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© LNEC 2012 © LNEC 2012
PROGRESSÃO DA EROSÃO INTERNA EM
BARRAGENS DE ATERRO
Ricardo [email protected]
Bolseiro de DoutoramentoDepartamento de Geotecnia
Núcleo de barragens e obras de aterro
OrientadoresLaura Caldeira
Emanuel Maranha das Neves
© LNEC 2012
Múltiplos fins
BARRAGENS
Produção de energia elétrica
Controlo de cheias
Abastecimento de água potávelRega
Armazenamento de rejeitados
Usos recreativos
Relevância das barragens na sociedade
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Relevância das barragens na sociedade
RoturaBARRAGEM
Perdas humanas
Problemas económicos
Problemas sociais
Problemas políticos
Questões ambientais
© LNEC 2012 Fonte: ICOLD
Relevância das barragens de aterro
© LNEC 2012 Fonte: ICOLD
Relevância das barragens de aterro
© LNEC 2012
Galgamento46%Erosão
interna 48%
Instabilidade de taludes
4%
Sismo2%
Modos de rotura das barragens de aterro
Fonte: Foster, Fell e Spannagle (2000)
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Fuga de água a jusantedo núcleo e início de
erosão regressiva
FASE 1INICIAÇÃO
Continuação da erosão paramontante do núcleo
Ausência ou funcionamentoincorrecto do filtro subvertical
FASE 2CONTINUAÇÃO/FILTRAGEM
FASE 3PROGRESSÃO PARA EROSÃO TUBULAR
Progressão da erosão para aformação de um canal até ao
paramento de montante
Albufeira vazia
Corte transversal pela brecha
Rotura dabarragem
B
B'
FASE 4FORMAÇÃO DE BRECHA
Fases do processo de erosão interna
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FASE 1 - INICIAÇÃO DA EROSÃO
FASE 2 - CONTINUAÇÃO/FILTRAGEM
FASE 3 - PROGRESSÃO PARA EROSÃO TUBULAR
• Erodibilidade do solo• Capacidade do material permanecer com tubo aberto• Limitação do caudal por materiais de montante
FASE 4 - FORMAÇÃO DE BRECHA
Fases do processo de erosão interna
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Tunbridge Dam, Tasmânia, Austrália, 11/28/2008Fonte: Jeffery Farrar (2008)
Progressão para erosão tubular
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Fonte: Hanson e Hunt (USDA, 2007)
Progressão para erosão tubular
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Ensaio de erosão por fuga concentrada
l/h
Válvula de controlo
Cota variável entre300 mm e 1100 mm
Piezómetro demontante
˜ 200 mm
Dreno
Régua
Tanque de jusante
Dreno
Piezómetro dejusante
Purgade ar
Purgade ar
Cascalho uniforme limpo comparticulas de 20 mm a 30 mm
Medidor de caudalelectromagnético
Câmara dePerspex deMontante
Furopré-formadoØ6 mm
Tanque de montanteabastecido por reservatório
elevado de grande capacidade
Solo compactadono molde Proctor
Câmara de Perspexde Jusante
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Ensaio de erosão por fuga concentrada
© LNEC 2012
Ensaio de erosão por fuga concentrada
© LNEC 2012
Ensaio de erosão por fuga concentrada
© LNEC 2012
Ensaio de erosão por fuga concentrada
© LNEC 2012
Ensaio de erosão por fuga concentrada> Furo no final do ensaio
© LNEC 2012
tempo (s)
Cau
dal (
l/h)
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000200
280
360
440
520
600
680
760
840
920
1000
004a
005
006a008
009 010
011
012a
013Ensaios HET
004a005006a008009010011012a013
Ensaio de erosão por fuga concentrada> Evolução dos caudais nos ensaios com progressão da erosão
© LNEC 2012 Tempo (s)
Estim
ativ
a do
diâ
met
ro d
o fu
ro p
ré-fo
rmad
o, D
t (m
m)
dDt/d
t (m
m/s
eg)
0 500 1000 1500 2000 2500 30006 0.0015
8 0.003
10 0.0045
12 0.006
14 0.0075
16 0.009
18 0.0105
Ensaio 008Estimativa do diâmetro do furo, Dt(mm)y=6.199+0.00647x-3.035×10-6x2+7.672×10-10x3
dDt/dt
Ensaio de erosão por fuga concentrada> Mecânica dos fluidos → Evolução do diâmetro do furo
2d t
tdDdt
ρε =&
. . .4
tt w t
Dg iτ = ρ
Tensão de corte
Taxa de erosão
© LNEC 2012 τ (N/m2)
ε (k
g/m
2 /s)
75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 3500
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
0.008
0.009
0.01
τc=153.5 N/m2ker=5.87x10-5 s/m; IHET=4.24
.
y= -0.00901 + 5.87×10-5 x
Ensaio 008τ vs εε=ker (τ-τc), com IHET= -log(ker)
( )t er t ckε = τ − τ&
( )logHET erI k= −
Ker – Coeficiente de erosãoτc – Tensão de corte crítica
Índice de taxa de erosão
> Estimação dos parâmetros de erodibilidade, IHET e τc
Ensaio de erosão por fuga concentrada
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Grupo Índice de taxa de erosão, IHET
Descrição da erosão através de uma fuga
1 <2 Extremamente rápida
2 2–3 Muito rápida
3 3–4 Moderadamente rápida
4 4–5 Moderadamente lenta
5 5–6 Muito lenta
6 >6 Extremamente lenta
Ensaio de erosão por fuga concentrada> Classificação da erodibilidade em função de IHET
© LNEC 2012
Ensaio de erosão por fuga concentrada> Resultado de IHET nas curvas de compactação
Teor em água, w [%]
Peso
vol
úmic
o se
co, γ
d [k
N/m
3 ]
12 13 14 15 16 17 18 1916.5
17
17.5
18
18.5
19
19.5
20
20.5
21
Sr=100%
Sr=90%
Sr=80%Sr=70%
4.24
4.49
4.39
4.70
4.11 4.60
3.76
Curva de saturação (Gs=2.8)
4.48 4.61
Energia de compactaçãoLevePesada"Reduzida"Pesada (IHET>6)"Reduzida" (IHET>6)
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Ensaio de erosão por fuga concentrada> Resultado de τc (N/m2) nas curvas de compactação
Teor em água, w [%]
Peso
vol
úmic
o se
co, γ
d [k
N/m
3 ]
12 13 14 15 16 17 18 1916.5
17
17.5
18
18.5
19
19.5
20
20.5
21
Sr=100%
Sr=90%
Sr=80%Sr=70%
151.6
170
204.5
250.2
178.3
239.1
143.2
151.4
228
Curva de saturação (Gs=2.8)
ND = Não foi possível determinar τc, dado que o furo não erodiu
Energia de compactaçãoLevePesada"Reduzida"Pesada (ND)"Reduzida" (ND)
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Limitação da progressão da erosão
Material demontante
Erosão tubularPreenchhimento com material de montante
Filtro inexistente ou sem capacidadede reter as partículas do núcleo
Assentamento sucessivo domaterial com o arrastamento daspartículas para o interior do tubo
Núcleo
Partículas do material demontante são retidas pelo filtro
Poço
Enrocamento Enrocamento
> Restrição do caudal> Preenchimento do tubo de erosão
Influência de materiais a montante do núcleo
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WAC Bennett Dam | Canadá
Altura de aterro=186 m | Comprimento= 2 kmProdução de energia elétrica= 13 biliões kWh/ano
Fonte: Steve Garner, BCHydro (2007)
Limitação da progressão da erosão
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Ensaio de limitação da progressão da erosão
Placa devidro acrílico
l/h
Medidor de caudalelectromagnético
Válvula decontrolo
Água proveniente detanque elevado
Tanque de jusante
Tanque de montante1250 mm a 2250 mm
200 mm
Válvula decontrolo
Núcleo Material demontante
Piezometrode montante
Piezómetroda interface
Piezómetrode jusante
Purga Purga
Régua(mm)
2 molasconcéntricas
Câmaradigital Câmara de
jusante
Furopré-formado
2300
2200
2100
2000
1900
1800
400
300
200
100
50
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Etapa 1
Etapa 2
Etapa 3
Etapa 4
Etapa 5
Etapa 6 Etapa 7
Núcleo
Material de montante
Ensaio de limitação da progressão da erosão > Etapas da assemblagem do equipamento > Compactação/furação da amostra de ensaio
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Material de montante
Núcleo
Ensaio de limitação da progressão da erosão > Célula de ensaio
© LNEC 2012Tamanho das partículas (mm)
Perc
enta
gem
acu
mul
ada
pass
ada
em p
eso
0.001 0.002 0.005 0.01 0.020.03 0.05 0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 1 2 3 4 5 6 78 10 20 30 50 70 100
2"11/2"1"3/4"3/8"#4#10#20#40#60#100#200
0
20
40
60
80
100Caracteristicas dos materiais de montante com finos com plasticidade
Tipo A - Zona de elevada permeabilidade (cascalho limpo)Tipo B - Material com 5% a 15% finos com plasticidade B1 - Material oriundo da barragem de Odelouca (material que passa peneiro de 2"), capaz de suportar um tubo aberto B2 - Material com curva descontinua (internamente instável)Tipo C - Material com >15% finos com plasticidade, capaz de suportar um tubo aberto C - Material B1 truncado ao peneiro 3/4"
Fronteira de 5%
Fronteira de 15%
Curvas GranulométricasTipo ATipo B1Ttipo B2Tipo CMaterial Base
Ensaio de limitação da progressão da erosão
© LNEC 2012Tamanho das partículas (mm)
Perc
enta
gem
acu
mul
ada
pass
ada
em p
eso
0.001 0.002 0.005 0.01 0.020.03 0.05 0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 1 2 3 4 5 6 78 10 20 30 50 70 100
2"11/2"1"3/4"3/8"#4#10#20#40#60#100#200
0
20
40
60
80
100Caracteristicas dos materiais a montante com finos não plásticos
Tipo D - Material com <15% finos não plásticos D2 - Material com curva granulometrica descontinua (internamente instável)Tipo E - Material com 15% a 30% finos não plasticos, capaz de suportar um canal E1 - Material oriundo da Barragem de Ribeiro Grande e Arco (< 2") E2 - Material E1 truncado ao peneiro 3/4" Tipo F - Material com >30% finos não plásticos, capaz de suportar um canal F - Material D1 truncado ao peneiro 3/8"
Fronteira de 15%
Fronteira de 30%
Curvas GranulométricasTipo E1Tipo D2Tipo E2Tipo FMaterial base
Ensaio de limitação da progressão da erosão
© LNEC 2012 Tempo (min)
Cau
dal (
l/h)
Pres
são
piez
omet
rica
(cm
)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 221150 15
1200 30
1250 45
1300 60
1350 75
1400 90
1450 105
1500 120
1550 135
1600 150
1650 165
1700 180
1750 195
Caudal
MONT INT
JUS
Caudal (l/h)Pressão no piezometro a montante (cm)Pressão no piezometro na interface (cm)Pressão no piezometro ia jusante (cm)
Ensaio de limitação da progressão da erosão > Resultados: Progressão da erosão sem restrição do caudal
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Ensaio de limitação da progressão da erosão > Resultados: Progressão da erosão sem restrição do caudal
Núcleo Material demontante
Df=20mm Df= 48mm
© LNEC 2012 Tempo (min)
Cau
dal (
l/h)
Pres
são
piez
omét
rica
(cm
)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 901100 0
1200 30
1300 60
1400 90
1500 120
1600 150
1700 180
Caudal
MONT
INT
JUS
Caudal começa a estabilizar nos 1350 l/h
Água com baixa turvação no inícioÁgua aclara ao fim de 50 minutos
Caudal (l/h)Pressão piez Montante (cm)Pressão no piezómetro da interface (cm)Pressão no piezometro de jusante (cm)
Ensaio de limitação da progressão da erosão > Resultados: Restrição do caudal a montante
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Df= 26mm Df= 12mm
Núcleo Material demontante
Ensaio de limitação da progressão da erosão > Resultados: Restrição do caudal a montante
© LNEC 2012 Tempo (min)
Cau
dal (
l/h)
Pres
são
piez
omet
rica
(cm
)
0 20 40 60 80 100 120 1400 0
200 40
400 80
600 120
800 160
1000 200
1200 240
1400 280
Caudal
MONTINT
JUS
Alívio da pressão por remoção de água no piezómetroReabertura da torneira do piezómetro
Fecho da torneira do piezómetro intermédio
Colmatação do furo
Caudal (l/h)Pressão no piezometro a montante (cm)Pressão no piezometro na interface (cm)Pressão no piezometro a jusante (cm)
Ensaio de limitação da progressão da erosão > Resultados: Caudal cessa por completo
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Ensaio de limitação da progressão da erosão > Resultados: Caudal cessa por completo
Df= 14mm
Núcleo Material demontante
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Cau
dal (
l/h)
Altu
ra p
iezo
mét
rica
(cm
)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100 0
500 100
1000 200
1500 300
2000 400
Caudal
MONT
INTJUS
Provável bloqueio do furo a montante do piezometro INT
Provável colapso progressivo do furo no material a montante
Formação de um novo caminho de erosão
Caudal (l/h)Pressão piez MONT (cm)Pressão piez INT (cm)Pressão piez JUS (cm)
Ensaio de limitação da progressão da erosão > Resultados: Erosão diminui durante um período tempo
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Ensaio de limitação da progressão da erosão > Resultados: Erosão diminui durante um período tempo
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>O ensaio permite avaliar se existe restrição do escoamento e se a erosão cessa ou diminui devido à presença de um material a montante do núcleo.
>A restrição do escoamento é influenciada por algumas características do material de montante (finos plásticos ou não plásticos, % finos, % cascalho, forma da curva granulométrica, ...).
>As condições de compactação do material de montante influenciam a capacidade de restrição do escoamento e de limitação da erosão.
Conclusões
© LNEC 2012 © LNEC 2012
PROGRESSÃO DA EROSÃO INTERNA EM
BARRAGENS DE ATERRO
Ricardo [email protected]
Bolseiro de DoutoramentoDepartamento de Geotecnia
Núcleo de barragens e obras de aterro
OrientadoresLaura Caldeira
Emanuel Maranha das Neves
