geo membrana

Utilizao de Geomembrana de PEAD em Tratamento de Fundao na Barragem de So Salvador Rafael Marques Cardoso Intertechne Consultores S. A., Curitiba, Brasil, [email protected] Alex Martins Calcina Intertechne Consultores S. A., Curitiba, Brasil, [email protected] Carlos Alberto de Oliveira Intertechne Consultores S. A., Curitiba, Brasil, [email protected] Artur Henrique Evangelista Carvalho Construtora Andrade Gutierrez, So Paulo, Brasil, [email protected] Rodrigo Jivago Frana Sarlo Construtora Andrade Gutierrez, So Paulo, Brasil, [email protected] RESUMO: A Usina Hidreltrica So Salvador (243 MW) situada no sul do Estado do Tocantins, no rio homnimo, possui na fundao do fechamento de sua barragem de terra, prximo ombreira direita, um perfil geolgico extremamente heterogneo, com condies de macio de alta permeabilidade, mesmo em elevada profundidade. Aps anlise de diversas alternativas de tratamento para impermeabilizao da fundao, dentre elas trincheira cut-off, parede diafragma e tratamento por injees de calda de cimento, optou-se pela execuo de um tapete impermeabilizante a montante do barramento, com utilizao de geomembrana de PEAD (polietileno de alta densidade). Neste trabalho so apresentadas as condicionantes de projeto, as anlises numricas que subsidiaram a escolha da alternativa, os detalhes de projeto e construtivos, assim como os dados de monitoramento, que atestam o comportamento adequado da soluo. Tal anlise de desempenho est baseada nas leituras da instrumentao de auscultao civil durante os primeiros meses aps o enchimento do reservatrio de So Salvador.A soluo empregada para impermeabilizao parcial da ombreira direita com manta de PEAD se contituiu, na ocasio, em soluo indita para tapetes impermeveis de barragens no Brasil. PALAVRAS-CHAVE: Barragem de Terra, Percolao, Tratamentos de Fundao, Tapete Impermeabilizante, Geomembrana de PEAD.

1. INTRODUO Os tratamentos de impermeabilizao de fundao constituem um importante aspecto do projeto de barragens de terra. Tratamentos de fundao inadequados podem resultar em fundaes excessivamente permeveis, levando a gradientes de sada elevados no talude de jusante e, eventualmente, iniciar processos de eroso regressiva (piping). Os tipos de tratamento impermeabilizante mais utilizados em barragens so a trincheira de

vedao (cut-off), a cortina de injees de calda de cimento, a cortina de estacas prancha, diafragmas executados in-situ (plstico e rgido) e tapetes impermeabilizantes a montante. Uma maneira de comparar o desempenho de alternativas de tratamento de impermeabilizao da fundao atravs de modelagem bidimensional de fluxo, utilizando o mtodo dos elementos finitos, atravs do qual se extraem valores de vazo de percolao pela fundao da barragem, assim como gradientes de sada. A Usina Hidreltrica So Salvador, situada

COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAO E SUSTENTABILIDADE. 2010 ABMS.

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no rio Tocantins, apresenta em seu arranjo, as estruturas de concreto constitudas por: casa de fora, vertedouro e muros de ligao, posicionadas na margem direita do rio. O fechamento do barramento, tanto na ombreira direita quanto no leito do rio e ombreira esquerda, feito por duas barragens de terra, de seo homognea, que no encontro com as estruturas de concreto, transicionam para barragens de enrocamento com ncleo de argila. O presente trabalho mostra as condicionantes da escolha da alternativa de impermeabilizao de fundao da barragem de terra da margem direita da UHE So Salvador bem como os cuidados tomados na implementao da alternativia escolhida. 2 CARACTERSTICAS GEOLGICAS 2.1 Geologia Regional A regio do aproveitamento est situada numa rea de rochas cristalinas antigas, de idade pr-cambriana. A poro inferior da coluna estratigrfica formada pelo Complexo Goiano, do Pr-Cambriano Inferior, de carter gnissico granitide. Sobre o mesmo ocorrem rochas metamrficas de natureza vulcano-sedimentar dos grupos Arax e Ara, do Pr-Cambriano Mdio. Tambm ocorrem na regio intruses granticas contemporneas s rochas do Grupo Arax ou um pouco mais recentes , assim como as rochas metasedimenteres do Pr-cambriano superior do GrupoBambu A tectnica da regio complexa, como normal em rochas pr-cambrianas, tendo causado o dobramento generalizado das unidades acima referidas, assim como falhamentos importantes, alguns inclusive fazendo com que as rochas do Grupo Arax possam ocorrer acima das unidades mais recentes do Grupo Bambu. A figura 1 mostra a localizao do eixo da usina evidenciando as feioes dobradas que dominam a regio. Na era Cenozica formaram-se as coberturas sedimentares Tercirio-Quaternrias e os sedimentos aluvionares holocnicos que margeiam o rio Tocantins.

Figura 1 Imagem Google Earth com a localizao do eixo do empreendimento 2.2 Geologia da Margem Direita As litologias presentes na rea do emprendimento pertencem ao Grupo Arax, localmente constitudo por uma seqncia de quartzo-micaxistos, quartzitos e quartzitos micceos. A margem direita, na faixa sobre a qual est assentada a barragem de terra, foi prospectada atravs de diversas campanhas de sondagens percussivas, mistas e rotativas, nas fases dos estudos de viabilidade e do projeto bsico do empreendimento. Na consolidao do modelo geologco-geotcnico, na fase do projeto bsico, foi detectada uma zona na fundao onde o manto de alterao extende-se a profundidades maiores que nas regies circunvizinhas, apresentando zonas de alta permeabilidade. Visando subsidiar a escolha do tratamento de impermeabilizao da fundao da regio em foco, na fase projeto executivo, foi realizada uma nova campanha de investigaes (aproximadamente 250 metros de perfuraes) objetivando um maior detalhamento da fundao. Nesta nova campanha foram realizadas 5 sondagens mistas denominadas SM-401 a SM-404 e SM- 402 A, 6 sondagens a percusso (SP-404 a SP-409) e 2 poos de investigao (P-410 e P-411).


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2.3 Modelo Geolgico Adotado A nova campanha permitiu configurar um macio rochoso heterogneo, com alternncia de pacotes de quartzito, quartzo xisto e quartzo micaxisto, com um padro estrutural derivado do dobramento generalizado ao qual a regio foi submetida. Tal comportamento dificultou a correlao entre os vrios estratos, e o perfil apresentado na figura 2 foi concebido de forma tentativa, luz das informaes disponveis, levando-se em conta a tendncia estrutural verificada nas escavaes das estruturas de concreto. O padro estrutural reinante coloca lado a lado, em elevao, litologias distintas que conferem ao macio rochoso comportamento anisotrpico em funo da maior ou menor suscetibilidade de cada litologia ao

intemperismo. As litologias com maior contedo de minerais mficos foram as mais suscetveis ao processo intemprico. Dentre os aspectos mais relevantes do modelo, destaca-se a presena de zonas de alta permeabilidade em grandes profundidades. Tais zonas puderam ser identificadas atravs dos ensaios de perda dgua sob presso realizados nos furos, que indicaram permeabilidades maiores que 1x10-3 cm/s, em zonas situadas a mais de 20 metros de profundidade. A carga hidrulica sobre a fundao da barragem, no trecho em questo de no mximo 15 metros. A figura 2 apresenta o perfil geolgico pelo eixo do barramento, definido aps a incorporao dos dados da ltima campanha de sondagens.

Figura 2 Seo geolgico-geotcnica pelo eixo da barragem, na margem direita 3 ANLISE DAS ALTERNATIVAS Para a anlise das alternativas de tratamento de fundao, tomou-se por base o modelo geolgico definido. Foram definidas quatro sees transversais ao eixo, com espaamento de aproximadamente cinqenta metros, entre si. As anlises de percolao foram realizadas pelo mtodo dos elementos finitos, utilizando-se o software SEEP/W da GEO-SLOPE do Canad, de aplicao no estudo de fluxo bidimensional em meios porosos saturados/no-saturados, heterogneos e anisotrpicos. As permeabilidades adotadas foram estimadas a partir dos resultados dos ensaios

de perda dgua sob presso realizados nos furos de sondagem. Foram consideradas, aps anlise tcnica e econmica, trs possveis tipos de soluo: trincheira tipo cut-off, cortina de injees e tapete impermeabilizante a montante, levando-se em conta relevo de inclinao suave da margem direita. Foram simulados os vrios tipos de tratamentos com seus efeitos sobre a vazo captada pela trincheira de drenagem de jusante, assim como dos gradientes de sada. No caso do tapete impermevel foram feitas simulaes aumentando sua extenso para montante A tabela 1 apresenta um resumo dos resultados obtidos, numa seo representativa estudada.


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Tabela 1- Vazes afluentes na trincheira drenante em funo do tipo de soluo adotada.

CASOS Vazo na trincheira (l/min.m)

1 SEM TRATAMENTO 1,80 2 TAPETE - 60m 0,90 3 TAPETE - 80m 0,78 4 TAPETE - 100m 0,68 5 TAPETE - 80m + CUT-OFF 0,62 6 INJEO - 10m 1,59 7 TAPETE 80m + INJEO 0,74 8 INJEO - 15m 1,41 9 TAPETE 80m + INJEO 0,73 10 CUT -OFF 0,83

Alm dos resultados satisfatrios obtidos nos casos onde se simulou o uso de um tapete impermeabilizante a montante, pesaram na escolha da soluo: a grande profundidade da eventual trincheira cut-off necessria para interceptar todas as camadas de material permevel, que seria da ordem de at 25 metros; e as incertezas quanto execuo de injeo de calda de cimento sob presso em um material com o grau de alterao acentuado, que teria, muito provavelmente, um efeito reduzido. Da anlise de todas as informaes levantadas, optou-se pelo uso de um tapete impermeabilizante a montante do barramento, com extenso longitudinal (paralela) ao eixo da barragem de 200 metros a partir do fechamento na ombreira direita, com largura de 80 metros na direo perpendicular ao eixo da barragem. Para evitar a influncia do fluxo lateral ao tapete impermeabilizante, foi necessrio o prolongamento deste elemento de vedao por mais 50 m alm do trecho que teria que ser impermeabilizado na fundao. 4 DETALHES DE PROJETO Os tapetes impermeabilizantes a montante so usualmente constitudos por solo argiloso compactado, contando eventualmente com uma proteo mecnica com camada de enrocamento. Com o intuito de reduzir a espessura de solo compactado aplicada, e

tambm evitar o risco de baixa eficincia do tapete impermevel, decorrente do surgimento de trincas durante a fase construtiva, optou-se pela utilizao de uma geomembrana de polietileno de alta densidade (PEAD). Devido tambm ao risco de ruptura da manta por efeito de puncionamento, foi prevista uma camada de solo compactado que serviu como substrato para a aplicao da membrana de PEAD. Alm disto, para amenizar os efeitos de uma eventual ruptura localizada da geomembrana por efeito mecnico, foi prevista uma camada adicional de dois metros de espessura de solo compactado sobre a mesma. O lanamento da primeira camada sobre a membrana foi realizado cuidadosamente, com trfego de equipamentos de construo leves. Como proteo suplementar, sobre a camada de solo compactado superior, previu-se uma camada de enrocamento contaminado, aproveitando materiais excedentes de escavao em rocha. Na zona de oscilao do nvel dgua, no lugar do enrocamento contaminado, foi estendida a camada de rip-rap da barragem sobre o tapete impermevel para proteo contra o efeito das ondas. O bom funcionamento da soluo est intimamente condicionado ligao entre o tapete impermeabilizante e a vedao do aterro da barragem. No entanto, a instalao da manta no aterro da barragem instituindo o transpasse com a vedao da barragem e a ancoragem da membrana, constituiria um contratempo importante execuo das camadas do aterro, atrasando a produo do aterro da barragem. Esta situao tambm estava condicionada ao processo de execuo e teste das emendas que tm de ser realizados diretamente na posio final de lanamento da manta. Sendo assim, optou-se por um sistema de ancoragem no talude de montante da barragem que pudesse ser realizado independentemente da compactao do solo no barramento. A Figura 3 seguinte apresenta uma seo transversal da barragem na regio do tapete, com indicao das camadas previstas e a ligao com o aterro conforme descrito anteriormente.


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Figura 3 - Detalhe do engaste da manta com o aterro da barragem Como critrio para a ancoragem da manta na barragem definiu-se garantir ao menos uma espessura de aterro equivalente a 0,20H (sendo H a altura da carga hidrulica sobre a manta), entre a ancoragem da membrana e a superfcie de fundao. As principais especificaes tcnicas da geomembrana de PEAD encontram-se na tabela 2: Tabela 2 - Caractersticas tcnicas da manta PEAD. Espessura 1,5 mm mn.

Densidade 0,94 g/cm3

mn. Resistncia Trao Tenso de escoamento 15 MPa mn. Deformao no escoamento 12% mn. Resistncia ao rasgamento 190 N mn. Resistncia ao Puncionamento 490 N mn.

Outra caracterstica considerada importante para garantir a aderncia entre o solo e a membrana, o uso de manta de PEAD texturizada em matriz tipo balo, que apesar do menor controle de espessura da manta, resulta num produto mais irregular. Esta irregularidade foi considerada conveniente para evitar o risco da instalao de um caminho preferencial de percolao, como no caso de aplicao de manta lisa. Como complemento ao tratamento de impermeabilizao aplicado, alm da trincheira drenante contnua que percorre o p de jusante da barragem, no trecho impermeabilizado, foi instalada uma linha de poos de alvio, com o intuito de captar a eventual percolao advinda de estratos mais profundos da fundao. Uma planta da soluo adotada est apresentada na figura 4.

Figura 4 - Planta da barragem com a localizao da manta.


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5 DETALHES CONSTRUTIVOS A construo do tapete durou aproximadamente 50 dias, entre a execuo das camadas de substrato em solo, a instalao da manta e a aplicao das camadas de proteo. A ancoragem da membrana na fundao foi realizada por meio de trincheiras escavadas no terreno, sistema convencional de ancoragens de mantas de PEAD. Foram feitos cortes subverticais no aterro j construdo, em sistema de trincheiras. As fotografias seguintes ilustram a execuo das ancoragens nas extremidades da membrana.

Foto 1 Detalhe da trincheira para ancoragem no corpo da barragem com a geomembrana instalada.

Foto 2 Seqncia da foto anterior com o fechamento da trincheira de ancoratem com aterro compactado.

Foto 3 - Equipamento para emenda dos panos de geomembrana.

Foto 4 Vista geral do processo. Um trecho com a manta j aplicada e sendo coberta por aterro e no restante a rea j preparada para aplicao da manta


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6 ANLISE DO DESEMPENHO O desempenho da impermeabilizao vem sendo acompanhado atravs do medidor de vazo MV-01 instalado na estaca 2 + 5,30m da barragem, que coincide com o fim do trecho impermeabilizado pelo tapete de montante. Grfico de acompanhamento do medidor de vazo MV-01.

Aps um ano desde o trmino do enchimento do reservatrio, as leituras indicam uma vazo de percolao estabilizada com valor, no trecho tratado, de aproximadamente 100 l/min., resultando em uma vazo especfica, de 0,5 l/min./m. Tal valor situa-se muito prximo do valor obtido dos modelos numricos de 0,48 l/min./m. Os poos de alvio instalados a jusante do barramento at o presente momento apresentam-se secos. 7 CONCLUSES Os estudos realizados durante o projeto da barragem de terra da margem direita da UHE So Salvador, mostraram que num determinado trecho da fundao situado prximo ao fechamento da ombreira direita (cerca de 250 m de extenso), o macio rochoso apresenta-se extremamente heterogneo e permevel, com um manto de alterao muito profundo que desencorajava o emprego de solues mais convencionais de tratamento de impermeabilizao da fundao, como trincheira vedante tipo cut-off e cortina de injees, que certamente seriam

pouco eficientes neste tipo de material. A modelagem numrica indicou que um tapete impermeabilizante a montante do barramento, ligado diretamente vedao do aterro da barragem, produziria um resultado satisfatrio no que se refere ao controle das vazes de percolao e consequentemente gradientes de sada. Como forma de garantir o adequado desempenho do tapete, sem conviver com baixa eficincia decorrente de trincas surgidas na fase de construo, optou-se pela utilizao de uma geomembrana de PEAD. Dentre os aspectos mais relevantes do projeto, destacam-se a necessidade de um transpasse lateral do tapete com a trincheira de vedao utilizada no restante da barragem, para evitar um by-pass lateral; e a proteo contra ondas prevista no fechamento da ombreira, visando previnir o carreamento do material de proteo do PEAD. Alm deste aspectos nos parece mais indicado o uso de manta texturizada para dificultar a instalao de um eventual caminho de percolao em razo da maior aderncia solo/membrana. Passado um ano do enchimento do reservatrio, as leituras do medidor de vazo instalado na regio em questo, comprovam o comportamento adequado do tratamento, ficando a vazo medida extremamente prxima prevista nos modelos matemticos. REFERNCIAS

[1] Cruz, P. T. 100 Barragens Brasileiras Casos Histricos, Materiais de Construo e Projeto, Oficina de Textos, 1995; [2] Cedergren, H. R. Seepage, Drainage, and Flow Nets, John Wiley and Sons, Inc, 1967; [3] - 0125-SS-RT-412-30-001 UHE So Salvador - Relatrio Tcnico -Barragem de Terra da Margem Direita Soluo Proposta -Estacas 0+00,00 a 2+50,00 Consrcio Energtico So Salvador.


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