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XVII SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS
BRASILIA
AGOSTO 1987
OBSERVACOES SOBRE 0 ESTIJDO DE UM9 ATERRO HIDRAULICO EM ESCALA DE MODELO
E PROTOTIPO
TEMA IV
Eng`? Roberto C. Ferreira (*)
Eng° Jaime E. E. Peres (*)
Eng9 Luiz Carlos Mendes (**)
(*) Setor de Solos do Laboratorio Centralde Engenharia Civil da Companhia Energetica de Sao Paulo - (ESP
(**) Setor de Obras de Terra e Rocha daResidencia de Porto Primavera/Rosanada Cia.Energetica de Sao Paulo- CESP
^^^
INTRODUcAO
Em 1977, a Companhia Energetica de Sao Paulo - CESP, ini
ciou o projeto basico da Usina de Porto Primavera, situada no
Rio Parana, 270 km a jusante da Usina de Jupia e 210 km a mon
tante da Usina de 11 ha Grande, com uma potencia instalada pre
vista de 1814 MW. Em razao das grandes distancias de trans
porte, dos grandes volumes envolvidos, das condigoes de funda
gao e da disponibilidade de aluvioes na regiao do eixo, a pri
meira concepgao sugerida pela consultoria para o terrapleno da
margem direita, foi o da construgao em aterro hidraulico. Foi
entao contratada a consultoria da Hydroproject, de Moscou, em
razao da grande experiencia dos sovieticos na construgao de
aterros, pelo processo da hidromecanizacao, para barramentos
com finalidade de geragao e irrigacao.
A consultoria sovietica, em reunioes com as equipes de
projeto da CESP e da projetista da obra, relatou sua experien
cia com obras do porte de Porto Primavera, propondo para a mes
ma um programa semelhante ao desenvolvido para as obras na
URSS.
Este programa consistiu, basicamente de:
a) Analise dos dados ja disponiveis sobre o local da usi
na, como condicoes de fundagao, materiais de emprestimo, faci
lidades locais de acesso, energia etc.
b) Execucao de aterros experimentais de laboratorio, em
escala de modelo, com solos representativos dos materiais me
dios disponiveis nos emprestimos. Estes estudos, segundo a
consultoria, sao quase que suficientes para o projeto de
obras do porte de Porto Primavera (altura do terrapleno de 22
metros), em razao da grande experiencia na URSS com aterros hi
draulicos e do grande numero de correlacoes ja estabelecidas.
No caso brasileiro, serviriam como uma primeira experiencia pa
ra o estabelecimento de futuras correlacoes com os parametros
obtidos no campo (escala de prototipo) para que, num futuro
que a tecnologia sovietica ja alcangou, os estudos de campo
no fossem mail necessarios.
c) Aterros experimentais de campo, em escala de prototi
063
po, com a finalidade de se obter parametros geotecnicos pare
o projeto da futura barragem, como granulometria (principalmen
to estudos da segregagao), permeabilidade, compressibilidade e
resistencia ao cisalhamento. Especial atengao deveria ser da
da ao estudo da anisotropia dos parametros geotecnicos, uma
vez que so pode ser observada a partir de amostras coletadas
de aterros langados pelo processo de hidromecanizagao. Estes
aterros tiveram tambem a importante fungao de treinar as tecni
cos brasileiros que estariam envolvidos na futura construgao,
familiarizando-os com os diversos metodos disponTveis.
Este trabalho resume as tecnicas e principais observa
goes e conclusoes obtidas nos trabalhos de campo e de laborato
rio.
ESTUDOS EM ESCALA DE MODELO
Os estudos foram conduzidos em tanque de prova do Labora
torio de Hidraulica do CTH/EPUSP/DAEE, em Jupia. Executou-se
tres "aterros experimentais" com as seguintes caracterTsticas
basicas
a - Aspectos construtivos:
Foi utilizada uma areia aluvionar representativa da gra
nulometria media dos solos de emprestimo. Seu langamento se
deu em um canal com 11,0 m de comprimento e 0,8 m de largura ,
tendo em seu fundo uma camada de cascalho recoberto por concre
to magro. Este concreto tinha ranhuras longitudinais e trans
versais, recobertas por "BIDIM", para acelerar a drenagem dos
aterros (fig. 01).
Com o abastecimento de agua se dando atraves de um verte
douro triangular e do solo seco atraves de um silo dotado de
dispositivo de controle do gasto, a mistura de ambos, respei
tando p-roporgoes pre-estabelecidas (tab. 01), se dava numa cal
xa provida de bocais, que faziam o langamento.
064
PRAIA
CAMADA DE CONCRETO MAGRO
FIG. 01
NI^EL M'NIMO
AT
VAZAO GASTO CONSISTEN- TEMPO DE COMPRIMEN• COMPRIMEN-
T DE DE HIDRCMECA• TO DA TO DO NtJ-
R AGUA SOLO CIA DENIZA(,O PRAIA CLEO OU RE-
0N° (Us) (R/s ) PULPA ( h ) (m) GIAO CEN-TRAIL (%)
1 0,25 0,025 1:10 38,0 6,0-7,0 40
2 0,75 0,075 1:10 20,0 9,5-11,0 12
3 1,00 0,100 1:10 14,5 9,5-11,0 12
TAB. 01
0 aterro no 01 simulou o langamento com "piscina real"
que permite a deposigao de finos formando um nucleo argiloso
Os aterros nos 2 e 3 foram executado, com piscina flutuante
que no permite a formagao desse nucleo (fig. 01). A perfeita
definicao dos termos aqui citados, comumente empregados na en
genharia dos aterros hidraulicos, pode ser encontrada na ref.
b - Aspectos tecnologicos:
Durante todo o processo de hidromecanizaca'o coletou-se
amostras da mistura no local de lancamento (para aferigao da
consistencia da pulpa) e na regiao dos "stop-logs" vertedores
(para estimativa da quantidade de so-lidos perdida, atraves de
sua concentragao e para conhecer sua granulometria). Terminado
o aterro permitiu-se sua drenagem por 72 horas, ap6s o que fo
ram feitas as seguintes amostragens:
- em segoes espagadas de 0,5 m, foram cravados pequenos
cilindros amostradores no topo e base das camadas para analise
de sua compacidade e granulometria (segregagao).
- em algumas sego-es cravou-se cilindros nas dirego'es ho
rizontal e vertical e extraiu-se blocos indeformados para en
saios especiais visando avaliar a anisotropia na permeabilida_
PISCINA
FLUTUANTE
TRANSIcAO ( AREIA E SILTE)
PISCINAREAL 1MVEL MAXIMO
T
N0CL£0( SILTE E ARGILA)
065
IT'FTT I ro"T
de, compressibilidade e resistencia ao cisalhamento. Estes da
dos foram ainda comparados aos obtidos de amostras deformadas
moldadas nas mesmas compacidades , com areias dos mesmos locais,
para avaliaCao do efeito da estrutura.
Merecem ser destacadas as seguintes observacoes e resul
tados obtidos dos ensaios:
b.l) a consistencia da pulpa dificil de ser mantida
proxima dos valores desejados (10 %), mesmo em modelos. A quan
tidade de finos perdidos apos os "stop-logs" vertedores (medi
da pela concentracao da suspensao) a insignificante (0,3 g/l )
quando se utiliza piscina de sedimentacao, sendo ate 20 vezes
superior quando a piscina a transitoria;
b.2) os aterros se mostraram longitudinalmente bastante
homogeneos quanto a compacidade (que variou de 50 % a 65 % com
media de 58 %) e granulometria, so ficando evidenciada a segre
gacao nas sego-es junto as piscinas real e transitoria. Os fi
nos efluentes tem fracoes predominantemente inferiores a 10 p;
b.3) os ensaios de permeabilidade mostraram certa aniso
tropia, corn 1 < kv < 10 para amostras indeformadas. Os ensai
os sobre amostras remoldadas apresentaram valores sistematica
mente inferiores mesmo a Kv, o que mostra que a distribuigao
ao acaso dos graos cria caminhos de percolacao mais longos;
b.4) os ensaios de adensamento no sugerem influencia da
estrutura ou dos pianos de sedimentacao nos parametros de com
pressibilidade. Apenas a permeabilidade medida mostra,tambem,
valores inferiores nas amostras remoldadas;
b.5) os ensaios de cisalhamento direto sugerem certa ani
sotropia , ainda que academica , com Y. ='' < 91. Os valoresrem. ii0-medidos do angulo de atrito efetivo variaram muito pouco (30
320);
ESTUDOS EM ESCALA DE PROTOTIPO
Terminados os estudos em modelo, foi executado um ater
ro experimental de campo, 500 metros a jusante do eixo da futu
ra barragem. Alcangou uma altura final de 10 metros, sendo
que da ordem de 70.000 m3 de solos aluvionares do emprestimo
foram lancados, em camadas de um metro de espessura, pelo pro
cesso de hidromecanizacao. Durante o periodo de construcio .
066
equipes da CESP e da projetista da obra executaram controles
e observacoes , cujas principais conclusoes estao sintetizadas
abaixo:
a - Aspectos construtivos:
0 aterro experimental era constituTdo de dois diques la
terais de contengao ( transversais), compactados de forma con
vencional ate uma altura de 10 metros e de doffs diques longitu
dinais com um metro de altura cada , encerrando os quatro di
ques, em seu interior, o local onde seria feito o langamento.
No centro desta area havia um pogo de drenagem, de boca forma
da por "stop - logs", cuja finalidade era controlar a extensao
da piscina de sedimentagao e dar vazao a agua utilizada para o
transporte dos so- lidos (fig. 02).
7VB05_D LANS4MENTO
/ 1 1,30m
FIG. OZ
Os solos aluvionares dos emprestimos, estudados e delimi
tados anteriormente, foram explorados por uma draga de 300 HP
de potencia , provida de um desagregador tipo "Basket" e tubula
gao de 16" . 0 material em suspensao ( pulpa ) era transportado
por uma tubulagao de recalque de ate 400 metros de comprimen
to, com 14 " de diametro, que vencia desniveis de ate 20 metros.
Esta tubulagao galgava um dos diques de contengao transversal
(de altura de 10 metros ), onde se bifurcava em duas tubulagoes
de 10" que se dirigiam para os aterros de contengao longitudi
nal, local em que se processava o langamento (fotos 01 e 02).
Para garantir a homogeneidade da pulpa, mantinha-se o
desagregador na base da camada do emprestimo , o que causava pe
quenos escorregamentos dos taludes e a consequente mistura dos
solos dragados . Por vezes , taludes muito altos e Tngremes (fo
to 02 ), eigiam um abrandamento com equipamentos de terraplana
gem, quando cuidados especiais eram necessarios para evitar a
segregagao . A consistencia da pulpa era determinada com auxi
067
FOTO 01
FOTO 02
lio de 2 tanques de 10 m3 , processo este utilizado em razao da
indisponibilidade de equipamento de controle do tipo "drag-o-
meter " (feixe de raios T ).
A primeira camada foi executada com langamento simulta
neo pelos dois aterros longitudinais, estando o interior dos
aterros cheio de agua ( langamento submerso), para propiciar a
formagao de uma piscina de sedimentagao , no centro do aterro,
com 30 metros de largura ( 25 % a 30 % da largura total do mes
mo). Na segunda camada , ja formada a piscina central , o langa
mento foi emerso e tambem simultaneo pelos dois aterros longi
tudinais, que ja haviam sido alteados. Em razao do pequeno to
or de finos do solo, ao final do langamento o talude do espal
dar (1V : 30H ) contrastava muito com o da regiao da piscina
068
(quase 1V : 2H ), o que causava ruptura neste local. Assim, na
3a. camada optou - se pelo langamento com piscina transitoria
(so parcialmente submerso ), obrigando - se, com o controle da al
tura dos "stop-logs " do pogo de drenagem, a piscina a "transi
tar" no maximo a 15 % da largura da camada ( medida a partir do
eixo ). Ocorria entao que, quando o langamento emerso ultrapas
sava a regiao do pogo , a rapida sedimentagao formava piscinas
aprisionadas e o material langado acabava sedimentando em talu
des 1V : 2H, o que prejudicava a segregagao no espaldar. As
sim, na construgao da 4a. camada, optou-se pelo langamento por
um so dos aterros longitudinais, com tubulacao de 14" e alter
nando os lados de langamento, fazendo com que o excesso de
agua escoasse pelo espaldar oposto. Este procedimento foi uti
lizado ate a 10a. camada , que concluiu o aterro. Nas ultimas
camadas foram ainda feitas algumas tentativas de se aumentar
sua compacidade com o use de rolos vibratorios lisos. Os resul
tados foram insatisfatorios havendo mesmo locais em que houve
perda de compacidade.
b - Aspectos tecnologicos
0 controle tecnologico do aterro foi efetuado em duas
etapas , no proprio campo e em laborat6rio. No local de langa
mento eram executados os servicos de controle da consistencia
da pulpa, da concentragao da agua efluente , da compacidade re
lativa , da umidade do aterro e da segregagao (granulometria).
Terminado o langamento e permitida a drenagem , era efe
tuada a coleta de amostras indeformadas e deformadas em egoes
afastadas 0 m, 20 m e 30 m do bocal de langamento com o firr. de
avaliar o efeito da segregagao nos parametros geotecnicos de
interesse ao projeto (permeabilidade e resistencia ao cisalha
mento), bem como pesquisar uma eventual anisotropia nos mesmos
devido a deposiga o por camadas.
As seguintes observagoes e resultados de ensaios merecem
destaque:
b.1)0 controle da cons istencia da pulpa conduziu a valo
res medio de 8,9 maximo de 32 , 2 e mTnimo de 0,3 %;
b.2) as determinacoes da concentracao da agua efluente
mostraram valores medio de 3,9 g / l, maximo de 10,3 g/l e mini
mo de 0,3 g/l;
b.3) as compacidades relativas , determinadas apos certa
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drenagem do aterro, mostraram valores bastante dispersos, vari
ando de 45 % a 70 %;
b.4) as analises granulometricas mostram evidencias de
segregagao, coerente com o processo de langamento empregado,
tendo os materiais mail proximos do bocal granulometria pouco
mais grossa (fig. 03). Note-se que este fato nao foi eviden
ciado claramente nos estudos em escala de modelo;
10 90
30 TO
r 4
600P P
6 40
70
o •qE
E F ^
^o / o0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
% AREIA MEDIA
FIG. 03
b.5) esta segregacao, no entanto, no se refletiu no pa
rametro permeabilidade (em media da ordem de 2,0 x 10-2cm/s in
dependentemente da distancia ao local de langamento);
b.6) ja na resistencia ao cisalhamento (variivel no "ran
ge" 300 - 430), ha um decrescimo medio de apenas 20, das amos
tras extraidas junto ao bocal para as mais finas extraidas a
30 metros;
b.7) quanto a anisotropia do parametro permeabilidade, a
mesma a insignificante, obtendo-se Kl = K// - Krem.',, fato bas
tante diverso do encontrado no aterro de modelo (1 <' < 10);
b.8) os ensaios de cisalhamento direto mostraram que a
anisotropia da resistencia ao cisalhamento nas diregoes parale
la e perpendicular aos pianos de sedimentaga o a coerente, com
Yi - Tii = 30. Observou-se ainda que rem < 9i/ o que tornarem.
os ensaios sobre amostras remoldadas conservativos;
b.9) cabe por fim salientar que o processo causa estrati
ficagoes bem visiveis, observadas nas amostras coletadas e
trincheiras abertas (fotos 03 e 04).
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FOTO 03
AVALIAQAO DO POTENCIAL DE LIQUEFACAO
FOTO 04
Apesar de a tecnologia sovietica ja ter amplo domTnio so
bre a construcao de aterros hidraulicos, mesmo em regioes sTs
micas, o Board de consultores de Porto Primavera demonstrou
preocupagao com a seguranga da obra com relagao a liquefagao,
causada, seja na fase construtivaou, principalmente, na fase
de enchimento e operagao, em razaao de sismos induzidos. Ha que
se adicionar como fatores complicadores que a obra deveria ser
construTda sobre aluvioes finos saturados, de elevado custo de
remogao, possuindo um lago de enorme volume situado a montan
to de duas grandes barragens (Ilha Grande e Itaipu).
Assim, foram conduzidos inicialmente ensaios especiais,
estudando o potencial de liquefacao destas areias, baseados
nos criterios de CASAGRANDE, FIEDLER e TAYLOR, estudos estes
que se mostraram no conclusivos, optando-se entao pela execu
gao de ensaios segundo a tecnica desenvolvida por GONZALO CAS
TRO, em Harvard. Esta tecnica utiliza ensaios no drenados sa
turados que sao conduzidos a liquefagao, fenomeno este regis
trado por transdutores acoplados a dispositivos automaticos de
aquisicao de dados (fotos 05 e 06).
Cuidados especiais foram tomados para se eliminar a in
fluencia de efeitos indesejaveis nos resultados dos ensaios
(utilizagao de cabegotes lubrificados, celulas de carga na ba
se do corpo de prova, transdutores eletricos de deformagao e
pressao neutra etc.) o que garantiu a obtengao de dados confia
veis. Foram estudadas 3 diferentes areias, representativas da
fundagao e do aterro experimental de campo, variando-se a com
pacidade relativa dos corpos de prova desde 0 (conseguida
071
FOTO 06
FOTO 05
com tecnica de moldagem umida) ate 50 % , sendo conduzidos a
ruptura com pressoes de confinamento convenientes, de forma a
uma boa definicao das curvas de liquefacao (fig. 04 e 05).
0
0
0
LEGENDA
o--0AREIA Dc OAREIA EA--fl ARIA F
0,01 _0,1 1,0
Car-NA RUPTURA(k%,4
2
m)
FIG. 04
8'lop
' LEGENOA
AREIA D
AREIA E
A--t AREA F
0p
OA
07
06
13
1
2 4 68 2 4 68 2 4 68
Car-NA RUPTURA( kg/Cm)
IG. 05
As curvas mostram que, Para a gama de pressoes confinan
provocadas por aterros de altura da ordem de 50 metros) a li
quefagao total so a alcancada para compacidades relativas in
feriores a 50 %. Note-se que no aterro de campo as compacida
des medias obtidas variaram no"range"de 45 % a 70 %, o que pra
ticamente afasta a hipotese de uma liquefagao total daquele
terrapleno. Os estudos mostraram ainda que as areias mais
grossas e bem graduadas (areia E) sao menos suscetiveis de li
tes de ate 5,0 kg/cm (pressoes verticals da ordem de 10kg/cm2 7
072
quefacao que as finas e mais uniformes (areia D), fator a ser
considerado,nos trabalhos futuros,na selecao dos materiais de
emprestimo.
CONCLUSOES
A tecnica descrita neste trabalho , como visto, a si,m
pies, de alta producao, utiliza materiais de construgdo "pouco
nobres" e pode ser aplicada em qualquer estacao do ano. Exige
ainda um diminuto quadro de pessoal para langamento e fiscali
zagao e requer poucos equipamentos de langamento, (fotos ,
08 e 09). Apesar de o solo empregado nesta experiencia no
ser dos mais favoraveis por ser muito uniforme (o que diminui
a segregacao e consequentemente a viabilidade de formagao de
um nucleo menos permeavel) conseguiu-se um aterro de boas ca
racterTsticas geotecnicas, principalmente uma compacidade que
oarante a sua estabilidade e o protege da liquefagao. Eventu
ais perdas de agua por percolagao, no caso de barragens ou fun
dago'es muito homogeneas e/ou permeaveis, podem ser evitadas
com a construga'o de "cut-offs" e cortinas de vedagao. A dispo
nibilidade de solos mais bem graduados e com um teor de finos
pouco mais elevado (que possibilite a formagao de um nucleo
mais impermeavel) certamente viabilizara a construga'o de ater
ros por este processo.
A execugao de aterros em escala de modelo deve ser in
centivada, em paralelo aos estudos de campo, de forma a enri
quecer as correlagoes ja aqui estabelecidas, principalmente
quando do use de materiais que possibilitem uma maior segrega
gao.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a todos os colegas da CESP - Compa
nhia Energetica de Sao Paulo - que participaram das experien
cias aqui descritas, apoiando e possibilitando a execugao des
to trabalho.
BIBLIOGRAFIA
1. FERREIRA, R. C.; PERES, J.E.E.; MONTEIRO, L.B. - (1980): Ca
racterTsticas geotecnicas de modelos reduzidos de aterros
hidraulicos, XII I Seminario Nacional Grandes Barragens, Rio de
073
00I0LL
00L.
a,00I-0LL
074
Janeiro, vol . I , 495 - 516.
2. FERREIRA, R. C.; MONTEIRO , L.B.- (1982 ): Analise da impor
tancia da anisotropia de areias langadas por hidromecaniza
gao, VII Congresso Brasileiro de Mecanica dos Solos e Enge
nharia de Fundagoes , Olinda / Recife, Vol . IV, 125 - 142.
3. FERREIRA, R. C.; MONTEIRO , L.B. (1982): Analise da variacao
potencial de liquefagao de areias finas com a compacidade
relativa, VII Congresso Brasileiro de Mecanica dos Solos e
Engenharia de Fundagoes , Olinda / Recife, vol. IV , 143 - 158.
4. PIMENTA , C.; TORRES JR ., R.C.; MENDES , L.C.- (1986): Experi
encia adquirida na construgao de um aterro hidraulico expe
rimental , VIII Congresso Brasileiro de Mecanica dos Solos e
Engenharia de Fundagoes , Porto Alegre , evento a ocorrer.
RESUMO
Este trabalho pretende sintetizar a experiencia t6cnica
obtida nas diversas fases de estudo de um aterro hidraulico
construTdo, a titulo experimental, pela CESP - Companhia Ener
getica de Sao Paulo, na decada de 70. A sTntese aborda, prin
cipalmente, 4 trabalhos tecnicos a respeito do tema e pretende
divulgar e ressaltar as principais conclusoes que os mesmos en
feixam.
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