fundações de barragens e estruturas em arenitos natureza dos

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COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS

XXX SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS

FOZ DE IGUAÇU – PR, 12 A 14 DE MAIO DE 2015.

FUNDAÇÕES DE BARRAGENS E ESTRUTURAS EM ARENITOS: NATUREZA

DOS MACIÇOS E CONTROLE DE FLUXO E EROSÕES

Eraldo L. PASTORE

Consultor, Doutor em Engenharia Civil: Geotecnia e Diretor da WRC Consultoria Empresarial- São Paulo - SP. [email protected]

Paulo Teixeira da CRUZ Consultor, PhD - São Paulo - SP. [email protected] Manoel Sousa FREITAS JR.

Consultor e Diretor da Hydrogeo Engenharia - São Paulo - SP. [email protected] RESUMO No Brasil existem cerca de 40 barragens com fundação em arenitos. Na maioria dos casos o comportamento destas barragens tem sido satisfatório, mas ocorreram alguns acidentes que exigiram intervenções e num caso a perda da barragem, logo após o enchimento do reservatório. No caso de fundação em arenitos é muito comum as camadas do maciço natural não serem homogêneas pelo fato de ocorrerem lentes ou mesmo camadas de areia (C4) intercaladas a camadas de arenito competente (C2/C1), condição inerente à própria gênese do depósito sedimentar. No presente artigo são apresentadas com base na experiência brasileira, as características geológico-geotécnicas dos maciços areníticos de fundação, assim como os principais dispositivos de controle de fluxo e erosão pela fundação. ABSTRACT About 40 (forty) dams founded on sandstones were built in Brazil. In the majority of the cases the behaviors of these dams were satisfactory but some accidents have occurred that required interventions and in one case the lost of the dam just after impounding. In sandstones foundations, discontinuities are very common in form of sand bedding (C4) layers intercalated with competent sand materials (C2/C1), inherent genesis characteristics of sedimentary deposits. This paper focus sandstones foundation examples and characteristics from Brazilian cases, as well as erosion and flow control solutions.

mailto:[email protected]



XXXSEMINÁRIONACIONALDEGRANDESBARRAGENS 2

1. INTRODUÇÃO Os arenitos são rochas sedimentares clásticas, isto é, formadas pelo acúmulo e posterior diagênese de grãos minerais ou partículas de rocha com mais de 50% de grãos com tamanho entre 2 mm (areia muito grossa) e 0,06 mm (areia muito fina) (ABGE, 1998). Os principais tipos de arenito são o quartzo arenito, que é o mais comum, o arcóseo e a grauvaca. No início do processo de formação os arenitos são depósitos de areia aluvionares, eólicas, aquosas, etc... que ao sofrerem diagênese (processos naturais químicos e físicos) no decorrer do tempo geológico transformam-se em camadas de rochas com maior ou menor resistência mecânica, dependendo do tempo e do tipo de processo diagenético atuante. Os processos diagenéticos mais comuns são a compactação, gerada pelo peso próprio da camada de sedimentos, a cimentação dos grãos, formada pela precipitação de elementos químicos nos poros soldando os grãos e a autigênese que é a formação de minerais in situ durante o processo diagenético. Os processos diagenéticos transformam os depósitos de areia em maciços rochosos areníticos, os quais, por apresentarem elevada coesão entre os grãos, passam a possuir maior resistência ao cisalhamento, à erosão, à colapsividade, ao piping e à liquefação, sendo escaváveis somente com escarificadores associados a fogacho ou explosivos. Os depósitos de areia tais como depósitos recentes que ainda não sofreram processo diagenéticos, ou parte de depósitos antigos que não sofreram processos diagenéticos, isto é, não se transformaram em rocha, continuam sendo areias do ponto de vista de Engenharia, isto é, materiais sem coesão, com baixa resistência e facilmente escaváveis. Em Geologia, devido a definições clássicas (Pettijohn, 1957, in Suguio, 2003), as areias também são denominadas de arenito o que tem gerado inúmeros equívocos quanto à classificação e as propriedades geotécnicas/geomecânicas destes materiais na construção de obras civis. Camadas de areias podem também se originar pela desagregação de camadas de rochas areníticas expostas a processos intempéricos atuantes na superfície do terreno que desagregam os grãos formadores da rocha deixando o material residual sem coesão e com baixa resistência. As camadas assim formadas encontram-se na superfície do terreno sendo denominadas de solo residual de arenito. Os autores agradecem aos engenheiros Clovis Leme e Laercio Monteiro pelas informações sobre os “tafoni” 2. CLASSIFICAÇÃO Os arenitos são usualmente classificados de forma expedita para fins de Engenharia em quatro categorias segundo seu grau de coerência, para avaliação indireta de suas propriedades geomecânicas e resistência à escavação. A Tabela I apresenta a classificação baseada no grau de coerência adotada pela Associação Brasileira de Geologia de Engenharia (ABGE), tendo-se associado à mesma as propriedades geotécnicas correspondentes a cada categoria a partir de informações apresentadas por inúmeros artigos científicos publicados sobre o assunto. As categorias de arenito da Tabela I podem ser associadas, com algumas modificações, ao perfil de alteração típico para rochas areníticas proposto por Pastore & Fortes (1998) (Tabela II). Desta forma ter-se-íam as duas primeiras categorias C1 e C2 apresentando comportamento de maciço rochoso, ou seja, maciços areníticos formados pelo conjunto da matriz rochosa arenítica e descontinuidades representadas pelos planos de acamamento, uma das estruturas sedimentares mais comuns e de maior persistência, e sistemas de fraturas e falhas. A terceira categoria C3 representaria

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Tabela I – Classificação, propriedades geomecânicas e comportamento à escavação de arenitos

Tabela II – Correlação entre terminologia de perfil de alteração e classes de coerência

de arenitos.

Pastore & Fortes, 1998 Categorias de arenito

(Tabela I)

Solo residual

(não apresenta estruturas da rocha de origem)

C4

Solo saprolítico

(apresenta estruturas reliquiares)

C3

Maciço rochoso C2/C1

os arenitos com resistência entre maciço rochoso resistente e arenito friável e a quarta C4 os arenitos friáveis/areias. Esta correlação tem grande importância prática pelo fato de ser necessária nos Projetos de Engenharia a interpretação das sondagens para definição das camadas que formam o terreno onde a obra será construída. Com relação ainda à Tabela I, cabe esclarecer que areias aluvionares e eólicas com baixa ou nenhuma coerência, pelo fato de apresentarem composição granulométrica e comportamento geotécnico muito próximos ao de solo residual de arenito, podem também ser classificadas como C4. Como fundação de barragens ou estruturas, os

arenitos são a “rocha” com maior amplitude de resistência a compressão (c > 100 Mpa até < 0,4 Mpa). No caso de camadas de arenito é muito comum as camadas não serem homogêneas encontrando-se lentes ou mesmo camadas de areia (C4) intercaladas a camadas de arenito resistente (C2/C1), devido a não uniformidade nos processos diagenéticos que atuaram no local. No caso de ritmitos a intercalação de camadas de siltitos e argilitos de forma repetitiva e alternada com camadas de arenito também são bastante frequentes devido à própria gênese do depósito. A existência de camadas de areia (C4) intercaladas a camadas de arenito resistente (C2/C1) pode ser identificada facilmente num talude natural, ou talude de escavação

XXX SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS 4

pela ocorrência de “cavas”, de formação arredondada com ou sem fluxo de água (ver fotos 1 e 2). Nick Doe (2004) se refere a estas cavas como tafoni definidas como “pequenas cavas, encontradas em rochas granulares como arenitos, granitos e calcários arenosos com entradas arredondadas e paredes lisas e côncavas, frequentemente conectadas, adjacentes e ou em networked”. Ver fotos 3,4, e 5. Algumas destas formações são verdadeiras esculturas naturais. As causas principais segundo Doe (2004) seriam:

“erosão salina” sobre a cimentação quando argilosa Ciclos de secagem e umedecimento em regiões áridas Variações estruturais na permeabilidade Influencia de gelo

Foto1 – “cavas” em arenitos

Foto 2 - “cavas” em arenitos

3. BARRAGENS COM FUNDAÇÃO EM ARENITOS NO BRASIL Apresenta-se neste artigo a experiência brasileira na construção de barragens em

arenitos no Brasil, baseada em artigos técnicos publicados e na experiência dos

autores. Inclui-se neste trabalho a experiência nas obras do Canal de Pereira

Barreto, interligação entre os reservatórios da UHE Ilha Solteira e UHE Três Irmãos,

devido à quantidade e boa qualidade dos estudos e ensaios em arenitos ali

realizados. Algumas informações e experiências em PCHs construídas

recentemente são também apresentadas e discutidas.

Foto 3 – Tafoni em arenito

Foto 4 – Tafoni em arenito


Foto 5 – Estratos de arenito C4 intercalados em arenitos mais resistentes

Dos registros de barragens construídas em arenitos no Brasil, 19 das quais são

incluídas na tabela III. Esta Tabela mostra que doze obras possuem estruturas de

concreto com fundação em arenitos, seis obras de terra com fundação em arenito e

uma é relativa a taludes de escavação de canal. Das que possuem estruturas de

concreto, oito tem fundação em maciço arenítico ou maciço de arenito brando e

quatro em solo arenoso.

Além das obras citadas na tabela III foram ainda construídas sobre arenito no Brasil

as barragens de Boa Esperança, Tinguís e Caldeirão (PI), Buriti, Garganta da

Jararaca, Paranatinga, Canoa Quebrada e Itiquira (MT), Espora (GO), Estreito (MA),

Gramame Mamuaba (PB), Ourinhos (SP/PR), Ponte de Pedra (MS).

Em função desta constatação e do grande contraste de propriedades e

comportamento existente entre as categorias C4/C3 (solo arenoso) e C2/C1(maciço

arenítico), pelo fato de as primeiras apresentarem propriedades e comportamento

típico de solos, e as segundas propriedades e comportamentos típico de maciços

rochosos constituídos por rochas brandas e/ou duras, torna-se fundamental, para

uma análise geotécnica mais aprofundada de barragens em arenitos no Brasil,

separar estes casos em dois grupos: um de estruturas com fundação em maciços

areníticos e outro de estruturas com fundação em solo arenoso.

3.1. Estruturas com fundação em maciços areníticos Destas obras destacam-se as Eclusas de Porto Primavera e a UHE Dona Francisca pelos estudos mais aprofundados do comportamento e propriedades dos arenitos. Inclui-se também, como dito anteriormente, as obras do Canal de Pereira Barreto devido aos valiosos estudos nelas realizados.


Tabela III – Barragens no Brasil construídas em arenitos

NOME ESTADO ANO DE

CONCLUSÃO ESTRUTURA MATERIAL DA FUNDAÇÃO

Anel Dom

Marco RS 1972

Vertedouro Maciço de siltito/arenito/folhelho

Baruíto MT 1992 Vertedouro e casa de

força Arenito friável (solo arenoso)

Canal de

Pereira

Barreto

SP 1990 Taludes Maciço de Arenito

Casca III MT 1971 Vertedouro Maciço de arenito

Curuá Una PA 1976 Vertedouro e Casa de

Força

Arenito Inconsolidado (solo

arenoso)

Dona

Francisca RS 2001

Vertedouro e Casa de

Força Maciço de arenito

Eclusas de

P.

Primavera

SP 1990 Taludes e Câmara de

carga Maciço de arenito

Isamu

Ikeda GO 1982 Vertedouro Maciço de Arenito brando

Jaburu I CE 1983 Vertedouro

Barragem de terra

Arenito coerente com

intercalações de arenito friável

(solo arenoso)

Jurumirim SP/PR 1962 Barragem de Terra Arenito friável

Mesa de

Pedra PI 2000 Barragem e Vertedouro Maciço arenítico

Piracuruca PI 1992 Vertedouro Arenito friável (solo arenoso)

Pitinga AM Casa de força Arenito brando

Porto

Primavera SP/PR 2003 Barragem de Terra Arenito friável

Pedra

Redonda PI 1999 Barragem de Terra Arenito friável - aluvião

Retiro

Velho GO 2008 Casa de força/Vertedouro Maciço de arenito brando

Rosana SP/PR 1987 Barragem de Terra Arenito brando

Sítio

Grande BA 2012

Barragem de terra e

vertedouro Arenito brando

Xavantes SP/PR 1970 Barragem de Terra Arenito brando

3.1.1. Eclusas de Porto Primavera – Pontal do Paranapanema Os estudos sobre os arenitos das Eclusas da UHE Porto Primavera foram publicados por Maranesi et al (1983), quanto aos aspectos geológico-geotécnicos dos arenitos nos taludes e na fundação da área de montagem, Nogueira Jr et. al. (1983), no tocante ao comportamento e tratamento dos arenitos nos taludes de escavação e Ré et. al. (1983), sobre as características geomecânicas. Os arenitos que formam os maciços onde foram implantadas as eclusas da UHE Porto Primavera pertencem à Formação Caiuá do Grupo Bauru de idade Cretácea. A Formação Caiuá ocorre nas regiões noroeste do Estado do Paraná, sudeste do Mato Grosso e no Pontal do Paranapanema no Estado de São Paulo. No local de implantação das eclusas ocorrem os seguintes tipos de arenito: Eclusa temporária


Arenito C1 a C2 na parte inicial e final do canal de montante, na câmara de carga e canal e ponte de jusante.

Arenito C3 a C4 no restante. Este arenito foi escavado com lâmina de trator. Durante as escavações os taludes sofreram ruptura devido à baixa coerência do arenito e a ocorrência de “fontes” com vazões da ordem de 1.000 litros/hora, obrigando ao abatimento dos mesmos.

Eclusa definitiva

Arenito C1 a C2 nos canais de montante e de jusante.

Arenito C3 a C4 intercalado com arenito C1 aC2 na câmara de carga e parte jusante do canal de montante

Área de montagem Esta estrutura encontra-se localizada na eclusa temporária junto à câmara de carga. A fundação da mesma é constituída por arenito rítmico de cor roxa com cimentação limonítica com coerência C2 a C1. As superfícies finais de escavação apresentaram escalonamento devido aos planos de acamamento. Os autores não mencionam o método de escavação, mas pode-se observar na Foto 6 de forma bastante clara meias-canas bem preservadas indicando o uso de explosivos. O comportamento do arenito nas paredes de escavação e na fundação de acordo com os dados e fotografias apresentadas nos artigos publicados é claramente de um maciço rochoso constituído por rocha arenítica e sistemas de fraturas, as quais foram responsáveis em grande parte pela ocorrência de algumas rupturas nos taludes e irregularidades na superfície de fundação devido às escavações a fogo. Os ensaios de laboratório e in situ realizados com amostras do arenito Caiuá das Eclusas foram: Caracterização, densidade natural e porosidade, Compressão simples, Cisalhamento direto, Compressão triaxial, Permeabilidade, Deformabilidade in situ, Erodibilidade e ensaios Dinâmicos.

Foto 6 – Eclusa temporária: área de montagem junto à

câmara de carga (Maranesi et al, 1983)

3.1.2. UHE Dona Francisca - Estado do Rio Grande do Sul

Os materiais constituintes das fundações da UHE Dona Francisca foram estudados principalmente por Antunes Sobrinho et. al. (1999) e Coulon et. al. (1983). O maciço de fundação das estruturas de concreto desta Usina Hidrelétrica é constituído por arenitos e níveis de siltito e argilito intercalados. No início dos estudos de projeto havia preocupação com o comportamento dos arenitos em relação à estabilidade


das estruturas, mas no decorrer dos estudos do Projeto Básico constatou-se que, na realidade, os condicionantes geológicos se referiam aos níveis de siltito/argilito devido à sua baixa resistência ao cisalhamento. Em vista disto os ensaios realizados foram conduzidos para caracterizar não somente os arenitos, mas principalmente estes níveis de materiais. Os resultados de ensaios de compressão uniaxial realizados com os arenitos, classificados em três tipos básicos, constam da Tabela IV onde se verifica que estes apresentam consideráveis resistências à compressão, todas correlacionáveis as categorias C1/C2 da Tabela I.

Tabela IV – resistência à compressão uniaxial dos arenitos

Arenito c (MPa)

1 5 a 29

2 4 a 12

3 17 a 22

Além dos ensaios de compressão simples foram realizados com os arenitos ensaios de massa específica aparente seca e saturada, porosidade aparente, absorção d´água e deformabilidade. Para os níveis de siltito/argilito, condicionantes da estabilidade das estruturas foram retiradas amostras para caracterização e ensaios da resistência ao cisalhamento. 3.1.3. Canal de Pereira Barreto – Estado de São Paulo Os estudos sobre os arenitos do Canal de Pereira Barreto foram publicados por Kaji et. al. (1981), a respeito dos aspectos metodológicos das investigações geológico-geotécnicas, por Koshima et. al. (1983), no tocante ao comportamento e propriedades geomecânicas, e por Koshima et. al. (1983), sobre os aspectos construtivos. Os arenitos que formam os maciços onde foi escavado o referido canal pertencem à Formação Santo Anastácio do Grupo Bauru, Grupo de idade Cretácea e que ocorre na maior parte do Planalto Ocidental do Estado de São Paulo, assim como no Triângulo Mineiro, sul do Estado de Goiás, sudeste do Estado do Mato Grosso e noroeste do Estado do Paraná. A litologia predominante deste Grupo é arenito fino a médio com grãos arredondados, com cimento argiloso, ferrífero e carbonático, de coloração castanha, marrom avermelhado a arroxeada. Ocorrem também neste Grupo arenitos grosseiros conglomeráticos, ricos em feldspatos e minerais pesados. No sítio da obra o pacote arenítico predominante é constituído por areias de granulação fina a média, cimentação argilosa e ferrífera, coloração avermelhada, por vezes amarelada e arroxeada, visualmente homogêneo. O sistema de fraturamento é pouco pronunciado. Outros dois tipos litológicos também são encontrados no maciço na forma de lentes sendo constituídos por arenito brechóide e argilitos, ambos com cimentação carbonática. Um terceiro tipo litológico também encontrado no maciço tem as mesmas características do pacote arenítico predominante exibindo, como diferencial alternância de laminas milimétricas de cor claras e marrom-avermelhadas. Na porção superficial do maciço ocorrem ainda depósitos aluvionares e coluvionares, além de solo residual de arenito tendo este também sido estudado do ponto de vista geotécnico. Devido ao aspecto homogêneo do arenito o mesmo foi subdividido em três categorias: B1, B2 e B3, em função da resistência à compressão simples, cujos resultados, juntamente com os do solo residual, são apresentados na Tabela V.


Tabela V – Resistência à compressão simples de solo residual

de arenitos e arenitos

Material Resistência à compressão simples (MPa)

Solo residual c < 0,4

Arenito B1 c < 1,2

Arenito B2 c < 3,6

Arenito B3 c

As principais propriedades, características e comportamentos destes arenitos estudados pelos autores inicialmente mencionados foram: Em laboratório :Caracterização e abrasão Los Angeles; Análise Petrográfica e mineralógica; Resistência à compressão simples; Resistência à tração; Resistência ao cisalhamento; Deformabilidade. Em campo:Tensões iniciais do maciço arenítico;Velocidade sísmica de refração; Permeabilidade do maciço arenítico; Comportamento do arenito submetido à intempéries; Material de construção; Material remanescente na superfície dos taludes; Erodibilidade na superfície dos taludes; Testes de escavação; Acabamento dos taludes Granulometria dos arenitos após escavação; Variação do lençol freático durante as

escavações; Desagregação do arenito; Recuperação da área; Determinação do topo

rochoso com base em SPT e sísmica.

Os arenitos estudados nas três obras anteriormente citadas são arenitos

predominantemente coerentes (C1/C2) cujo comportamento geomecânico se

aproxima de rochas cujo desempenho como materiais de fundação de estruturas de

concreto e estabilidade de taludes é considerado satisfatório. Não são suscetíveis a

fenômenos de erosão superficial e nem subterrânea como no caso dos arenitos

friáveis.

3.2. Estruturas com fundação em solos arenosos (arenito C4)

Das seis obras construídas em solos arenosos, aqui incluídas estruturas de concreto e barragens de terra, verifica-se que foram realizados ensaios geotécnicos de laboratório apenas na obra de Curuá-Una para avaliação do comportamento dos materiais como fundação das estruturas de concreto, sendo estes ensaios rotineiros (infiltração em furos de sondagem e triaxiais e de adensamento em laboratório) e nas obras de Porto Primavera e Pedra Redonda, onde as campanhas foram mais elaboradas, incluindo até ensaios de liquefação para estudo do comportamento das areias nas fundações das barragens de terra. Resultados dos ensaios destas duas últimas obras encontram-se em Cruz (1996). Ainda são poucos os estudos realizados em arenitos friáveis quando comparado com os arenitos coerentes, sendo que os tipos friáveis são os responsáveis pelo maior número de problemas nas obras tal como erosão interna (piping).

4. ANOMALIA E RISCO GEOLÓGICO O termo anomalia geológica pode ser empregado de duas formas: uma primeira utilizada em mineração referindo-se a ocorrência de um ou mais corpos com concentração elevada de minerais de interesse econômico em uma determinada região e uma segunda, normalmente incluída em documentos de contrato e relatórios técnicos de engenharia, significando feições geológicas conhecidas com probabilidade de impactar de forma negativa a estabilidade e a estanqueidade de


estruturas de engenharia, mas cuja previsão quanto as suas dimensões e forma exata de ocorrência é muito difícil. Por exemplo, cavernas, vazios e aberturas em formações carsticas são anomalias geológicas conhecidas, mas suas dimensões, extensão, forma e frequência de ocorrência em um determinado sítio dificilmente podem ser definidas em uma campanha de investigações realizada dentro de padrões usuais. O problema, portanto, não está em se prever a ocorrência de “anomalias geológicas”, porque tais anomalias são próprias da natureza dos maciços rochosos, mas em se prever em que medida tais formações requerem tratamentos e qual a extensão, custo, tipo, e prazos que serão necessários para sua execução. Em maciços rochosos das mais variadas naturezas sempre deverão ocorrer feições menos cimentadas, feições frágeis de baixa resistência, bolsões de areia em meio a um maciço mais resistente, feições permeáveis, formações de baixa resistência à passagem de água, blocos de quartzito de alta resistência, camadas de rochas duras e outras alteradas e/ou muito alteradas etc. A experiência dos últimos 50 anos mostra que a localização, a extensão, a forma de ocorrência, e as dimensões de tais feições só são possíveis de serem conhecidas plenamente quando se escava a área e as feições são expostas, mapeadas, medidas e ensaiadas. E é somente nessa ocasião que os tratamentos necessários podem ser definidos, dimensionados e executados. À luz destas considerações entende-se como risco ou imprevisto geológico a ocorrência de feições geológicas que apresentam interferência na estabilidade e/ou estanqueidade de estruturas de engenharia que não foram identificadas ou bem delimitadas nos estudos de projeto devido a limitações das técnicas de investigação e que se revelam somente nas escavações. No caso de arenitos tais feições são usualmente delgados estratos cruzados de arenito friável (C4) permeáveis e suscetíveis a piping intercalados em estratos cruzados de arenitos resistentes cuja distribuição espacial só é possível de ser conhecida nas escavações. Uma das formas de se minimizar a ocorrência de risco geológico em arenitos é a de se utilizar barriletes triplos nas sondagens para recuperação de 100% do material perfurado e perfilagem óptica dos furos (televisionamento). Além disto, delegar a um profissional experiente a incumbência de descrever os testemunhos das sondagens com base principalmente no grau de coerência do material e a interpretação e elaboração de seções e modelos geológicos seguindo os preceitos consagrados dos ambientes deposicionais de sedimentos. Somando-se a isto é fundamental que toda a equipe de projeto atue de forma integrada para que todos tenham pleno conhecimento da natureza e propriedades do maciço de fundação e que a escolha das melhores soluções de engenharia para implementação dos dispositivos de controle de fluxo seja feita de forma criteriosa e correta. 5. DISPOSITIVOS DE CONTROLE São inúmeros os dispositivos de controle de fluxo pela fundação de uma barragem que se podem utilizar para controle das vazões e combate ao piping. A escolha de cada tipo vai depender da natureza da fundação, altura da coluna d’ água, custo e cronograma. O sistema de controle de fluxo contemplando dispositivos de vedação e de drenagem para cada caso deve ser projetado e dimensionado com base em análises de percolação (por elementos finitos) as quais possibilitam avaliar a eficiência das possíveis soluções. Para isto é fundamental que a modelagem seja feita com base em dados de investigação e ensaios confiáveis.


5.1. DISPOSITIVOS DE VEDAÇÃO DA FUNDAÇÃO Os dispositivos de vedação têm por finalidade impedir total ou parcialmente a percolação pela fundação, neste caso reduzindo as vazões e os gradientes a níveis aceitáveis. Fundação de estruturas de concreto e barragens de terra ou enrocamento constituídas por arenito coerente (C1/C2). A percolação ocorre pelas fraturas e planos de acamamento podendo ser utilizado como dispositivo de vedação a clássica cortina de injeção com calda de cimento, pois nestas feições a calda penetra quando aplicada sob pressão. Fundação de estruturas de concreto e barragens de terra e enrocamento constituídas por arenito coerente (C1/C2) com intercalações de camadas delgadas ou pouco espessas de arenito friável (C4). A percolação ocorre pelas fraturas dos arenitos C1/C2 e pelas camadas de arenito friável. A utilização de injeção de cimento somente atinge as fraturas dos arenitos C1/C2, porque não conseguem penetrar nos poros do arenito friável. Os dispositivos de vedação da fundação têm como objetivo interceptar as camadas do arenito friável, o que se pode fazer com trincheiras ou chavetas preenchidas com solo (no caso de barragens) e concreto (estruturas). Se as feições permeáveis ocorrem também em profundidade tem-se recorrido a injeções de cimento que como vimos só é eficiente nas fraturas dos arenitos C1/C2. Se a ocorrência destas feições se estende também às ombreiras da barragem, uma solução mais radical pode ser necessária para evitar que a água percolada surja à jusante e instabilizando taludes da ombreira a jusante da obra. Nesse caso pode-se recorrer ao Jet-grounting, ou mesmo a um diafragma plástico penetrando ombreira adentro. Fundação de barragens de terra ou enrocamento constituída por camada de arenito friável com pequena espessura sobre arenito coerente. Cutoff com profundidade de 3-4 m ou até atingir o arenito coerente conjugado com tapete impermeabilizante a montante pode ser suficiente. Para garantir-se uma boa performance do tapete os autores recomendam a aplicação de uma manta tipo PEAD, sob o tapete. Fundação de barragem de terra ou enrocamento constituída por camada de arenito friável com espessura média sobre arenito coerente. Cutoff conjugado com trincheira de vedação, desde que o fundo fique em arenito coerente pode ser suficiente. Como nos demais casos este tratamento deve ser completado com um sistema de drenagem a jusante. Barragem de terra ou enrocamento de pequena altura fundada em camada de arenito friável com grande espessura sobre arenito coerente. Trincheira de vedação parcial, mesmo não alcançando a rocha impermeável, juntamente com tapete impermeabilizante a montante pode ser suficiente. Analisar as condições das ombreiras.


Foto 7: camada de siltito intercalada em

arenito apresentando desagregação

(erosão) quando exposta as condições

ambientes.

Foto 8: orifícios e juntas formadas em

arenito devido ao fluxo pela fundação.

Barragem de terra ou enrocamento com grande altura, em fundação constituída por camada de arenito friável com grande espessura sobre arenito coerente. A solução com trincheira de vedação pode exigir escavações profundas porque é necessário atingir o arenito coerente. Uma combinação de uma trincheira parcial trapezoidal seguida de uma trincheira vertical (tipo cut-off) preenchida com solo argiloso ou concreto dependendo da compressibilidade do arenito friável atingindo o arenito coerente pode ser aceitável. O tratamento das ombreiras pode requerer como no caso anterior uma solução mais radical Este tratamento deve se estender às ombreiras. A solução por Jet-grounting visa a formação de uma “parede” formada por colunas adjacentes alinhadas, ou em 2 linhas para melhor vedação. Soluções por Jet-grountig nem sempre conseguem ser efetivas, porque a formação das colunas depende da penetração e remoção do arenito friável. Nestes casos o diafragma plástico é mais garantido. 5.2. DISPOSITIVOS DE DRENAGEM O controle efetivo do fluxo resultante da percolação da água e as perdas que podem ocorrer nos sistemas de vedação das estruturas, só é conseguido combinando-se a vedação com a drenagem. Esta tem a função de conduzir as águas percoladas ou que passam pelas estruturas para fora da área da fundação e das ombreiras de forma segura. Complementando os dispositivos de vedação indicados no capitulo anterior, o projeto de drenagem, abrangendo filtros verticais, drenos horizontais, poços de alívio, trincheiras drenantes, tapetes drenantes, etc, são soluções de proteção importantes no tratamento de fundações em arenito. Estas soluções de vedação e drenagem requerem investigações de campo e exposição das fundações e ombreiras muitas vezes ainda pouco conhecidas na fase de projeto, por exemplo, ocorrência de “cavas” mencionadas no item 2 deste relatório podem estar mascaradas pelas camadas de solo e pela vegetação e só são conhecidas quando o solo e a vegetação são removidos. A erosão interna e piping são responsáveis pela maioria dos acidentes e rupturas de barragens. No caso de fundação em arenitos, a construção de cutoff, sistema de drenagem interna, drenos de alívios e a colocação de materiais granulares na áreas


de jusante, de modo a reduzir-se os gradientes de fundação e de saída são soluções aplicáveis e que têm garantido à segurança na fase pós enchimento. O dimensionamento e a escolha dos materiais do sistema de drenagem interna, fazem parte do conjunto de medidas de proteção, que não podem ser minimizadas pelo projetista, entre essas medidas estão os Critérios de Filtro (Terzaghi - Bertram) e de retenção, empíricos, entre os materiais de filtros e da base, que devem ser aplicados. Esses critérios consideram os temas de retenção (e proteção contra erosão progressiva) e de permeabilidade. Na escolha dos materiais a serem aplicados nos drenos, filtros e transições, outras considerações devem ser atendidas tais como: granulometria e potencial de segregação dos materiais, materiais não coesivos, etc. O critério de limitar-se o diâmetro Dmax do grão ou partícula a 7,5 cm (3 polegadas) de modo a limitar-se a segregação durante o lançamento (filtros sanduiches, transições núcleo de solo e enrocamento), deve ser considerado na fase de projeto e observados na construção. Materiais bem graduados, com CNU (D60/D10) ≥ 25 não são recomendados. Materiais bem graduados, como cascalho ou britas largamente graduados, potencialmente tornam incompatíveis e ao não atendimento ao Critério F15/B85 de filtro, de Terzaghi-Bertram, abaixo mencionado: i) para prevenir o piping e proteção contra ao carreamento de partículas de arenito:

585

15 B

F

Sendo B material base a proteger e F (filtro).

Os materiais coesivos são, em geral, menos suscetíveis ao piping. Cruz [7] recomenda que desde que haja experiência nos materiais em estudo e se executem ensaios especiais de filtragem, o valor pode ser acima de 5. ii) Para atender a condição de dreno, deve-se atender à condição abaixo:

515

15 B

F

Ambas as expressões são bastante conhecidas na Engenharia de Barragens.

Complementarmente, na escolha da areia, a limitação da percentagem de finos <

#200 (0.0074mm) < 3% é altamente recomendada, em vista da influência sensível

de finos na permeabilidade dos materiais dos drenos.

Em ombreiras muito inclinadas recomenda-se que as transições sejam alargadas, em vista de ocorrência de zonas de tensões e trincas nessas áreas. Recomendação essa estendida em regiões sujeitas a fenômenos sísmicos. Um dos fenômenos potenciais de ocorrências em arenitos, assim como em solos aluvionares, é a formação de orifícios como os tafoni e outras feições como os das fotos 7 e 8, que posteriormente com aumento das infiltrações levam à formação de crateras ou orifícios (sinkholes) e a intensa erosão interna com a ocorrências de rupturas, caso não haja intervenção imediata. Sherard [8] relata a ocorrência de crateras (sinkholes) após intervenções por injeções nas fundações, em barragens de solos de origem glacial ou com propriedades semelhantes, tais como: granulometria altamente bem graduadas com diâmetro máximo (Dmx) de cascalho ou britas e siltes e argilas no lado fino da curva granulométrica.


De Mello [9] aborda o tema da erosão interna e instabilidade, e resistência da porção fina, propondo que analiticamente o material pode ser dividido granulometricamente em duas porções no peneiramento e sedimentação, com respeito do Critério de Filtros de modo a avaliarem-se as variações de granulometria dos solos naturais. Sherard aplicou o método em um solo glacial (que podem resultar também de misturas de solos aluvionares e coluvionares ou de aluviões), separando a granulometria do solo em duas porções na fração de 1,0mm. Obtendo-se assim, duas curvas: a fração fina (< 1,0 mm), onde se obtém o valor de D85. E, uma fração grossa (>1,0mm) onde se obtém o D15. O exemplo citado por Sherard mostrou não atendimento do solo aos Critérios de Filtros, com esse método analítico ( D15/D85< 4 a 5). Na prática, se ambos os solos fossem colocados adjacentes, a porção mais fina poderia potencialmente penetrar nos vazios da fração mais grossa, durante a percolação. Ou no caso extremo, o arrasto do material fino através dos vazios poderia iniciar um processo de erosão interna. Em fundação de arenito, onde a execução de injeções ao longo do eixo sob o cutoff e nas ombreiras torna-se frequentemente pouco efetivas, a ocorrência de sinkholes na fundação do maciço de jusante pode ocorrer se uma “barreira” de proteção (parede diagrama ou muro de concreto), não for executada. Uma das razões pela não efetividade das injeções é a dissolução da cimentação dos arenitos com a passagem da água. Na medida em que a cimentação do arenito se perde por reações químicas entre a água e o “cimento”, o arenito se torna areia fina, facilmente carreável se houver saída livre a jusante. O processo erosivo ocorre de traz para frente, ou seja, de jusante para montante. Este fenômeno ocorreu numa barragem no Estado do Ceará na fundação de vertedor, canal de descarga e em uma das ombreiras, em varias ocasiões e vários anos após o termino da construção da barragem. Souza[11]. 6. CONCLUSÕES FINAIS Em maciços rochosos de arenitos, sempre deverão ocorrer feições menos cimentadas, feições frágeis de baixa resistência, bolsões de areia em meio a um maciço mais resistente, feições permeáveis e formações de baixa resistência, formando caminhos preferencias de passagem de água e formação de erosão interna. A experiência das ultimas décadas mostra que a localização e as dimensões de tais feições só são possíveis de serem conhecidas plenamente quando as feições são expostas, mapeadas, medidas e ensaiadas. E é somente nessa ocasião que os tratamentos necessários podem ser definidos ou corrigidos e executados. O programa de investigações deve utilizar barriletes triplos nas sondagens para

recuperação de 100% do material perfurado e perfilagem óptica dos furos, além da

participação de profissionais experientes na descrição e classificação dos

testemunhos das sondagens, com base principalmente no grau de coerência do

material, interpretação, elaboração de seções e modelos geológicos. Todos esses

procedimentos, infelizmente nem sempre seguidos, contribuem para ampliar a

ocorrência de risco geológico em arenitos e colapso das estruturas e taludes

naturais.

7. PALAVRAS-CHAVE Key words: barragens, arenitos, geologia-geotecnia, dispositivos de controle.


8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Gudicini et al 1972 – um método para a classificação preliminar de meio rochoso. 4ª Semana de Geologia Aplicada.São Paulo.A.P.G.A.Nov./Dez Tema 3p.275-282. [2] Maranesi, D.A.; Araújo, J.S.; Marques, J.D.; Oliveira, C.A. Serra Jr.,E.;

Vasconcellos, M.L. (1983) Aspectos geológico-geotécnicos do arenito da Formação

Caiuá na fundação das eclusas e Usina Porto Primavera. Simpósio Bacia do Alto

Paraná. ABGE/ABMS/CBMR. São Paulo.Tema IIB.

[3] Koshima et al 1983 – Aspectos Construtivos de um Canal em Rocha Branda – arenito Bauru.Simpósio sobre a Geotecnia da Bacia do Alto Paraná,vol.II Bp.193-210 – ABMS-ABGE-CBRM, São Paulo. [4] Oliveira J.E. Caruso L.G. 1979 – Caracterização Tecnológica de Rochas Sedimentares Cimentadas por Óxidos de Ferro. In: Simpósio Regional de Geologia 2º - Rio Claro – Atas São Paulo S.B.G.v.2p. 23-28. [5] Koshima et al 1983-Comportamento e propriedades geomecânicas do arenito Bauru. Simpósio sobre a Geotecnia da Bacia do Alto Paraná,vol.IIB.p.173-192.ABMS-ABGE-CBMR.São Paulo.

[6] Kaji et al 1981 – Aspectos metodológicos das investigações geológicas e geotécnicas dos arenitos Bauru.3º CBGB, ABGE Itapema v.2p. 257-270. [7] Cruz, P. T. (1995) 100 Barragens Brasileiras – Editora Oficina de Textos

[8] Sherard, J.L. (1979) Sinkholes in Dams of Coarse, Broadly Graded Soils, ICOLD,

13o , New Delhi. India.

[9] De Mello, Victor F.B. (1975) Some Lessons from unsuspected, real and fictitious

problems in Earth dams engineering in Brazil , Sixth Regional Conference for Africa

on Soil Mechanics & Foundations Engineering Durban, South Africa, Sept. 1975.

[10] Pastore, E.L. & Fortes, R.M. (1998) Caracterização e classificação de solos. In:

Oliveira, A.M.& Brito, S. 1998. Geologia de Engenharia. ABGE. São Paulo.

[11] Souza,L.N. – Avaliação do Comportamento da Fundação de Barragens em

Rocha Arenítica – Estudo de casos da Barragem Jaburu I – FTZ- 2013.

[12] Nick Doe – Shale -2004 – What makes holes in Sands tones.

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