em dezenas de vezes.

Na verdade, o critério proposto mostrou uma redução com ordem de grandeza meia

dezena, caso a rocha não tivesse sido tratada.

Os valores dos critérios empíricos mostraram-se altos para Lugeon,

evidenciando desfavorável para a segurança da barragem, enquanto Pautre subestima

esse valor.

O critério Lugeon foi idealizado para indicar necessidade de tratamento e

não propriamente para prever vazões pela fundação. É aplicado a um único dreno e

não considera a quantidade e espaçamento entre drenos. A vazão obtida pela analogia

feita mostrou coerência com a vazão estimada pelo critério proposto, usando-se a

permeabilidade antes do tratamento indicou convergência entre os métodos de prever a

vazão de infiltração, proposto nesta dessertação.

O critério Pautre é indicado para previsão de infiltração pelo concreto, pois

considera a área molhada do paramento da barragem. Na analogia feita, considerando

como área molhada a área da cortina de injeção, esse critério indicou vazão prevista

inferior à medida, mostrando que não é adequado para estimar vazão pela fundação.

Page 98: Dissertação Perda d'Água

87

7 DISCUSSÕES E CONCLUSÕES

A seguir, apresenta-se um resumo das etapas desenvolvidas neste trabalho,

avaliando os resultados obtidos com discussões, conclusões, recomendações dos

produtos e contribuições esperadas nesta dissertação.

7.1 DISCUSSÕES

A avaliação efetuada no estudo de caso permitiu concluir que o critério

proposto para determinar as vazões pela fundação de barragens foi satisfatório e

confirmou que a permeabilidade estabelecida a partir dos ensaios padronizados de

perda de água pode ser um bom indicador para estimar a vazão esperada pela

fundação. Essa constatação foi expressa pela vazão calculada de 32,0 l/s que superou

apenas 18,5% o valor medido na fundação da Estrutura de Desvio nos últimos 10 anos.

Dessa maneira, considera-se que o tema de pesquisa "Como estimar as

vazões esperadas pela fundação de barragens" foi resolvido, ao aplicar o modelo

proposto no item 5.

Para atingir esse objetivo, o trabalho foi consubstanciado em pesquisa

bibliográfica e no estudo de caso, onde utilizaram-se os ensaios de perda d'água

executados nos furos, pós injeção, de tratamento da fundação da Estrutura de Desvio

de Itaipu. A seguir, apresentam-se as principais etapas desenvolvidas nesta dissertação:

a) registo da evolução da engenharia nacional, em relação à construção e de

segurança de barragens, ocorrida a partir da década de 50, quando se

iniciou a construção intensa de hidrelétricas de grande porte;

b) detalhamento das atividades de execução do ensaio de perda d'água,

envolvendo equipamentos, critérios de pressão, análises dos resultados e

sua conversão em coeficientes de permeabilidade da rocha;

Page 99: Dissertação Perda d'Água

88

c) em essência, esses coeficientes representaram o critério para determinar a

vazão pela fundação da barragem, a qual foi obtida pela aplicação da Lei

de Darcy, cujo coeficiente de permeabilidade equivalente da rocha pode

ser definido a partir dos ensaios padronizados de perda de água;

d) desenvolvimento do modelo para determinar as vazões esperadas pela

fundação da barragem, o qual foi aplicado no estudo de caso da fundação

da Estrutura de Desvio de Itaipu;

e) aplicação do modelo utilizando 43 ensaios em trechos de furos

posicionados na região da cortina de injeção, os quais indicaram a

permeabilidade da rocha, que aplicada na expressão da Lei de Darcy

indicou uma vazão 18.5% acima do valor medido na barragem nos

últimos 10 anos. Esse resultado evidencia que o modelo proposto foi

adequado para estimar a vazão esperada pela fundação de barragem,

sendo viável a sua aplicação em outras fundações de geologia semelhante.

f) estabelecimento de uma correlação entre os ensaios de perda d'água e o

coeficiente de permeabilidade do maciço rochoso dentro de condições de

fluxo laminar em meios porosos preconizado pela expressão da Lei de

Darcy. Essa condição de fluxo do ensaio de perda d'água foi objeto de

pergunta ao Professor Dr. Paulo Teixeira da Cruz, por ocasião da reunião

do Board de Consultores Civis, que foi realizada em 2002 na Usina de

Itaipu. A resposta do professor foi registrada no relatório da junta de

Consultores e no item 4.1 desta dissertação.

7.2 CONCLUSÕES

A aplicação do modelo no estudo de caso de Itaipu exigiu ampla análise de

dados de sondagens e permitiu as seguintes observações:

a) a cortina de injeção de 3 linhas em fundação de basalto, caracterizada por

planos sub-horizontais e zonas fraturadas de ampla extensão, foi eficiente

Page 100: Dissertação Perda d'Água

89

para reduzir as infiltrações. No caso da Estrutura de Desvio, o cálculo

pelo critério proposto mostrou que sua redução foi da ordem de 5 vezes;

b) após um bom tratamento das fundações por injeção de materiais

impermeabilizantes, é mais provável que as fissuras estejam fechadas e

não inter-comunicantes, consubstanciando, portanto, a hipótese de fluxo

laminar, quando os ensaios são procedidos após as injeções. Nessa área

tratada, as condições do meio rochoso são mais uniformes e as

estimativas da permeabilidade equivalente do meio rochoso são um pouco

menos afetadas pelas descontinuidades já injetadas;

c) a vazão estimada pelo critério proposto sem tratamento mostrou-se cerca

de 5 vezes superior ao valor medido com fundação tratada. Portanto, caso

o projeto venha a conviver com ausência de tratamento da rocha, é

necessário que o dimensionamento de bombas seja majorado;

d) o critério proposto indicou a vazão igual a 32,0 l/s, a qual pode ser

admitida como um valor limite de alerta para controle de infiltrações em

condições normais de operação. A vazão de projeto da Estrutura de

Desvio de Itaipu utilizada como valor de referência é de 70 l/s. Além

disso, é normal no dimensionamento das bombas de recalque prever a

majoração da vazão admitida no projeto civil e ainda considerar no

projeto uma ou mais bombas de reserva. Essas majorações asseguram um

dimensionamento da estação de bombas praticamente 100% superior à

vazão prevista pelo projeto civil. Aplicando o valor de 32,0 l/s do critério

para dimensionar uma estação de bombas, teremos:

- vazão estimada pela civil 32,0 l/s;

- coeficiente de segurança de 50% 48,0 l/s;

- serão necessárias 2 bombas de 24,0 l/s de capacidade para atender o

valor da vazão majorada de 48,0 l/s, e mais 1 bomba de reserva,

conduzem o dimensionamento de uma estação de bombas com

capacidade de 72,0 l/s, que praticamente representa o dobro da vazão

do projeto civil.

Page 101: Dissertação Perda d'Água

90

7.3 RECOMENDAÇÕES

Como sugestão para continuidade de pesquisa, recomendam-se as seguintes

situações possíveis de aplicação do critério proposto:

a) aplicar o critério proposto em outros trechos da barragem de Itaipu;

b) aplicar o critério ora apresentado em outras barragens, principalmente

naquelas construídas recentemente, com tratamento de injeção mais

simplificado ou até ausente, avaliando o custo benefício do tratamento

mais simples aplicado nessas barragens, em relação ao custo de instalação

de uma estação de bombas de maior capacidade.

Page 102: Dissertação Perda d'Água

91

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