© LNEC 2012 © LNEC 2012

PROGRESSÃO DA EROSÃO INTERNA EM BARRAGENS

DE ATERRO

Ricardo Santosricardos@lnec.pt

Bolseiro de DoutoramentoDepartamento de Geotecnia

Núcleo de barragens e obras 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'Vista B-B'

Brecha na barragem

FASE 4FORMAÇÃO DE BRECHA

FASE 4FORMAÇÃO DE BRECHA

Fases do processo de erosão interna

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FASE 1 - INICIAÇÃO DA EROSÃO

FASE 3 - PROGRESSÃO PARA EROSÃO TUBULAR• E

rodibilidade 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

© LNEC 2012

Fonte: Hanson e Hunt (USDA, 2007)

Progressão para erosão tubular

© LNEC 2012

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

> Furo no final do ensaio

© LNEC 2012

tempo (s)

Cau

dal (l

/h)

Ensaios HETCaudais percolados através dos furos pré-formados

-

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)

Est

imat

iva

do

diâ

met

ro d

o f

uro

pré

-fo

rmad

o, D

t (m

m)

dDt/dt

(mm

/seg

)

Tests - HET.xlsODL_HET008-CALC

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-3.03510-6x2+7.67210-10x3

dDt/dt

Ensaio de erosão por fuga concentrada> Mecânica dos fluidos → Evolução do diâmetro do furo

2d t

t

dD

dt

. . .4t

t w t

Dg i

Tensão de corte

Taxa de erosão

© LNEC 2012 (N/m2)

(k

g/m

2 /s)

Tests - HET.xlsODL_HET008-CALC

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

c=153.5 N/m2

ker=5.87x10-5 s/m; IHET=4.24

.

y= -0.00901 + 5.8710-5 x

Ensaio 008 vs =ker (-c), com IHET= -log(ker)

t er t ck

logHET erI k

Ker – Coeficiente de erosãotc – Tensão de corte crítica

Índice de taxa de erosão

> Estimação dos parâmetros de erodibilidade, IHET e tc

Ensaio de erosão por fuga concentrada

© LNEC 2012

GrupoÍndice 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 [%]

Pes

o v

olú

mic

o s

eco

, d

[kN

/m3 ]

IHET representado nas curvas de compactação

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)

© LNEC 2012

Ensaio de erosão por fuga concentrada> Resultado de tc (N/m2) nas curvas de compactação

Teor em água, w [%]

Pe

so v

olú

mic

o s

eco

, d [

kN

/m3 ]

c (N/m2) representado nas curvas de compactação

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 c, dado que o furo não erodiu

Energia de compactaçãoLevePesada"Reduzida"Pesada (ND)"Reduzida" (ND)

© LNEC 2012

Limitação da progressão da erosão

> Restrição do caudal> Preenchimento do tubo de erosão

Influência de materiais a montante do núcleo

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

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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

© LNEC 2012

Ensaio de limitação da progressão da erosão

P l a c a d ev i d r o a c r í l i c o

l / h

M e d i d o r d e c a u d a le l e c t r o m a g n é t i c o

V á l v u l a d ec o n t r o lo

Á g u a p r o v e n i e n t e d et a n q u e e l e v a d o

T a n q u e d e j u s a n t e

T a n q u e d e m o n t a n t e1 2 5 0 m m a 2 2 5 0 m m

2 0 0 m m

V á l v u l a d ec o n t r o lo

N ú c l e o M a t e r i a l d em o n t a n t e

P i e z o m e t r od e m o n t a n t e

P i e z ó m e t r od a i n t e r f a c e

P i e z ó m e t r od e j u s a n t e

P u r g a P u r g a

R é g u a( m m )

2 m o l a sc o n c é n t r ic a s

C â m a r ad i g i t a l C â m a r a d e

j u s a n t e

F u r op r é - f o r m a d o

2 3 0 0

2 2 0 0

2 1 0 0

2 0 0 0

1 9 0 0

1 8 0 0

4 0 0

3 0 0

2 0 0

1 0 0

5 0

© LNEC 2012

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

© LNEC 2012

Material de montante

Núcleo

Ensaio de limitação da progressão da erosão > Célula de ensaio

© LNEC 2012Tamanho das partículas (mm)

Per

cen

tag

em a

cum

ula

da

pas

sad

a em

pes

o

Per

cen

tag

em a

cum

ula

da

reti

da

em p

eso

SOIL GRADATION TYPES OF UPSTREAM ZONESMaterial with non-plastic fines

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#200U.S. Standard Sieve SizesHydrometer Analysis

Silt or ClayGravelSand

CoarseFineCoarseMediumFine

0 100

20 80

40 60

60 40

80 20

100 0

Caracteristicas 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

Tamanho das partículas (mm)

Per

cen

tag

em a

cum

ula

da

pas

sad

a em

pes

o

Per

cen

tag

em a

cum

ula

da

reti

da

em p

eso

GRANULOMETRIA DOS DIFERENTES TIPOS DE MATERIAIS A MONTANTEMateriais com finos plásticos

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#200U.S. Standard Sieve SizesHydrometer Analysis

Silt or ClayGravelSand

CoarseFineCoarseMediumFine

0 100

20 80

40 60

60 40

80 20

100 0

Caracteristicas 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 2012 Tempo (min)

Cau

dal

(l/h

)

Pre

ssão

pie

zom

etri

ca (

cm)

Caudal e Pressão piezometrica vs TempoFLET F-01

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

Núcleo Material demontante

Df=20mm Df= 48mm

© LNEC 2012 Tempo (min)

Cau

dal

(l/h

)

Pre

ssão

pie

zom

étri

ca (

cm)

Caudal e Pressão piezométrica vs TempoFLET B1-02

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)

Df= 26mm Df= 12mm

NúcleoMaterial demontante

Ensaio de limitação da progressão da erosão > Resultados: Restrição do caudal a montante

© LNEC 2012 Tempo (min)

Cau

dal

(l/h

)

Pre

ssão

pie

zom

etri

ca (

cm)

Caudal pressão piezometrica vs TempoFLET E1-01a

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 piezómetro

Reabertura 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 para por completo

Df= 14mm

NúcleoMaterial demontante

© LNEC 2012 Tempo (min)

Cau

dal

(l/h

)

Alt

ura

pie

zom

étri

ca (

cm)

Flow Rate and Piezometer Pressure vs TimeFLET F-03

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

© LNEC 2012

>O ensaio desenvolvido permite avaliar se existe restrição do escoamento e se a erosão cessa ou diminui devido à presença de um material de montante do núcleo.

>A restrição do escoamento é influênciada 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 influênciam fortemente a capacidade de restrição do escoamento e de limitação da erosão.

Conclusões

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PROGRESSÃO DA EROSÃO INTERNA EM BARRAGENS

DE ATERRO

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