XVII SEMINARIO NACIONAL DE GRANITES BARRAGENS

BRASILIA

AGOSTO 1987

PRESSAO INTERSTI CI AL DAS ESTRI ITURAS DE CONCRETO DA US I NA HI DRELETRICA

DE ILHA SOLTEIRA

TEMA I

Eng9 Marco Antonio Juliani (**)

Eng9

Eng9

Yssamu

Julio

Miyaii (*)

Cesar Astolphi (*)

Eng9 Selmo Chapira Kuperman (**)

(**) Themag Engenharia Ltda.

(*) Companhia Energetica de Sao Paulo-CEP

1. INTRODUCAO

A Usina Hidreletrica de Ilha Solteira localiza- se no Rio

Parana , na divisa dos Estados de Mato Grosso do Sul e Sao Pau

lo, Brasil. As suas caracteristicas principais sao as sequin

tes: -

CARACTERISTICA UNIDADE VALOR

Capacidade MW 3.200

Comprimento total m 6.200

Largura da crista m 11

Cota do coroamento m 332

Volume total de concreto m3 3.686.496

Volume total das obras deterra m3 22 .589.620

Vazao media anual do rio m3/s 5.380

Maxima enchente observada m3/s 19.150

Maxima enchente de projeto m3/s 40.000

Bacia Hidrografica km2 337.340

Volume do reservatorio 106m3 21.166

Altura de queda normal m 46

TABELA 1 - CARACTERISTICAS DA USINA HIDRELETRICA

DE ILHA SOLTEIRA

Pelo fato de ser uma das primeiras barragens brasileiras

de grande porte construidas em concreto massa , decidiu-se uti

liza - la para a observacao de ocorrencia de determinados feno

menos.

Um dos fenomenos mais importantes em estruturas hidrau

licas, particularmente em barragens de concreto, e a percola

cao d'agua.

Alem de poder causar problemas funcionais , tais como vazamen

tos, corrosao de armadura e concreto, a percolacao pode ser

responsavel por esforcos adicionais na estrutura : a pressao

nos poros ou intersticial.

Os principais aspectos que podem ser levantados em um es

tudo de percolacao d'agua e seus efeitos podem ser resumidos

131

nas seguintes questoes:

- a percolacao existe apenas em fissuras ou de maneira ge

neralizada?

- qual a intensidade das pressoes nos poros ao longo do

tempo em cada ponto da estrutura?

Embora varios autores, como Carlson [3], Leliavsky [5] ,

Zee[6], Bazant[9] e Serafim[10] tenham realizado estudos teo

ricos e experiencias em laboratorio, dando valiosas contribui

Coes ao assunto, e importante que se conheca mais a respeito

da intensidade e distribuicao de pressoes intersticiais no con

creto de estruturas hidriulicas, principalmente porque muito

pouco e sabido sobre os diversos aspectos relevantes do compor

tamento do concreto massa sob complexos estados de tensao.

Com a finalidade de esclarecer melhor esse assunto, quan

do da construgao da barragem de Ilha Solteira, decidiu-se pela

instalacao de uma serie de medidores de pressao intersticial -

embutidos no concreto. A iniciativa visava coletar informacoes

sobre a intensidade das press6es d'agua atuantes nos poros do

material e estudar sua evolucao ao longo do tempo.

Neste trabalho, procura-se resumir os resultados obtidos

e compara-los com as teorias existentes.

2. DETERMINAcAO TEORICA DA PROFUNDIDADE DE PENETRAgAO DO

FLUXO D'AGUA

Ate o inicio deste seculo, as analises de tensoes em bar

ragens eram feitas considerando-se o concreto como material im

permeavel e a fundacao permeavel.

Calculava-se a acao da igua atraves do empuxo hidrostatico nas

faces de montante e jusante, a subpressao no contato concreto

rocha e as presses dentro da massa de concreto provocadas pe

la penetracao da aqua em eventuais fissuras (Ver figura 1).

A ocorrencia de percolacao d'agua dentro do corpo de cer

tas barragens construidas no seculo passado e inicio deste se

culo, como por exemplo na barragem de St.Francis[10], e medi

toes de press6es nos poros em barragens com diferentes idades

de funcionamento, tais como as barragens de Hiwassee(1940) e

Fontana(1944), estudadas pelos engenheiros da T.V.A (Tennessee

132

i 1^ I 6151"WPb 1 1 1 1i 1

Valley Authority[ 10], mostraram que o metodo de analise ante

riormente descrito era insatisfatorio,Atualmente , em muitas analises de tensoes em barragens

de concreto , as awes da agua riao sao mais consideradas de

acordo com a figura 2, e o principio adotado, aceito por Ter

zaghi, Zillunger , Leliavsky e outros[5 ], considera que a aqua

percola atraves dos vazios do concreto , provocando as pressoes

intersticiais . Portanto , a pressao da aqua atuaria como forca

de volume dentro da estrutura e nao apenas como forca exterior

nos paramentos de montante e jusante da barragem.

Com o advento dos grandes computadores e o desenvolvimen

to de programas baseados no metodo dos elementos finitos, as

analises de tensoes em barragens se tornaram possiveis em

quaisquer casos de geometria e condigoes de carregamento. Uti

lizando esse metodo, Zienkiewicz [ 81 mostra um exemplo de bar

ragem de contrafortes , na qual a feita a comparacao dos efei

tos da pressao da aqua considerada como forca exterior e como

forca de volume , chegando a conclusao que a zona de tenses de

tracao a cerca de 2,5 vezes maior no ultimo caso.

Deve-se levar em conta, entretanto , que o tempo de completa sa

turacao de uma barragem varia em funcao da permeabilidade do

concreto , da quantidade de juntas e fissuras da estrutura, da

porosidade do material, e da pressao d'igua atuante (nivel do

reservatorio).

Por sua vez , a permeabilidade do concreto depende, entre

outras coisas, das caracteristicas fisicas da mistura e dos

seus componentes (tipo de cimento, dimensoes dos agregados, fa

for agua -cimento , etc.), enquanto que as fissuras da estrutura

variam com as caracteristicas mecanicas do concreto ( resisten

cia, modulo de deformacao, etc.) e dos carregamentos atuantes.

Alem disso, a evolucao da tecnologia do concreto e das tecni

cas de construcao tem contribuido sobremaneira para que o mate

rial seja cada vez mais impermeivel bem como que as eventuais

fissuras e porosidade das estruturas sejam reduzidas.

A utilizacao de um ou outro criterio leva a resultados

bastante diferentes. Tem sido adotado em diversos paises o cri

terio da figura 2, principalmente por ser mais expedito e que

leva a solugoes mais economicas . Muitas barragens de concreto

nao chegam a atingir o estado de saturacao no intervalo de sua

vida util , o que justifica uma analise mais profunda do esque

133

ma estrutural mais adequado a ser adotado.

A intensidade da pressao nos poros e principalmente o

tempo despendido pela agua para atingir um determinado ponto

da estrutura podem ser obtidos atraves da formulagao matemati

ca do problema de percolacao da aqua em estruturas de concre

to. Utilizando-se a formulacao apresentada por Bazant [91, e

considerando-se o equilibrio do fluxo de aqua a temperatura -

constante no concreto saturado, suposto so'lido poroso iSotro'pi

co, com o acrescimo de massa de aqua capilar e supondo:

- que a hidratagao se completa antes da barragem ser solici-

tada pela pressao hidrostitica;

- que a massa de aqua capilar e relacionada a pressao nos po

ros atraves do coeficiente de compressibilidade da agua,su

posto constante;

- que a massa especifica da aqua, o peso especifico da aqua

e o coeficiente de permeabilidade do concreto sio constan

tes;

- variacao linear de pressao nos poros entre a superficie de

montante e o ponto atingido pela agua (p=0), chega-se a

expressao:

t = axe/2HK [1)

Sendo:

H = po/y altura do nivel d'agua de montante (m);

Po = pressao da agua a montante (KN/m2);

y = peso especifico da aqua (ti10 KN/m3);

K = coeficiente de permeabilidade do concreto (m/s);

x = distincia percorrida pelo fluxo d'agua a partir da su

perficie de montante (m);

a = volume relativo apos a hidratacao = ah+ ac

ah = volume relativo de vazios devido a retirada da agua

dos poros da pasta de cimento durante a reagao de hi

dratacao;

ac = volume relativo de vazios devido a porosidade capilar

do concreto nao saturado (adotado como 6% do volume).

134

3. DESCRICAO DOS APARELHOS

Os aparelhos medidores de pressao intersticial ( pore

pressure meter) usados em Ilha Solteira sao do tipo Carlson ,

baseados no principio de resistencia eletrica e modelo CP-N,da

Kyowa. Sao compostos de um pequeno extensometro, montado numa

armacao de ago inoxidivel e um filtro de metal que e preenchi

do com gel de petroleo para prevenir ferrugem no diafragma.

A igua percola pelos poros e entra em contato com o gel, que

por sua vez pressiona o diafragma. A deformacao causada no dia

fragma e transmitida ao extensometro e a partir dele, se obtem

valores de resistencia com os quais se calcula a pressao atuan

to (pressao intersticial). 0 aparelho permite tambem a determi

na^ao da tefperatura local aAs principais caracteristicas dos aparelhos instalados

no vertedouro de superficie sao:

- diametro (na borda) 16,3 cm

- comprimento 7,4 cm

- modelo CP-8N

- intervalo de leitura(MPa) 0,8

- menor valor lido (MPa) 0,008

4. LOCALIZACAO DOS APARELHOS E DATAS DE INSTALACAO

Os aparelhos instalados no vertedouro de Ilha Solteira

estao localizados no bloco VS-11 e suas posicoes estao indica

das nas figuras 1 e 3.

Quando da instaladao desses medidores, tomou-se cuidado

para que sua face ficasse distante o suficiente de armaduras ,

cabos ou equipamentos para evitar canais preferenciais de per-

colacao d'agua no seu contato com o concreto, o que alteraria

as condicoes reais de pressao nos poros.

A tabela 2 mostra as datas de instaladao dos aparelhos,

bem como as cotas dos mesmos.

Os instrumentos PT9, PT10, PT11, PT15 e PT19 nao cons

tam da tabela por estarem danificados.

135

APARELHO DATA DE COTA

INSTALAcAO (m)

PT1 05/72 260,50

PT2 05/72 260,50

PT3 05/72 260,50

PT4 05/72 260,50

PT5 05/72 260,50

PT6 05/72 260,50

PT7 05/72 260,50

PT8 05/72 260,50

PT12 08/72 278,50

PT13 08/72 278,50

PT14 09/72 278,50

PT16 09/72 289,75

PT17 09/72 289,75

PT18 11/72 305,50

PT20 12172 305,50

TABELA 2 - DATAS DE INSTALACAO E COTAS DOS

APARELHOS.

5. RESULTADOS OBTIDOS

Os graficos 1 a 6 apresentam os resultados obtidos com ainstrumentacao instalada. Pode-se verificar que quase todos os

aparelhos mostraram pressoes de aqua nulas ao longo do tempo e

apenas os situados muito proximo a face de montante e jusante

e que tiveram variacoes: pressoes crescentes positivas corn o

enchimento do reservatorio, leve tendencia a estabilizacao -

apos o nivel de agua a montante ter chegado ao seu ponto maxi

mo seguido, em alguns aparelhos, de decrescimo de pressoes ao

correr dos anos.

Um dos aparelhos que apresenta este comportamento e 0

PT-1, instalado a 1,30 m da face de montante. Pode-se tentar

analisa-lo aplicando-se a equacao 1, indicada no item 2 e con

siderando que Segundo Powers (ver [9]), ah e igual ao volume -

de 28% da aqua quimicamente combinada durante a hidratacao,que

por sua vez e igual a aproximadamente 22% do peso de cimento -

136

I

(apos prolongada hidratacao). Portanto ah e 6,2% do peso de ci

mento, dividido por ya, por unidade de volume do concreto.

No caso do vertedouro da Usina Hidreletrica de Ilha Sol

teira, pode-se utilizar os seguintes dados aproximados: coefi

ciente de permeabilidade de 10-12m/s, nivel de aqua de montan-

te de 328 m, cota de instalacao dos aparelhos PT1 a PT8 e

260,50 m, consumo de cimento de 150 kg/m3 (concreto da face

montante).

Para um intervalo de 14 anos, ou seja, 4,42 x 108 segun

dos, a distancia teoricamente percorrida pela aqua na elevagao

260,50 m seria:

H = po/ya = (328,0 - 260,50) = 67,5 m

ah = 6 ,062 x 1,510 = 0,0093

ac = 0,06

a = ah+ ac = 0,0693

x = 0,93 m

Como tem ocorrido continua reducao de pressao medida (vi

de grafico 1) e de se supor que o aparelho ester no caminho de

alguma fissura que, aos poucos, vai sendo preenchida por pro-

dutos carreados pela agua ou por colmatacao dos poros. Verifi-

cou-se ao mesmo tempo elevacao da pressao medida pelo PT4, da

ordem de 0,7 kgf/cm2. Este fato ainda nao tem justificativa -

pois o aparelho encontra-se no meio da massa, entre o PT3 e

PT5 que nao apresentam variacao de leitura. Provavelmente em

v it tude de estarem localizados mais proxitros da face jusante o PT8 e o

PT14 apresentam pequenas variacoes de pressao: cerca de 0,5

kgf/cm2 e 0,7 kgf/cm2 respectivamente. Segundo a teoria nenhum

dos aparelhos deveria apresentar variacoes significativas nas

medicoes das pressoes intersticiais. Isto ocorre com 75% dos

aparelhos ainda em operacao.

6. CONCLUSOES

Ha uma necessidade de analise previa da estrutura glo

bal para obter-se a melhor forma de consideragao da pressao -

137

intersticial em estruturas de concreto . Deve -se sempre levar

em conta a qualidade da execucao da obra, as caracteristicas -

do concreto, o tempo de vida util esperado para a construcao e

a confiabilidade da teoria utilizada.

Com as leituras obtidas nos ultimos 14 anos, no concreto

massa do vertedouro de Ilha Solteira, verifica- se que ate a

presente data, a consideragao teorica apresentada e satisfato-

ria, mostrando a grande influencia da qualidade do concreto -

principalmente quanto a sua impermeabilidade. Durante os pro

ximos anos, os aparelhos instalados deverao continuar a ser

observados para a sequencia deste estudo possibilitando, com

os dados de um periodo mais prolongado, a obtencao de informa

toes que possam ser utilizadas para aperfeicoamento dos crite

rios de projeto.

Continua sendo importante a instaladao desse tipo de ins

trumento em outras obras de concreto, para permitir melhor ava

lia4ao dos efeitos da pressao intersticial nas estruturas.

7. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem a Companhia Energetica de Sao Paulo

e a Themag Engenharia Ltda o apoio recebido e a permissao para

divulgacao das informacoes aqui contidas.

138

BIBLIOGRAFIA

[1] Relat6rio no UIS-THC-A4-1508 - "Usina Hidreletrica de

Ilha Solteira - Medidores de pressao intersticial", elabo

rado pela THEMAG ENGENHARIA LTDA, Sao Paulo, 1975.

[2] Relatorio no UIS-THC -A4-1538 - "Usina HidreletricaIlha Solteira - Medidor de pressao intersticial",

rado pela THEMAG ENGENHARIA LTDA, Sao Paulo, 1977.

de

elabo

[3] Carlson, R.W. "Permeability, pore pressure, and uplift

in gravity dams ", paper nQ 2874, Transactions of the Ame

rican Society of Civil Engineers, volume 122, 1957, pagi

nag 587 a 613.

[4] Neville, A.M. "Properties of Concrete", 3rd edition,

man Publishing Limited, Londres, 1981.

Pit

[5] Leliavsky, S:"Dams", Oxford & IBH Publishing Co.,

Delhi, 1981.

New

[6] Zee, Chong-Hung: "Pore pressure in concrete dams",

1957, Journal of the Power Division, Proceedings of

American Society of Civil Engineers, April, 1958.

paper

the

[7] "Design criteria for concrete arch and gravity dams" -

Engineering Monograph nQ 19, United States Department of

the Interior - Bureau of Reclamation - Washington, 1977.

[8] Zienkiewicz, O.C: "El metodo de los elementos finitos"

traduzido da 34 edicao inglesa, Editorial Reverte S.A.

Barcelona, 1980.

[9] Bazant, Z.P: "Pore pressure, uplift and failure analysis

of concrete dams" - trabalho constante do livro " crite

ria and assumptions for numerical analysis of dams", edi

tado por D.J.Maylor, K.G.Stagg e O.C.Zienkiewicz, Swan

sea, 1975.

139

[10] Serafim , J.L.: "A subpressio nas barragens" - Publicacao

no 55, Laboratorio Nacional de Engenharia Civil , Lisboa,

1954.

[11] Technical Report no 6-654: "Investigation of instruments

for measuring pore pressure in concrete - Report 2 - Ins

truments installed at Hartwell Dam, Georgia" - U.S. Army

Engineer Waterways Experiment Station, Vicksburg, Missis

sipi, Marco, 1970.

[12] Kuperman, S.C: "Permeabilidade e durabilidade de Concre

tos sujeitos a igua do mar", Seminario de Tecnologia do

Concreto para Estruturas, IBRACON - PETROBRAS, 1983.

[13] Juliani, M.A.C.: "Pressao nos poros das estruturas hi

draulicas de concreto ", XI Seminario Nacional de Grandes

Barragens , Rio de Janeiro, 1983.

140

5,50

58, 50

FLUXO

PLANTA - EI.260150

FLUXO 0^

4180

1,30F I6.

PT 16 'PT17

13,70 10,50 i

PLANTA-EI.289,75

'PT25 'PT34

!I6fT'PT8

BO , T sos s^s 6016,6016,60^

FLUXO 0>

OD

0, 70 17,40

PI ANTA.-EL30:-,50I

FIG URA 1 - Locolizogiio dc: oporeihos

,Z 771-- ._ i = ==air - _ 7'itmIML

FIGURA 2 -A96o d., dguo sobre umo borragem

PT 1r PT Oi- -

141

P1,19 PT 20

DANIFICADO

LINHA DE DRENAGEM

E1.286 ,00 - N.A. Jus.(Mox.)

El. 281,20- N.A. Jus. ( Mm)

F I G U R A 3 - Vertedouro de Surperficie , Bloco U-11

Loco, izoyoo dos medidores de pressa"o

intersticiol • diogromo d• ^ -: 'es

medidas em junho de 1986.

142

0 N 0 0pO 0 0

M M O N NM M

w Q .-r

W Z G

tiN

O

N

LDtom

htom

00toa00cD cDN N

(36

I a aco

NawCL CL

Nto01

com

0OZ -

°-' Q LL..Q

cop-ap

Nm

Nm

NNm

143

i t

0 O 0 0 O O 00M

NM

_0 C)

NtiN

lD

r) N

JZ -G-W

00to torn00c0 c0N N

o u

N

0

co

N-

I-

1-

I)

144

S

1 ^

^

r

I

I

1

-i /

1

I

ON

00M

Oa)N

0coN

0toN

^ 1^ c0

aaCLa0

NQa4waaacr Q Q Q

N0J0

rn

1)

N .

0)

0

N

145

tl- 1 t _I_ L J

1 ^

I ^I1

I ^

r

I

!1

0 0 0 O 0 O 00MM

NO

in0 C)

N NW)N

(D co

It a s 4.

NCo01

co01

11

m

rn

l)

146

to 00

I m off to0 U-)(D 0

I

N M

co U U0> .^v

0

I

I-v a a0

w a. a

l (Mo)

a.rQQ

0)

0)

00N)

0 0

N

147

t

OMM

0NM

OO

0NN

L► 1

co 00 t)0

in in ti

too t coN N

CO (\I N

CL n.CLro

crcn q q qwCL CL acrgc4

000)

0CT)0

00 U

U.ro

m

cD

u)N

m

MNN

148