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CURSO DE CAPACITAÇÃO EM ESTRUTURAS DE BARRAGENS: TERRA, ENROCAMENTO E
REJEITOS
PROFESSOR: Dr. Sidnei Helder Cardoso Teixeira Curitiba, 22 de Março de 2017
Tratamento de Fundações de Barragens em Rocha e Solos
Tratamento de fundações – Tipos e Objetivo
Curso de capacitação em estruturas de barragens de Terra, enrocamento e rejeitos. Professor: Dr. Sidnei Helder Cardoso Teixeira
Os materiais de fundação que apresentam baixa resistência e elevada
compressibilidade são geralmente removidos para a construção do maciço da
barragem;
Muitas vezes ocorrem também na área de fundação materiais ou horizontes
muito permeáveis, mas com características aceitáveis quanto à sua resistência e
compressibilidade;
É o caso, por exemplo, de um maciço rochoso muito fraturado ou de um aluvião
compacto. Esses tipos de fundação não apresentam problemas de instabilidade
para o maciço da barragem, mas podem permitir fugas excessivas de água;
Para reduzir estas fugas, a fundação deve ser interceptada por sistemas de
vedação ou de impermeabilização.
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Tratamento de fundações – Erosão
Curso de capacitação em estruturas de barragens de Terra, enrocamento e rejeitos. Professor: Dr. Sidnei Helder Cardoso Teixeira
As superfícies de contato das zonas impermeáveis das barragens com o topo
rochoso da fundação e com as estruturas de concreto nelas embutidas constituem
caminhos preferenciais de percolação de água e precisam ser tratadas com
atenção especial;
Esta percolação pode provocar o carreamento de partículas do aterro e até o
desenvolvimento de um "piping", ao longo desses caminhos;
Os problemas serão tanto mais graves, quanto maior for o gradiente hidráulico de
percolação e menores as pressões de contato do aterro nessas superfícies;
A percolação de água através dos contatos com superfícies de concreto já trazia
preocupações, desde 1910, quando Bligh (em Hsu, 1982) estabeleceu que a altura
crítica da água a montante de vertedouros construídos sobre fundação de areias e
siltes era igual a relação entre o comprimento do caminho de percolação ao longo
dos contatos e o parâmetro denominado coeficiente de erosão ("creep ratio").
Este coeficiente podia variar entre 5 e 18, dependendo do tipo de material de
fundação.
Tratamento de fundações – Erosão
Curso de capacitação em estruturas de barragens de Terra, enrocamento e rejeitos. Professor: Dr. Sidnei Helder Cardoso Teixeira
Mais tarde, em 1935, Lane, estudando rupturas hidráulicas de grande número de
barragens, chegou à conclusão que a erosão no sentido vertical era mais difícil que no
horizontal e estabeleceu um "coeficiente ponderado de erosão" ("weighted creep ratio"),
Cw , através da expressão:
Cw =ಳయା௧
Onde:B - comprimento de percolação na direção horizontal,t - comprimento de percolação na direção vertical,݄ - altura máxima de água a montante.
Os valores propostos por Lane (em Vargas, 1977), para Cw, foram:
Material da fundação Cw
Areia fina e silte 7 a 8,5
Areia média e grossa 5 a 6
Pedregulhos 3 a 4
Argila de consistência média 2 a 3
Argila dura 1,5 a 2
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Tratamento de fundações – Tipos e Objetivo
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O maciço natural constitui uma fundação que sofrerá alterações com a
construção de uma obra de barramento, principalmente pela imposição de
novas tensões, sejam efetivas, pelo peso da estrutura, sejam neutras pelo
reservatório formado.
Os métodos de tratamento de fundações pode ser agrupados em três tipos:
• Substituição das materiais da fundação;
• Injeção;
• Drenagem;
Os objetivos são:
• Melhorar a resistência dos materiais de fundação;
• Reduzir a percolação da água através das fundações;
• Reduzir a sub-pressão na base da barragem.
Tratamento de fundações – Fatores condicionantes
Curso de capacitação em estruturas de barragens de Terra, enrocamento e rejeitos. Professor: Dr. Sidnei Helder Cardoso Teixeira
A caracterização da geologia do maciço rochoso é imprescindível antes de
qualquer tratamento;
Depois da escolha do local é feito um estudo geológico-geotécnico profundo para
que seja tomado o conhecimento das propriedades do maciço;
A caracterização da geologia resume-se ao entendimento do:
• Material rochoso – Fraturas macroscópicas, microscópicas e poros;
• Diaclases – Orientação, profundidade e consistência dos enchimentos e
qualidade do maciço (rugosidade);
• Falhas – Atitude;
• Condutividade hidráulica – Permeabilidade.
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Tratamento de fundações – Substituição do material
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Independente do tipo de tratamento a ser aplicado em uma fundação de barragem, é
necessário que seja retirado do trecho superficial do solo;
Neste trecho esta incluído o top soil ou solo orgânico e o trecho imediatamente abaixo ,
onde existem canículos resultantes do apodrecimento de raízes mais profundas ou da
ação de microrganismo, escoamento sub superficial ou qualquer outro agente degradador;
A profundidade de 3m é suficiente,
na maioria dos casos, para
realizar esta retirada, porém há
casos em que essa profundidade
pode chegar localmente a 5m ou
6m, principalmente quando
existem formigueiros;
O material é removido e
substituído pelo próprio material
da barragem.
Tratamento de fundações – Trincheira de vedação
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Conhecido como Cut off é construída na fundação de barragens granulares ( terra ou
enrocamento), geralmente na parte central dessa obra, ou para montante, sobretudo
quando núcleo da barragem se encontra inclinado nesse sentido;
Escava-se uma trincheira ao logo de todo o eixo barravel, substituindo o material retirado
por um maciço de terra de baixa permeabilidade, compactada, de acordo com condições
preestabelecidas para o controle de compactação;
Algumas especificações definem para a base da trincheira largura mínima de 4m a 6m
para possibilitar uma perfeita compactação;
Raramente essa largura ultrapassa os 10m.
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Tratamento de fundações – Trincheira de vedação
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A profundidade da trincheira de vedação fica limitada pela viabilidade da
escavação ser executada mecanicamente, por meio de tratores, escavadeiras,
etc, sem o uso de explosivos.
Estes últimos somente seriam utilizados em casos especiais, por meio de fogo
controlado, em pontos localizados, de forma a não danificar o maciço subjacente.
Tratamento de fundações – Parede Diafragma
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Diafragma rígidos ou plásticos são formados pela substituição de uma estreita faixa da
fundação por sucessivas painéis de concreto, formando um muro, geralmente localizado
abaixo do eixo da barragem;
Pode prolongar-se por toda a extensão desse eixo ou contemplar apenas partes dessa
extensão;
Para execução de um diafragma faz-se a escavação da fundação ao longo dos paineis ou
trincheiras com extensão entre 5m e 20 m com largura entre 0,40m e 1,50m;
A escavação é realizada com um equipamento de dotado de concha “clam-shell”;
Usar lama bentonítica para evitar
desmoronamentos das paredes da
escavação;
Técnica utilizada para conter o excesso
de percolação sob a barragem;
Pode ser realizado abaixo do nível
freático.
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Tratamento de fundações – Tapete impermeável à montante
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O controle de percolação de água através da fundação também pode ser realizado por
um tapete impermeável construído a montante, conectado à seção impermeável da
barragem, combinado com um sistema de drenagem a jusante.
Economicamente, ele é interessante, quando o projeto requer o tratamento de uma
camada permeável muito espessa da fundação, quando comparado com as alternativas
de cortinas de injeção ou paredes diafragma profundas.
O objetivo do tapete é o de reduzir o gradiente hidráulico através da fundação, pelo
acréscimo do caminho de percolação da água sob a barragem;
As barreiras impermeabilizantes, também conhecidas como liners, têm como função
proporcionar uma barreira ao fluxo, provocando o acréscimo do caminho de percolação
sob a barragem.
As barreiras impermeabilizantes são capazes de reduzir as vazões e as cargas de
pressão atuantes na fundação.
Tratamento de fundações – Tapete impermeável à montante
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Segundo o NATIONAL HIGHWAY INSTITUTE (1988), os principais tipos de materiais
utilizados na construção de barreiras impermeabilizantes são:
• Camadas compactadas de argila;
• Concreto lançado;
• Concreto Asfáltico;
• Geomembranas
outros materiais também podem ser empregados, como:
• Geocompostos argilosos e
• Geotêxteis impregnados com substância impermeabilizante.
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Tratamento de fundações – Injeções de Consolidação
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Existem essencialmente dois tipos de injeções que podem ser realizados em barragens com
fundações em maciços rochosos:
• Injeções de consolidação – Blanket Grouting e Consolidation Grouting;
• Injeções de impermeabilização – Cortina de impermeabilização.
As injeções de consolidação têm como principal objetivo aumentar a compacidade das
rochas, melhorando a sua resistência mecânica e seu módulo de elasticidade.
Emprega-se em rochas fraturadas de baixa resistência e refletem-se na sua
impermeabilização;
Os termos anglo-saxónicos blanket grouting e consolidation grouting são utilizados em
português como sinónimos em relação ao tratamento de fundações de barragens em
maciços rochosos.
Tratamento de fundações – Blanket Grouting
Curso de capacitação em estruturas de barragens de Terra, enrocamento e rejeitos. Professor: Dr. Sidnei Helder Cardoso Teixeira
Este tipo de injeções não ultrapassa em geral mais do que 6-9 m de profundidade
(dependendo da espessura da zona permeável) e são destinados a reparar
falhas na fundação, tal como rocha fraturada;
Este termo deve ser reservado para definir injeções superficiais realizadas sob
barragens em aterro, cujos objetivos são:
• Reduzir as perdas de água por percolação;
• Reduzir a infiltração;
• Limitar a velocidade de percolação em zonas relativamente permeáveis a
pequena profundidade.
Com a execução deste tratamento, essencialmente debaixo do núcleo da
barragem, pretende-se que a probabilidade de arraste e perda de material do
núcleo seja a mais reduzida possível. A execução deste tratamento, quando
considerado apropriado, deve ser concluída antes da construção de uma
barragem.
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Tratamento de fundações – Consolidationt Grouting
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O preenchimento de grandes fraturas para o ganho de resistência de uma grande
zona de maciço rochoso é comumente referido como consolidation grouting;
Neste caso, a designação em inglês deve ser utilizada quando se pretende
referir a injeções realizadas sob barragens de concreto, onde a perda de
materiais constituintes do núcleo não é um problema (Weaver e Bruce, 2007);
O principal objetivo deste tratamento é o melhoramento da resistência
mecânica da fundação, diminuindo a sua deformabilidade, fazendo com que
a probabilidade de ocorrência de recalques, muito prejudiciais para as estruturas
rígidas como são as barragens de concreto, seja a mais reduzida possível.
Tratamento de fundações – Cortina de impermeabilização
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Em barragens de terra/enrocamento, as cortinas de impermeabilização
normalmente são feitas antes da construção da barragem;
A exceção para que esta seja feita posteriormente à construção da barragem é
quando a cortina se encontra localizada no pé do paramento de montante da
mesma;
Nas barragens de concreto, esta cortina é mais eficaz após a conclusão da
barragem, numa altura, se tem instalado o peso próprio da barragem na
fundação. Nestas condições, podem aplicar-se à calda pressões mais elevadas
de modo a assegurar a máxima dispersão desta em todas as direções;
Quando na presença de maciços rochosos menos competentes, geralmente é
necessária a furação de linhas de injeção adicionais, devendo estas ser
escalonadas entre si. A distância entre linhas pode variar de acordo com as
características do terreno, mas geralmente não ultrapassa 1,5 m.
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Tratamento de fundações
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Tratamento de fundações – Jet Grouting
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A técnica é especialmente indicada para solos sensíveis, moles e de baixa
resistência;
No campo geotécnico, é aplicada na melhoria das propriedades dos solos, para
contenções, reforços e reduções de permeabilidade dos solos. Obras portuárias,
barragens e túneis também podem utilizar a tecnologia, que costuma ser
relativamente cara em relação à técnica de injeção tradicional de cimento;
Tecnologia permite melhoria e reforço do solo por meio de colunas de solo- -
cimento executadas com:
• Perfuração;
• Jateamento e:
• Desagregação do solo com calda de cimento a altas velocidades (da ordem de
800 km/h) e grandes impactos.
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Tratamento de fundações – Jet Grouting
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A primeira etapa do jet grouting é fazer o furo, por meio de uma perfuratriz, até a cota final
estipulada pelo projeto.
Uma vez atingida esta cota, inicia-se o desmonte hidráulico do maciço, de baixo para cima,
com jato de calda de cimento, associado a movimentos rotativos e ascendentes na haste.
O jateamento da calda acontece por meio de uma motobomba (com tamanho aproximado de
um contêiner de 20 pés) que bombeia a calda de cimento a uma pressão de
aproximadamente 350kgf/cm², formando colunas cilíndricas com diâmetros que podem
ultrapassar 2 m.