COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS XXV SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS SALVADOR, 12 A 15 DE OUTUBRO DE 2003

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T92 – A25

SAPROLITOS COMPACTADOS NA CONSTRUÇÃO DE BARRAGENS DE TERRA E ENROCAMENTO: O CASO DA BARRAGEM DO SOSSEGO

José Mário Queiroga Mafra, M.Sc.

GOLDER ASSOCIATES BRASIL

Rui Taiji Mori, M.Sc.

RESUMO Apresenta-se neste artigo uma revisão das experiências brasileira e internacional sobre a utilização de saprolitos na construção de barragens, com o objetivo de sintetizar a experiência existente na caracterização, aplicação e controle da construção de maciços. São apresentados os conceitos atuais que constituem o “estado da arte”. Juntamente com dados relativos às barragens já construídas, são apresentados os dados de projeto e construção da Barragem para contenção de rejeitos da Mina do Sossego, localizada no município de Canaã dos Carajás, no estado do Pará, cuja primeira fase de implantação foi concluída em dezembro de 2002. ABSTRACT This paper presents an overview on the brazilian and international experience in construction of dams using compacted saprolite soils, in order to summarize the existing knowledge about this kind of earth dams construction material, regarding its characterization, application and construction control. It discusses modern concepts of the “state of art”, which are applied nowadays in most current dam designs using saprolite soils as construction material. Gathering the data relative to constructed dams in Brazil, it is presented data about Sossego Project (copper mine) Tailings Dam, which had its first construction phase finished in December, 2002. This is the most recent dam constructed with saprolite soil in Brazil. 1- INTRODUÇÃO Os solos saprolíticos vem sendo utilizados na construção de maciços de barragens de terra e núcleos de barragens de enrocamento desde o final da década de cinqüenta. Os primeiros relatos de utilização de solos saprolíticos na

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construção de barragens foram apresentados nos anais do Congresso Internacional de Grandes Barragens, acontecido no México, em 1976. No Brasil, as primeiras experiências com a utilização de saprolitos iniciaram na década de setenta, nas obras de construção de usinas hidrelétricas na Bacia do Alto Paraná. Este horizonte de solos, típico dos climas tropicais, era relegado a um segundo plano, pois ocorrem na natureza, com aspecto heterogêneo, e em geral, com umidade elevada. O preconceito contra a utilização de tais solos era resultante ainda da grande dificuldade de sua caracterização geotécnica por meio dos ensaios rotineiros de laboratório, pois o preparo da amostra (destorroamento, secagem prévia) descaracterizava o saprolito por meio da destruição de sua característica fundamental que é a estrutura herdada da rocha que lhe deu origem. Contribuía ainda para sua não utilização, o desconhecimento das propriedades dos solos residuais, por parte dos Consultores Internacionais que acompanhavam o projeto e a execução das grandes barragens brasileiras. Entretanto, a abundância destes solos no Brasil, e de modo particular na Bacia do Alto Paraná, onde eram construídas as maiores barragens brasileiras nos idos da década de setenta, chamou a atenção para o aproveitamento destes solos. Diversos estudos foram realizados, e face a importância econômica da utilização destes materiais, a ABMS – Associação Brasileira de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica criou o Comitê Brasileiro de Solos Tropicais, que muito contribuiu para desmistificar as intrincadas propriedades dos solos brasileiros, criando uma metodologia autóctone para sua caracterização, aplicação e controle de construção de maciços de barragens homogêneas e núcleos de barragens de enrocamento. Neste artigo é feita uma revisão das experiências brasileira e internacional sobre a utilização de saprolitos na construção de barragens, com o objetivo de sintetizar a experiência existente na caracterização, aplicação e controle da construção de maciços compactados, visando divulgar sua utilização para as novas gerações de Engenheiros Geotécnicos. O trabalho apresenta os conceitos atuais que constituem o “estado da prática” na utilização de saprolitos. Juntamente com dados relativos às barragens já construídas, são apresentados os dados da Barragem de Rejeitos da Mina do Sossego, localizada no município de Canaã dos Carajás, no estado do Pará. 2- SÍNTESE DAS EXPERIÊNCIAS BRASILEIRA E INTERNACIONAL As primeiras referências sobre estudos de solos residuais no Brasil remontam ao ano de 1947. Quando em visita ao país, o Prof. Karl Terzaghi, em uma de suas palestras, ressaltou que “estudar e descobrir as intrincadas propriedades dos solos residuais era a tarefa dos engenheiros brasileiros” (Caputo, 1976). Foram os escorregamentos de taludes na Serra do Mar que ensejaram os primeiros estudos sistemáticos dos solos residuais brasileiros. Vargas (1953, 1969) foi o primeiro autor a descrever o perfil de intemperismo dos solos da região centro sul do Brasil, tendo feito algumas revisões posteriores. Barata (1969) também elaborou a sua descrição do perfil de intemperismo. No

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respeitante às barragens de terra, a década de setenta foi profícua para os estudos das propriedades dos saprolitos, tendo em vista a necessidade de conhecimento sobre o comportamento destes solos, tanto como fundação, quanto como material de construção para maciços compactados. Tais estudos coincidiram com a época de construção das maiores barragens de terra brasileiras, principalmente na região centro sul, na bacia do rio Paraná, onde a ocorrência de solos saprolíticos é generalizada. Assim, apareceram nesta fase os trabalhos de De Mello (1972), Mori et al. (1978), Mori (1979a, 1979b, 1983), Bourdeaux (1980), Bourdeaux et al. (1983) e Leme (1981, 1984). Todos estes autores trataram da identificação, ensaios de laboratório para obtenção das propriedades índices e comportamento dos saprolitos oriundos de diversas litologias, aplicados na construção de barragens homogêneas e em núcleos de barragens de enrocamento. Não obstante tantos estudos sobre os solos saprolíticos, naquela época, qualquer material que não fosse argila coluvionar vermelha, era genericamente chamado de “material não convencional” e sua aplicação na construção de maciços compactados para barragens era encarada com reservas. Tais reservas estavam vinculadas à trabalhabilidade dos materiais. Em geral, os solos saprolíticos tem elevada umidade “in situ”, em relação à sua umidade ótima de compactação referida ao ensaio de Proctor Normal. Some-se a estes fatos a característica visual “desuniforme uniforme” descrita por Vargas (1964) e interpretada por Mori et al. (1978) como solos “heterogeneamente homogêneos”. Além disso, existia uma grande polêmica com relação aos ensaios de caracterização, tendo em vista que estes ensaios foram originariamente concebidos para solos de natureza sedimentar. No caso dos saprolitos, as estruturas reliquiares oriundas da rocha que lhes deu origem eram destruídas no preparo de amostras para os ensaios, o que introduzia modificações no corpo de prova compactado, não refletindo o real comportamento do material. Mori (1983), divide a utilização de solos saprolíticos em duas etapas distintas – até meados da década de setenta, quando as explorações das áreas de empréstimo terminavam no topo dos solos saprolíticos, e o período subsequente, no qual os saprolitos compactados são considerados materiais apropriados para a execução de maciços de terra e núcleos de barragens de terra-enrocamento, sempre que utilizados adequadamente. No plano internacional, citam-se os trabalhos de Villegas e Mejia (1976) onde são relatadas a construção, na Colômbia, de seis barragens com saprolitos, e do Korea National Commitee (1976) onde é descrita a utilização de saprolitos de granito na barragem de Andong, conforme exposto por Bourdeaux (1980). Um trabalho de grande repercussão internacional, publicado por Deere e Patton (1971), sintetizou o conhecimento existente àquela época, constituindo um relatório do estado da arte sobre os solos residuais. Neste artigo, os autores propuseram um perfil de intemperismo, com subdivisão dos horizontes em seis categorias.

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Posteriormente, De Mello (1972) sugeriu o reagrupamento destas subdivisões, em apenas três, assim constituídos: horizonte superior – composto por solo residual maduro, sem vestígios da rocha mãe, tratado como solo de acordo com os preceitos clássicos da Mecânica dos Solos; horizonte intermediário – composto por saprolito, cujo comportamento é de solo, mas que deve levar em consideração as heterogeneidades e descontinuidades impostas pelas estruturas reliquiares; horizonte inferior – constituído por rocha decomposta, nas suas diversas gradações. O material deste horizonte tem comportamento de rocha fraca com descontinuidades igualmente fracas, e é regido pela Mecânica das Rochas. Mori et al. (1978) também propuseram unificar alguns horizontes na classificação proposta originalmente por Deere e Patton (1971). Tal simplificação facilita a identificação dos materiais e é suficiente para aplicações práticas de engenharia. Assim, a proposição de Mori et al. (1978) distingue três horizontes: Zona I – Solo residual maduro; Zona II – Saprolito / Rocha muito alterada; Zona III – Rocha pouco alterada, capeando a rocha sã. Nesta classificação, o saprolito constitui a base da Zona I, solo residual maduro, em geral poroso, homogêneo e sem vestígios da estrutura da rocha que lhe deu origem. O saprolito apresenta a estrutura herdada da rocha mãe, porém com o comportamento essencialmente de solo. Sua estrutura tem variação contínua com a profundidade, transicionando-se gradativamente para rocha muito alterada, até alcançar características de uma rocha pouco alterada, que se apóia no topo da rocha sã. Na Tabela 1 estão resumidas as classificações citadas. Pode-se observar na tabela que as classificações propostas por Vargas (1969) e Mori et al (1978) são muito próximas. Segundo Bourdeaux (1980), entre os anos de 1956 e 1975 foram construídas na Colômbia, na região de Medellín, seis barragens, cujos maciços foram executados com “solo residual jovem” proveniente da decomposição “in situ” de anfibólio-gnaisse e quartzo-diorita. As principais características dos solos destas obras estão indicadas na Tabela 2. A construção destas barragens permitiu o conhecimento progressivo do comportamento dos saprolitos, mostrando ser possível a sua utilização na construção de maciços impermeáveis. No âmbito internacional o trabalho cita ainda a construção da barragem de Andong (Coréia do Sul). Em passado mais recente, a China passou a utilizar saprolitos de diversas origens em suas barragens, inicialmente no núcleo da Barragem de Lubuge, seguindo recomendações de Mori. No Brasil a primeira experiência de utilização de saprolitos foi na barragem de Capivara (Cruz, 1996), onde foi utilizado como material de aterro o “fundo da caixa de empréstimo”. Seguiu-se com a utilização de saprolitos na construção das barragens e diques de Paraibuna/Paraitinga (saprolito de granito-gnaisse) e do núcleo da barragem e dique de Salto Santiago. A utilização dos saprolitos até então seguiu especificações de tratamento de umidade e compactação de solos coluvionares e residuais maduros, ou seja com escarificação e destorroamento intenso com grades de disco e controle estrito do teor de umidade.

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A partir da construção do núcleo da barragem de Nova Avanhandava (saprolito de basalto), foi adotado o conceito novo de manuseio mínimo do material e aceitação de uma faixa mais ampla de umidade de compactação. Este novo conceito de umidade trabalhável se estendeu aos seguintes casos: parte superior da barragem de Itaipu (saprolito de basalto), Armando Salles e Euclides da Cunha (reconstruídas com saprolito de gnaisse), Taquaruçu (corpo do maciço com saprolito de basalto), Itaparica (núcleo impermeável de saprolito de gnaisse) e Corumbá I (saprolito de micaxistos). A mais recente utilização de saprolito na construção de barragens no Brasil foi na construção do núcleo impermeável da barragem de rejeitos da Mina do Sossego. Programada para ser construída em etapas, teve sua primeira etapa concluída entre maio e dezembro de 2002. TABELA 1 – Perfis de intemperização - Classificação (adaptada de Mori, 1983)

VARGAS(1953) (1969)

VARGAS(1969)

BARATA PATTONDEERE &

(1971) (1972)DE MELLO

(1978)et al.MORI

TABELA 2 –Barragens construídas com saprolitos, Bourdeaux (1980).

Barragem

Altura Máxima (m)

Silte (%)

Argila (%)

LP (%)

LL (%)

h natural (%)

h ótima (%)

Quebradona 27 30 6 31 35 26 23 Troneras 37 79 10 34 43 30 25 Miraflores 55 46 5 31 37 22 19 La Fé 34 68 7 30 40 25 19 Santa Rita I 25 54 7 32 38 21 16 Santa Rita II 54 56 7 30 38 26 20

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3- PROPRIEDADES DE ENGENHARIA DOS SAPROLITOS COMPACTADOS 3.1 – CONCEITUAÇÃO DE SAPROLITOS São solos, na conceituação geotécnica, autenticamente residuais e que apresentam como característica singular a sua estrutura reliquiar, herdada da rocha que lhe deu origem. A heterogeneidade é uma das características mais marcantes e diretamente relacionada com o tipo de rocha matriz. Dependendo do grau de alteração e do tipo de rocha, o saprolito resultante é arenoso ou argiloso e os blocos duros de rocha (sã ou alterada) ocorrem em maior ou menor percentagem. Sua escavação é possível com equipamentos de terraplenagem, comumente utilizados para solos residuais maduros. 3.2 – CARACTERIZAÇÃO DOS SAPROLITOS A caracterização dos saprolitos é discutida no Brasil, desde a década de setenta. Os trabalhos de Mori (1979 a, 1979b), submetidos ao “Sixth Panamerican Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering”, acontecido em Lima, Peru, apresentavam propriedades geotécnicas de solos saproliticos de algumas barragens brasileiras. Tais propriedades foram determinadas utilizando os ensaios preconizados pela Mecânica dos Solos Clássica. Segundo Mori (1979a), a caracterização dos solos saprolíticos através de ensaios convencionais (Limites de Atterberg, granulometria e compactação) é de certa forma deficiente. De fato, o processo de preparo das amostras prevê o destorroamento e secagem prévia do material. Com efeito, tais procedimentos descaracterizam os saprolitos, porquanto destroem a estrutura herdada da rocha matriz. Marsal (1979), reconhece a deficiência dos ensaios convencionais na caracterização dos saprolitos, mas afirma que os mesmos são suficientes para identificar os saprolitos, desde que interpretados com o devido cuidado. Como exemplo de abordagem adequada à caracterização dos saprolitos, recomendou os procedimentos apresentados por Mori (1979a, 1979b). Tais procedimentos são resumidos a seguir: 3.2.1- Granulometria A granulometria é utilizada rotineiramente para identificar os solos residuais maduros, coluviais e aluviais. É deficiente no caso dos saprolitos, pois a preparação da amostra destrói os “torrões” naturais do solo. Para que o ensaio possa caracterizar o material, deve-se limitar o seu manuseio ao mínimo. A Figura 1 apresenta curvas granulométricas médias de alguns saprolítos. A curva média dos solos da barragem do Sossego foi acrescentada, para fins de comparação.

7

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,001 0,01 0,1 1 10 100

Diâmetro dos grãos - (mm)

Perc

enta

gem

Pas

sant

e - (

%)

Sap. de basaltoSap. de gnaisseSap. de granitoSap. do Sossego

FIGURA 1 - Curvas granulométricas média dos saprolitos.

3.2.2 - Plasticidade Apesar de no estado “in natura” o saprolito não apresentar um mínimo de plasticidade, os ensaios para determinação dos limites de Atterberg, executados com a fração passante na peneira nº 40, em geral, apresentam valores maiores do que os obtidos para a argila vermelha superficial. Entretanto a localização do limite de liquidez dos saprolitos, na carta de plasticidade, é abaixo da linha A. Marsal (1979) comenta esta constatação, acrescentando que outros solos estruturados, de natureza não residual, também apresentam esta característica. A Figura 2 mostra a localização dos limites de liquidez determinados para os saprolitos da barragem do Sossego, confirmando esta tendência.

FIGURA 2 - Saprolito da barragem da Mina do Sossego.

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Limite de Liquidez (%)

Índi

ce d

e P

last

icid

ade

(%)

Linha "A" IP = 0,73 (LL%-20)

Linha "B" LL = 50

CH

MH - OH

ML - OLCL - ML

- ML

CL

Linha "U" IP = 0,9 (LL%-8)

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3.2.3 - Compactação O ensaio de compactação, segundo a norma brasileira NBR 7182/86, é executado com a fração passante na peneira nº 4. Assim a amostra terá “torrões ou grumos” intactos entre os diâmetros 5 mm e 0,5 mm, que são equivalentes a pedregulhos pequenos e areia grossa. A Figura 3 mostra os parâmetros de compactação obtidos para os saprolitos da barragem de rejeitos da Mina do Sossego. 3.2.4 - Trabalhabilidade Experimentalmente observa-se que o limite de plasticidade da maior parte dos solos utilizados na construção de barragens é ligeiramente superior à umidade ótima do ensaio de Proctor Normal (Marsal, 1982 apud Mori, 1983). Para os solos saprolíticos, observa-se que a diferença LP – hótima é muito maior quando comparado com os solos coluvionares, ou mesmo solos residuais maduros. Observa-se também que os teores de umidade natural dos saprolitos, nas áreas de empréstimo de regiões de médio a alto índice pluviométrico, são muito maiores do que as umidades ótimas do ensaio de Proctor Normal, chegando a valores da ordem de 30%, como na barragem de rejeitos da Mina do Sossego. Tais constatações, ainda hoje, constituem uma séria barreira para a utilização dos saprolitos nos aterros de barragens.

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00

Umidade Ótima (%)

Mas

sa E

spec

ífica

Apa

rent

e S

eca

máx

ima

(g/c

m3)

S = 100% S = 80% Ensaio de compactação

FIGURA 3 – Parâmetros de compactação dos saprolitos da barragem do Sossego.

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Segundo Mori (1979b), o ponto de referência indicativo da possibilidade de compactar um saprolito seria o seu limite de plasticidade, que é o ponto separador entre os estados plástico e friável de um solo homogêneo. Este limite é determinado com a fração do solo que passa na peneira #40, e representa a fração amolgada do saprolito, cujo comportamento seria o de uma massa de torrões intactos envolvidos por uma fração fina amolgada. Com efeito, uma vez que o limite de trabalhabilidade é determinado com o material amolgado ao máximo, então o índice de trabalhabilidade, em termos de umidade, seria o limite de plasticidade, como nas argilas homogêneas. A compactação no campo não destrói completamente os torrões naturais do saprolito, fazendo com que a trabalhabilidade seja, para uma dada umidade entre a umidade ótima e o limite de plasticidade. Esta trabalhabilidade será melhor do que a do solo totalmente amolgado. Assim, é importante ressaltar que as especificações técnicas convencionais que preconizam que a umidade de compactação deve ser em torno da umidade ótima, não tem sentido para os saprolitos. Estes podem ser compactados em uma faixa de umidade maior em relação à umidade ótima do ensaio de Proctor Normal. 3.2.5 - Permeabilidade Considerando o destorroamento no preparo da amostra, é de se esperar que a permeabilidade determinada através dos permeâmetros convencionais a carga variável não represente as condições de campo. Assim, a permeabilidade do saprolito compactado no maciço apresenta valores maiores do que no laboratório. Entretanto, conforme argumenta Mori (1983), devido a massa de solo amolgado que envolve os blocos de rocha alterada e torrões, a permeabilidade de campo dos saprolitos tem-se mostrado adequada para barragens de terra e núcleos de barragens de enrocamento. A Tabela 3 mostra valores de permeabilidade obtidos em laboratório, para diversos saprolitos. Complementando essa tabela, Caproni et al. (1994) argumentam ainda que, ensaios realizados em amostras indeformadas das pistas experimentais de saprolitos de gnaisse e micaxisto da obra de Corumbá I, que apresentavam grau de compactação médio de 104% e teor de umidade médio de 6,3% acima da ótima, mostraram resultados da ordem de 10-6 cm/s para o coeficiente de permeabilidade. Como se vê, são valores de permeabilidade adequada para zonas de vedação de barragens. TABELA 3 – Coeficientes de permeabilidade para diversos saprolitos, obtidos

em laboratório.

Barragem Litologia Condição de umidade (%)

Grau de compactação (%)

Coeficente de permeabilidade (cm/s)

Monday (*)

basalto hótima +1 hótima +1

97 95,9

2,2 x 10-7

3,3 x 10-7 Nova Avanhandava

basalto

hótima –2,5 hótima +1 hótima +1

97,1 96,8 97

2,8 x 10-6

1,1 x 10-6

3,5 x 10-7

Sossego Granito hótima

98 5,8 x 10-6

(*) A barragem de Monday (Paraguai) não foi construída.

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3.2.6 - Compressibilidade Os resultados de ensaios de adensamento e de compressão triaxial não drenado, realizados em saprolito compactado de basalto e de gnaisse, levam a concluir que os saprolitos compactados sofrem menos influência do teor de umidade que as argilas homogêneas compactadas, em termos de compressibilidade, ou seja, o intervalo de variação do módulo de deformabilidade em relação ao desvio de umidade é menor nos saprolitos. Estes solos apresentam maior uniformidade em relação ao módulo de deformabilidade do que as argilas homogêneas, não obstante a sua natural heterogeneidade (Mori, 1983).

É uma evidência experimental que os valores de módulos de deformabilidade de saprolitos compactados variam menos do que o das argilas homogêneas, em uma faixa de desvio de umidade maior. Esta evidência também foi relatada por Caproni et al. (1994) para os saprolitos da barragem de Corumbá I. 3.2.7 - Resistência ao cisalhamento Com relação à resistência ao cisalhamento dos saprolitos compactados, os seguintes comportamentos são evidenciados em ensaios de compressão triaxial: • O desenvolvimento de pressões neutras, em geral, é baixo para uma faixa

ampla de umidades. As pressões neutras começam a se desenvolver somente a partir de umidades da ordem de 5% a 10% acima da umidade ótima, o que equivale a desvios de umidade de compactação de 1% a 2% acima da umidade ótima para as argilas vermelhas homogêneas;

• Influencia das estruturas reliquiares – os torrões intactos de rocha

decomposta que ainda preservam a sua estrutura original e sua dureza, apesar dos altos teores de umidade, contribuem sobremaneira para a resistência ao cisalhamento. Mori (1983) salienta que os saprolitos compactados no campo devem apresentar resistência ao cisalhamento maior do que a obtida no laboratório, tendo em vista que no campo será preservado um maior número de torrões e de torrões de maior diâmetro. O resultado de ensaios de compressão triaxial obtidos em amostras com torrões intactos de até 0,5 cm de diâmetro apresentam resistência ao cisalhamento 7% maior que outros com torrões de até 0,05 cm de diâmetro. Este é um comportamento notável dos saprolitos, cuja explicação encontra-se na liberação da água livre retida nos poros dos torrões originais, em função da sua quebra, durante as operações de manuseio para preparo de amostras no laboratório ou da compactação no campo. Segundo Marsal (1979) e Vaughan (1982), enquanto os torrões se mantêm íntegros, a água contida nos poros não atua na massa amolgada. Nestas condições os torrões atuam como se fossem grãos de cascalho. O aumento da quebra de torrões contribui para a redução da resistência ao cisalhamento e para o aumento da compressibilidade dos

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saprolitos. Na Tabela 4 são apresentados resultados de ensaios de compressão triaxial na condição consolidada não drenada, para saprolitos de basalto, granito e gnaisse. A análise da Tabela 4 mostra que para um mesmo material o valor de φ’ aumenta com o teor de umidade. Tal comportamento é atribuído à estrutura mais dispersa do saprolito acima da umidade ótima, e a uma acentuada diminuição no índice de vazios na fase de adensamento.

TABELA 4 – Resistência ao cisalhamento de saprolitos compactados, adaptada

de Mori (1983) Barragem Saprolito Grau de

compactação(%) h - hótima c’ φ’

NI Basalto 97 97 97 95

-2,5 0 +1,0 +5,0

0

28 28,5 28,5 29

NI Gnaisse 90 90 90

-1,5 +0,1 +2,8

0 29 29,5 32

NI Granito 95 95 95

-2,1 0 +2,4

0 38 39,5 40,5

Sossego Granito 98 0 0 32 NI - o autor não informou o nome das barragens 4- BARRAGEM DO SOSSEGO - CARACTERÍSTICAS E TRABALHABILIDDE

DOS MATERIAIS 4.1- ASPECTOS GERAIS DA BARRAGEM A barragem Sossego destina-se à acumulação de rejeitos provenientes do processamento de minério de cobre. Localiza-se no córrego Sequeirinho, bacia do rio Parauapebas, no município de Canaã dos Carajás, estado do Pará. Trata-se de uma barragem de enrocamento com espaldar impermeável de solo saprolítico, situado a montante. A concepção da seção transversal da barragem priorizou a utilização de rocha, tendo em vista que um grande volume deste material estará disponível, como subproduto (estéril) das operações de lavra. Os solos para a zona impermeável foram provenientes das escavações obrigatórias e das áreas de empréstimo localizadas na área do reservatório. A fundação da barragem é constituída de solos residuais/saprolitos. Salienta-se que são poucos os casos de barragem de enrocamento com zona

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impermeável de solo compactado, cuja fundação seja em solo residual. Em geral este tipo de barragem é assentado sobre fundação em rocha. No trecho mais baixo do eixo, correspondendo ao leito do córrego Sequeirinho e sua baixada de inundação, ocorrem solos aluvionares, com até 7,0 m de espessura. Para vedação da fundação, neste trecho, foi escavado um “cut-off”, sendo o solo aluvionar substituído por saprolito compactado. A Figura 4 mostra um arranjo geral da barragem e a Figura 5 mostra a sua seção transversal típica. A primeira etapa, denominada “barragem inicial”, com crista na El. 231,75 m foi implantada entre os meses de maio e dezembro de 2002. A Tabela 5 apresenta os quantitativos de materiais para cada uma das etapas da barragem. Observa-se que a Tabela 5 prevê a implantação da barragem até a El. 251,90 m, que corresponde ao volume do reservatório necessário para a disposição dos rejeitos gerados durante treze anos de operação da mina. Entretanto, a barragem foi projetada com crista na El. 266,60 m prevendo-se uma eventual futura extensão da reserva lavrável. TABELA 5 – Características e quantitativos de materiais das diversas zonas da barragem. .

Etapa

Cota da Crista (m)

Comprimento da crista (km)

Enrocam. Compac. (m3)

Enrocam. Lanç. (m3)

Solo Compac. (m3)

Filtro Areia (m3)

Transição (m3)

Riprap (m3)

Barragem Inicial

231,75

3,95 934.500 3.189.000

853.450 36.850 115.350 35.850

1º Etapa 241,90 4,55 1.396.220

3.231.750

929.720 59.965 140.100 51.870

2º Etapa 251,90 4,77 1.957.210

2.274980 810.420 74.295 181.685 67.685

Total ---- ---- 4.287.930

8.695.730

2.593.590

171.110 437.135 155.405

4.2 – CARACTERÍSTICA DOS SOLOS SAPROLÍTICOS Praticamente toda a área tem coberturas de solos sobre o maciço rochoso, que consiste de rochas graníticas e metavulcânicas. Os solos ocorrentes na região da Mina do Sossego são, em sua maior parte, residuais e saprolíticos, subjacentes a uma cobertura coluvionar descontínua com espessura da ordem de 1,0 m. Os solos residuais maduros apresentam resistência à penetração SPT variando entre 6 e 30 golpes, enquanto os solos saprolíticos apresentam resistência acima de 30 golpes. A permeabilidade “in situ” destes solos varia entre 1,5 x 10-6 cm/s e 3,0 x 10-4 cm/s. Na Tabela 6 são apresentadas as propriedades de engenharia dos solos saprolíticos da Barragem do Sossego.

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2 2 0

FIGURA 4 – Arranjo geral da barragem e reservatório de rejeitos.

FIGURA 5 – Seção transversal típica da barragem

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TABELA 6 – Propriedades dos saprolitos da barragem do Sossego.

Propriedade Valor médio Intervalo de variação % de argila 20 ------ % de silte 40 ------ % de areia 38 ------ % de pedregulho 2 ------ LL (%) 47,2 21,2 – 7,0 LP (%) 27,2 12,5 - 45,0 IP (%) 20 5,1 – 33,8 γsmáx 1,62 1,38 – 1,96 hótima 19,4 9,3 – 30,5 hnat 28,9 6,4 – 58,3

4.3 – TRABALHABILIDADE DOS SOLOS SAPROLÍTICOS O início das operações de lançamento e compactação da zona impermeável da barragem deu-se logo após o término do período chuvoso, quando o nível do aqüífero ainda encontrava-se elevado. Houve problemas com o excesso de umidade dos solos, principalmente, os de maior porcentagem de fração silte. A ocorrência de zonas de “borrachudos” e laminações foi grande. Tais solos eram provenientes de escavações situadas na zonas mais baixas da área do projeto. Nesta fase foram utilizadas técnicas convencionais de trabalhos de terraplenagem, como intensa utilização de gradeamento e revolvimento do solo com lâmina de motoniveladora, com o objetivo de secar o material e traze-lo o mais próximo possível da umidade ótima. Outra dificuldade no trabalho com os saprolitos da barragem do Sossego é atribuída à grande umidade relativa da região amazônica. Os solos que eram submetidos ao gradeamento para secagem, durante o dia, absorviam umidade durante a noite, voltando a ter umidade bastante superior à ótima. À medida que foram sendo escavadas as diversas fontes de materiais para a barragem, os solos excessivamente úmidos, das zonas mais baixas, foram sendo descartados e as especificações técnicas referentes à compactação foram sendo adaptadas às reais propriedades dos solos saprolíticos. A trabalhabilidade dos solos saprolíticos utilizados na construção da barragem do Sossego foi estudada em pistas experimentais executadas no próprio corpo da barragem. Nestas pistas foram ajustados os procedimentos de construção que permitiram utilizar o saprolito com sucesso. Assim, foram implementadas as seguintes medidas: foram testados e aprovados para utilização os rolos compactadores Dynapac CA-25 liso vibratório, CA-25 vibratório com patas tipo tamping e o rolo TR-25 com pata tipo tamping (sem vibração). Foi descartada a utilização de rolos compactadores tipo pé de carneiro. O rolo que apresentou maior rendimento foi o TR-25, pois o fato de não ser vibratório lhe permite compactar com eficiência e grande produtividade em velocidades bastante superiores aos rolos vibratórios (velocidades da ordem de 25 km/h). Rolo similar do tipo tamping com patas curtas foi também o único a compactar com sucesso os solos saprolíticos do gnaisse de Paraibuna e Paraitinga, com velocidades de até 25 km/h.

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O rolo pé de carneiro não é recomendável para os solos saprolíticos, porquanto destrói os torrões constituintes deste tipo de solo. Foram eliminados os trabalhos de gradeamento, revolvimento com lâmina e escarificação. Tais operações são prejudiciais ao comportamento do saprolito compactado por contribuírem para destruir os torrões naturais mais resistentes, neste tipo de solo. As operações de gradeamento só foram utilizadas em casos onde ocorriam “borrachudos”, que são indicadores que a umidade estava incompatível com a trabalhabilidade, ou seja, a umidade da camada em compactação estava além do limite de plasticidade.Também não foi utilizada a escarificação ou gradeamento da camada compactada, com o objetivo de promover uma melhor ligação entre camadas. Como a compactação com o rolo de pata tipo tamping deixa a superfície da camada rugosa, isto é, cheia de sulcos, estes são suficientes para se obter uma boa ligação. O controle de qualidade da construção do maciço foi orientado no sentido de controlar o método construtivo da camada. Assim, foram controladas, a umidade no empréstimo (verificação do limite de trabalhabilidade), espessura da camada, número de passadas do equipamento de compactação e respectiva cobertura entre faixas. A liberação final da camada foi feita utilizando o Método de Hilf (utilizando o cilindro de 6”) para aferição do grau de compactação e do desvio de umidade. Na execução do ensaio foi eliminado o peneiramento do material, com o objetivo de preservar os torrões do solo. Na Tabela 7, são apresentados os parâmetros de trabalhabilidade dos solos da barragem do Sossego e algumas barragens brasileiras construídas com saprolito. TABELA 7 – Relação entre o limite de plasticidade e a umidade ótima. Tipo de solo Barragem Umidade ótima

(%) Limite de Plasticidade (%)

Solo coluvionar Saprolito de granito

Sossego 19,3 19,4

23,2 27,2

Solo coluvionar Saprolito de granito

Itaparica 20,2 10,2

22,5 17,3

Solo coluvionar Saprolito de micaxisto

Corumbá I 17,9 18,0

20,4 22,0

Solo coluvionar Saprolito de basalto

Taquaruçu 16,3 30,1

19,5 38,5

É importante observar na Tabela 7 a melhor trabalhabilidade dos saprolitos, pois, estes podem ser compactados em uma faixa maior de desvio para o lado úmido. Os dados da barragem do Sossego confirmam a excelente trabalhabilidade dos saprolitos, conforme critérios recomendados por Marsal (1979).

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5 - CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES O acompanhamento da construção da barragem da Mina do Sossego e a revisão bibliográfica elaborada no âmbito da utilização de saprolitos na construção de barragens, permitem as seguintes conclusões: • Até o final da década de oitenta foram construídas no Brasil, onze

barragens nas quais foram utilizados os solos saprolíticos. Na década de noventa foi finalizada a construção da barragem Corumbá I. A mais recente é a barragem para disposição de rejeitos da Mina do Sossego, implantada em 2002;

• Com relação aos índices de caracterização dos solos saprolíticos, as

recomendações de Mori (1979a e 1979b) e Marsal (1979), constantes neste trabalho são as vigentes, representando, portanto, o “estado da prática”, e foram utilizadas com sucesso nas barragens construídas com saprolito no Brasil;

• É fundamental o estudo da trabalhabilidade do material no campo, em

pistas experimentais. Estas pistas devem ser executadas antes do início da construção da barragem, de modo a conhecer com maior detalhe o material a ser utilizado e definir o equipamento de compactação mais adequado. O equipamento de compactação mais adequado é aquele que melhor preserve os torrões intactos do saprolito. Verificam-se nos relatos de outras obras executadas com saprolitos e na experiência com a construção da barragem do Sossego, que os rolos mais indicados são os rolos compactadores lisos vibratórios e os rolos vibratórios de patas tipo tamping. Na barragem do Sossego foram utilizados, além dos rolos citados, os rolos compactadores de patas tamping tipo Dynapac TR-25. Estes rolos não são vibratórios e permitem desenvolvimento de velocidades da ordem de 25 km/h, proporcionando excelente resultado na qualidade da compactação e na produtividade;

• A minimização, ou mesmo a eliminação de operações de gradeamento e

homogeneização bem como todo procedimento que preserve a estrutura dos torrões do saprolito, deverão ser implementados pois refletem significativamente na qualidade final do maciço;

• Saprolitos são materiais apropriados para a construção de núcleos

impermeáveis de barragens de enrocamento e maciços homogêneos de barragens de terra, mas não são aceitáveis para a zona de vedação lançada de ensecadeiras construídas debaixo de água, por causa da segregação da fração grossa.

Finalizando, os autores enfatizam que a participação ativa e constante da Equipe de Projeto, Consultores e Supervisão de campo, permite acompanhar as características dos materiais durante as escavações e tomar providências imediatas para adequação do projeto, especificações técnicas e métodos construtivos.

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6 - AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Mineração Serra do Sossego S/A e à Companhia Vale do Rio Doce, na pessoa do Eng. Raphael Antônio Bloise, Diretor de Implantação das Obras da Mina do Sossego, pelo incentivo recebido durante a construção da barragem e pela permissão para publicação dos dados da barragem, e à Golder Associates Brasil pelo apoio na elaboração deste trabalho.

7 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Bourdeaux, G. H. R.M. (1980). Projeto e Construção de Barragens de Terra

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5. Caproni Júnior, N., Palocci, A., Shimabukuro, M., Ribas, J. B. M., Mori, R. T.

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6. Cruz, P. T. (1996). 100 barragens brasileiras: casos históricos, materiais de

construção e projeto. São Paulo, Oficina de Textos, 647p. 7. De Mello, V. F. B. (1972). Apreciações Sobre a Engenharia de Solos

Aplicável a Solos Residuais. Tradução nº 9 - ABGE, São Paulo, 59 p. 8. Deere, D. U., Patton, F. D. (1971). Slope Stability in Residual Soils. State of

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9. Golder Associates Brasil (2002). Barragem de Rejeitos da Mineração Serra

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10. Leme, C. R. M. (1984). Fundação de Barragens. In: II Encontro de Solos

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de Grandes Barragens, XIV, 1981, Recife. Anais...Recife: CBGB. p.147-161. 12. Marsal, R. (1979). Report on the Contributions to Session IV: Properties of

Compacted Soils. In: VI Panamerican Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, 1979, Lima. Proceedings…..Lima, Vol. III, p.318-347.

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Panamerican Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, 1979, Lima. Proceedings…..Lima, Vol. II.

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