TCC-Jhaber _Final.pdf

Campus de Ilha Solteira

Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira Cursos: Agronomia, Ciências Biológicas, Eng. Civil, Eng. Elétrica, Eng. Mecânica, Física, Matemática e Zootecnia. Avenida Brasil Centro, 56 Caixa Postal 31 CEP 15385-000 Ilha Solteira São Paulo Brasil pabx (18) 3743 1000 fax (18) 3742 2735 [email protected] www.feis.unesp.br

UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO”

FACULDADE DE ENGENHARIA - CAMPUS DE ILHA SOLTEIRA

CURSO DE ENGENHARIA CIVIL

JHABER DAHSAN YACOUB

INTERPRETAÇÃO DOS REGISTROS DOS APARELHOS DE AUSCULTAÇÃO DA UHE ENGENHEIRO SOUZA DIAS (JUPIÁ)

ILHA SOLTEIRA – SP

JUNHO DE 2014

Campus de Ilha Solteira

Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira Cursos: Agronomia, Ciências Biológicas, Eng. Civil, Eng. Elétrica, Eng. Mecânica, Física, Matemática e Zootecnia. Avenida Brasil Centro, 56 Caixa Postal 31 CEP 15385-000 Ilha Solteira São Paulo Brasil pabx (18) 3743 1000 fax (18) 3742 2735 [email protected] www.feis.unesp.br

UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO”

FACULDADE DE ENGENHARIA - CAMPUS DE ILHA SOLTEIRA

CURSO DE ENGENHARIA CIVIL

INTERPRETAÇÃO DOS REGISTROS DOS APARELHOS DE AUSCULTAÇÃO DA UHE ENGENHEIRO SOUZA DIAS (JUPIÁ)

JHABER DAHSAN YACOUB

Orientador: Prof. Dr. José Augusto de Lollo

Co-Orientador: Prof. Dr. Fagner Alexandre Nunes de França

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Faculdade de Engenharia do Campus de Ilha Solteira – UNESP, como parte dos requisitos para obtenção do grau de Engenheiro Civil.

ILHA SOLTEIRA – SP

JUNHO DE 2014

ii

Dedico

Aos meus pais Harb e Maria por sempre

acreditarem em mim e estarem ao meu

lado, na esperança de um dia poder

retribui-los, em tudo que me

proporcionaram.

iii

AGRADECIMENTOS

Agradeço ao Professor Doutor Fagner Alexandre Nunes de França não

somente pela orientação deste trabalho, mas principalmente pela amizade,

compreensão e paciência diante das minhas dificuldades.

Ao Professor Doutor José Augusto de Lollo por ter me aceitado como seu

orientado na continuação deste trabalho, bem como pelo companheirismo,

paciência e ajuda sempre que necessário.

Aos engenheiros da Companhia Energética de São Paulo (CESP), Aloísio

Celeri, Euclydes C. Jr. e Wilerson Cestari, pela paciência e ensinamentos

transmitidos, assim como o companheirismo neste um ano de convivência.

Aos técnicos da CESP, Antônio Piquera, Heron Oliveira e Oracy da Silva,

pelo companheirismo e conhecimentos repassados de larga experiência em

planejamento e execução de programas de instrumentação em barragens da

CESP.

À CESP pelo estágio oferecido e fornecimento dos dados necessários para

realização deste trabalho.

Aos colegas de faculdade Bruna Pavão, Celina Honorio, Eduardo Berti,

Fábio Igue, Felipe Maximiano, Francisco D.Jr, Henrique Berto, José M. Jr, João

Perez, João Poletto, Lucas Pereira, Luís Pinheiro, Manuel Llajaruna, Matheus

Pires, Mônica Carneiro, Natasha Nakamura, Paulo Prado, Renan Oliveira,

Rodolpho Orioli, Rodrigo Kumagai, Suelen Guimarães, Thiago Pereira, Thiago

Rotta, e Wilhernaiky Silva, por tantos momentos inesquecíveis ao longo destes

5 anos de faculdade.

À minha namorada Bruna dos Santos por sempre me apoiar e acreditar em

meu potencial, mesmo nos momentos mais difíceis. .

iv

Yacoub, Jhaber. INTERPRETAÇÃO DOS REGISTROS DOS APARELHOS DE

AUSCULTAÇÃO DA UHE ENGENHEIRO SOUZA DIAS (JUPIÁ). 2014. 164 p. Trabalho de

Conclusão de Curso – Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” – UNESP,

Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Ilha Solteira-SP, 2014.

RESUMO

Este trabalho teve por objetivo verificar a percolação de água por seções

transversais representativas do maciço de terra da UHE Engenheiro Souza

Dias (Jupiá), assim como sua estabilidade de taludes, utilizando os dados

presentes no Sistema CESP de Segurança de Barragens (SICESP), e deste

modo compará-los com os resultados obtidos por meio de análises

computacionais, empregando-se o software SEEP/W e SLOPE/W para

análises de percolação e estabilidade de taludes, respectivamente, ambos do

pacote GeoStudio. Há uma grande presença de instrumentos instalados na

usina hidrelétrica analisada (piezômetros, medidores de nível d’água,

medidores de recalque, medidores triortogonais, células de tensão total e

medidores de vazão), entretanto, deu-se prioridade de análise aos

instrumentos voltados à percolação de água no maciço da barragem

(piezômetros e medidores de nível d’água). A análise de percolação pelo

maciço da UHE Engenheiro Souza Dias mostrou resultados discrepantes dos

obtidos por meio computacional, de acordo com a análise do software

SEEP/W, o maciço de terra acima do filtro deveria ser completamente seco, no

entanto, esses apresentaram carga hidráulica positiva. O software interpretou

que após o filtro chaminé, instalado sob a crista da barragem, não há

percolação alguma, quando na realidade existe, tal resultado demonstrou a

importância do projeto e execução do filtro vertical, juntamente com o tapete

drenante, visando minimizar a percolação de água e trabalhar com o menor

gradiente hidráulico possível de modo que não haja surgências e/ou erosões

internas (piping). Os resultados obtidos por simulação do software SLOPE/W,

mostraram-se satisfatórios com um de Fator de Segurança passante em

praticamente todos os quesitos, no entanto uma rotina de análises por meio de

v

observações e possíveis manutenções na seção são recomendáveis, devido à

própria idade da barragem e o desgaste natural dela.

Palavras-chave: Auscultação de Barragens, Softwares SEEP/W–SLOPE/W,

Usina Hidrelétrica Engenheiro Souza Dias (Jupiá).

É autorizada a reprodução total ou parcial deste trabalho, desde que citada

a fonte.

vi

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Exemplo de níveis de advertência de perigo. ................................ 72

Tabela 2 - Frequências mínimas de leitura na barragem de terra-enrocamento

......................................................................................................................... 82

Tabela 3 - Frequências mínimas de leitura na barragem de concreto .............. 83

Tabela 4 - Classificação da consequência de ruptura de barragens – potencial

consequência incremental da ruptura (*). ......................................................... 92

Tabela 5 - Frequência de reavaliações da segurança de barragens. .............. 93

Tabela 6 – Resumo comparativo dos métodos utilizados na simulação

computacional. ............................................................................................... 126

Tabela 7 – Características da UHE Jupiá. ..................................................... 127

Tabela 8 – Instrumentos instalados na Barragem de Concreto e Eclusa. ..... 130

Tabela 9 – Instrumentos instalados na Barragem de Terra ........................... 131

Tabela 10 – Materiais e suas características utilizadas na simulação. .......... 137

Tabela 11 – Materiais e suas características utilizadas na simulação. .......... 137

Tabela 12 – Controle de compactação no período construtivo, próximos s

estaca 62+04 m. ............................................................................................. 138

Tabela 13 – Controle de compactação no período construtivo, próximos s

estaca 84+15 m. ............................................................................................. 139

Tabela 14 – Simulação da carga piezométrica e valores reais da seção em

análise. ........................................................................................................... 148

Tabela 15 – Valores de gradientes hidráulicos simulados e reais da seção em

análise. ........................................................................................................... 150

Tabela 16 – Valores de Fator de Segurança para várias etapas de uma

barragem. ....................................................................................................... 151

Tabela 17 – Simulação da carga piezométrica e valores reais da seção em

análise. ........................................................................................................... 164

Tabela 18 – Valores de gradientes hidráulicos simulados e reais da seção em

análise. ........................................................................................................... 166

vii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Barragem de concreto gravidade. .................................................. 24

Figura 2 – Barragem Three Gorges Dam em concreto gravidade. .................. 24

Figura 3 – Barragem de concreto estrutural com contrafortes......................... 25

Figura 4 – Barragem Salto Grande em contra fortes. ...................................... 26

Figura 5 – Barragem principal de Itaipu em gravidade aliviada ....................... 27

Figura 6 – Barragem de concreto em arco de dupla curvatura........................ 27

Figura 7 – Barragem Hoover Dam de concreto em arco. ................................ 28

Figura 8 – Barragem de Terra Homogênea. .................................................... 29

Figura 9 – Barragem de Terra Homogênea da UHE Três Marias, MG. ........... 30

Figura 10 – Barragem de terra-enrocamento (a) com núcleo central e (b)

inclinado. .......................................................................................................... 32

Figura 11 – Barragem Emborcação em terra-enrocamento. ........................... 32

Figura 12 – Barragem de Xingó em enrocamento com membrana de concreto.

......................................................................................................................... 33

Figura 13 – Barragens em aterro hidráulico. ................................................... 34

Figura 14 – Etapas construtivas de uma barragem de rejeitos........................ 35

Figura 15 – Barragem Pontal da VALE em rejeitos ......................................... 36

Figura 16 – Execução de concreto compactado com rolo na barragem da

Usina Hidrelétrica Mauá, no Paraná. ................................................................ 37

Figura 17 – Esquema de um medidor de nível d’água. ................................... 40

Figura 18 -Medidor de vazão tipo triangular. .................................................... 42

Figura 19 – Medidor de vazão triangular. ........................................................ 42

Figura 20 – Calha tipo Parshall. ...................................................................... 43

Figura 21 – Esquema geral de um piezômetro de tubo aberto. ....................... 44

Figura 22 – Piezômetro de tubo aberto sendo lido com auxilio do pio. ........... 45

Figura 23 – Piezômetro de tubo aberto com manômetro para leitura em locais

de elevada pressão. ......................................................................................... 45

Figura 24 – Esquema de funcionamento de um piezômetro pneumático. ....... 47

Figura 25 – Aparelho de leitura para instrumentos pneumáticos (PN e TS). ... 47

Figura 26 – Painel para leituras de instrumentos pneumáticos (PN e TS). ..... 48

Figura 27 – Esquema de funcionamento de um piezômetro hidráulico. .......... 49

viii

Figura 28 – Caixa seletora para leituras de instrumentos elétricos. ................ 50

Figura 29 – Diferentes tipos de piezômetros de corda vibrante....................... 51

Figura 30 – Esquema de funcionamento de um transdutor de corda vibrante 51

Figura 31 – Estrutura de um cabo de fibra óptica ............................................ 52

Figura 32 – Propagação de luz em um cabo de fibra óptica. .......................... 53

Figura 33 – Cabos e aparelhos sonoros utilizados nas leituras dos PZ, NA e

PA, que eram confeccionados e recebiam manutenção pelo LCEC. ............... 54

Figura 34 – Esquema geral de uma célula de tensão total. ............................. 55

Figura 35 – Célula de tensão total. .................................................................. 56

Figura 36 – Caixa seletora Mayhak - aparelho de leitura de célula de tensão

total e piezômetro elétrico. ............................................................................... 56

Figura 37 – Medidor de recalque de tubos telescópicos. ................................ 58

Figura 38 – Aparelho de leitura do medidor de recalque magnético MM. ....... 60

Figura 39 – Esquema típico de um medidor de recalques tipo KM. ................ 61

Figura 40 – Aparelho de leitura do medidor de recalque de placas KM. ......... 62

Figura 41 – Esquema geral de um medidor triortogonal. ................................. 64

Figura 42 – Medidor triortogonal instalado na galeria entre dois blocos de

concreto............................................................................................................ 64

Figura 43 – Modo de leitura do medidor triortogonal. ...................................... 65

Figura 44 – Aparelho de leitura do medidor triortogonal. ................................. 65

Figura 45 – Esquema geral de instalação do aparelho Base para Alongâmetro.

......................................................................................................................... 66

Figura 46 – Base para Alongâmetro instalado na galeria de entre dois blocos

de concreto. ...................................................................................................... 66

Figura 47 – Esquema geral de um pêndulo direto. .......................................... 67

Figura 48 – Esquema geral de um pêndulo invertido. ..................................... 68

Figura 49 – Pêndulo direto instalado na galeria de concreto. .......................... 68

Figura 50 – Aparelho de leitura para Pêndulos direto e invertido. ................... 69

Figura 51 – Esquema didático de um extensômetro de hastes. ...................... 70

Figura 52 – Terminais de leituras de extensômetros de hastes. ..................... 70

Figura 53 – Região crítica da barragem de concreto. ...................................... 75

Figura 54 - Diferença entre acurácia e precisão. ............................................. 78

Figura 55 - Locação dos piezômetros na parte central da galeria. .................. 85

Figura 56 – Piezômetro localizado na parte central da galeria. ....................... 86

ix

Figura 57 – Elemento bidimensional de solo sujeito percolação. .................... 97

Figura 58 – Modelo Físico reduzido de percolação para dentro de uma

escavação. ....................................................................................................... 99

Figura 59 – Trajetória de uma partícula de fluido. ......................................... 100

Figura 60 – Trajetória de uma partícula de fluido. ......................................... 101

Figura 61 – Canal de Fluxo. .......................................................................... 103

Figura 62 – Percolação de água através da fundação permeável de uma

cortina de estacas pranchas........................................................................... 104

Figura 63 – Percolação de água através da fundação permeável de uma

cortina de estacas pranchas........................................................................... 104

Figura 64 – Percolação através de barragens de terra homogênea. ............. 106

Figura 65 – Solução teórica de Kozeny – Parábola básica. .......................... 107

Figura 66 – Condições de entrada da freática. .............................................. 108

Figura 67 – Condições de saída da freática. ................................................. 108

Figura 68 – Gráfico para locar o ponto de saída da freática. ......................... 109

Figura 69 – Parábola básica e correções para situar a freática..................... 109

Figura 70 – Perdas de carga ao longo da freática são altimétricas. .............. 110

Figura 71 – Rebaixamento rápido do nível de água do reservatório. ............ 111

Figura 72 – Erros comuns em redes de percolação. ..................................... 112

Figura 73 –. Correções necessárias (c) e rede final corrigida (d). ................. 112

Figura 74 – Exemplos de redes de fluxo. ...................................................... 113

Figura 75 – Exemplos de redes de fluxo. ...................................................... 113

Figura 76 – Rede de fluxo pela fundação de uma barragem concreto e

diagrama de subpressões. ............................................................................. 114

Figura 77 – Encosta natural sujeita à percolação. ......................................... 116

Figura 78 – Determinação da força de percolação a partir da rede de fluxo. 117

Figura 79 – Exemplos de casos em que a linha de ruptura não é circular. ... 119

Figura 80 – Método sueco ou das lamelas e forças na lamela genérica. ...... 120

Figura 81 – Convenção de sinais do ângulo θ............................................... 121

Figura 82 – Forças aplicadas em uma lamela do solo pelo método Bishop. . 123

Figura 83 – Forças aplicadas em uma lamela do solo pelo método Janbu

(simplificado). ................................................................................................. 124

Figura 84 – Forças aplicadas em uma lamela do solo pelo método Spencer.

....................................................................................................................... 125

x

Figura 85 – Forças aplicadas em uma lamela do solo pelo método

Morgenstern-Price. ......................................................................................... 125

Figura 86 – Localização da UHE Jupiá. ........................................................ 126

Figura 87 – Detalhe da localização da UHE Jupiá. ....................................... 127

Figura 88 – Esquema de partição de quedas do rio Paraná. ........................ 129

Figura 89 – Vista superior do vertedouro de superfície da UHE Jupiá. ......... 129

Figura 90 – Vista à jusante do vertedor de superfície. .................................. 130

Figura 91 – Seção típica da barragem de terra da margem esquerda. ......... 132

Figura 92 – Materiais utilizados como condição de contorno na simulação

computacional, em ambas as seções. ........................................................... 136

Figura 93 – Malha de elementos finitos utilizados como condição de contorno

para simulação computacional, em ambas as seções. .................................. 136

Figura 94 – Materiais utilizados como condição de contorno na simulação

computacional nas duas seções em análise. ................................................. 140

Figura 95 – Superfície de escorregamento utilizada como condição de

contorno nas duas seções em análise. .......................................................... 140

Figura 96 – Resultado da simulação computacional considerando a percolação

somente pelo maciço de terra a montante da seção 62+04 m. ...................... 141

Figura 97 – Resultado da simulação computacional considerando a percolação

pelo maciço de montante e de fundação da seção 62+04 m. ........................ 142

Figura 98 – Variação temporal das leituras do piezômetro 635 no maciço de

jusante da seção 62+04 m. ............................................................................ 142





Figura 101 – Variação temporal das leituras do Medidor de Nível d’Água 602

no filtro da seção 62+04 m. ............................................................................ 144

Figura 102 – Variação temporal das leituras do piezômetro 635, em escala

ampliada. ........................................................................................................ 145


fundação a montante da seção 62+04 m. ...................................................... 146


fundação a jusante da seção 62+04 m. .......................................................... 146

xi





Figura 107 –. Variação da poropressão no maciço de terra da seção em

análise. ........................................................................................................... 149

Figura 108 –. Variação dos valores de poropressão no maciço de terra da

seção em análise. .......................................................................................... 149

Figura 109 –. Variação da carga total no maciço de terra da seção em análise.

....................................................................................................................... 149

Figura 110 –. Variação dos valores de carga total no maciço de terra da seção

em análise. ..................................................................................................... 150

Figura 111 – Visão geral da seção com o resultado de estabilidade de taludes

por Morgenstern-Price. ................................................................................... 152

Figura 112 – Detalhe da cunha de deslizamento da seção em análise pelo

método de Morgenstern-Price. ....................................................................... 152


por Spencer. ................................................................................................... 153


método de Spencer. ....................................................................................... 153


por Bishop. ..................................................................................................... 154


método de Bishop. ......................................................................................... 154


por Janbu. ...................................................................................................... 155


método de Janbu. ........................................................................................... 155

Figura 119 – Exemplo de uma das lamelas com os vetores utilizados para o

cálculo computacional pelo método Janbu. .................................................... 156

Figura 120 – Resultado da simulação computacional considerando a

percolação somente pelo maciço de terra a montante da seção 84+15 m. ... 157

Figura 121 – Resultado da simulação computacional considerando a

percolação pelo maciço de montante e de fundação da seção 62+04 m. ...... 157

xii

Figura 122 – Variação temporal das leituras do medidor de nível d’água 603 no

maciço de jusante da seção 84+15 m. ........................................................... 158








jusante da seção 84+15 m em escala ampliada. ........................................... 160


montante na fundação da seção 84+15 m. .................................................... 161


jusante na fundação da seção 84+15 m. ........................................................ 161








jusante na fundação da seção 84+15 m em escala ampliada. ....................... 163

Figura 133 –. Variação da poropressão no maciço de terra da seção em

análise. ........................................................................................................... 165

Figura 134 –. Variação dos valores de poropressão no maciço de terra da

seção em análise. .......................................................................................... 165


....................................................................................................................... 165

Figura 136 –. Variação dos valores de carga total no maciço de terra da seção

em análise. ..................................................................................................... 166


por Morgenstern-Price. ................................................................................... 168


método de Morgenstern-Price. ....................................................................... 168

xiii


por Spencer. ................................................................................................... 169


método de Spencer. ....................................................................................... 169


por Bishop. ..................................................................................................... 170


método de Bishop. ......................................................................................... 170


por Janbu. ...................................................................................................... 171


método de Janbu. ........................................................................................... 171

Figura 145 – Exemplo de uma das lamelas com os vetores utilizados para o

cálculo computacional pelo método Janbu. .................................................... 172

Figura 146 – Seção 62+04 m com o posicionamento dos instrumentos ....... 179

Figura 147 – Seção 84+15 m com o posicionamento dos instrumentos ....... 181

Figura 148 – Níveis piezométricos da margem esquerda estacas 36 a 75 ... 183

xiv

LISTA DE ABREVIAÇÕES E SIGLAS

BA Base para Alongâmetro

BT Base para Tensotast

BTMD Barragem de Terra Margem Direita

BTME Barragem de Terra Margem Esquerda

CBDB Comitê Brasileiro de Barragens

CBGB Comitê Brasileiro de Grandes Barragens

CESP Companhia Energética de São Paulo.

CF Casa de Força

CIGB Commission Internationale des Grands

Barrages

DF Descarregador de Fundo

EC Eclusa

EH Extensômetro de Haste

EH Empuxo Hidrostático da Água

ELETROBRÁS Centrais Elétricas Brasileiras S.A.

FEIS Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira

GER Geral

ICOLD International Commission on Large Dams

IPT Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São

Paulo

KM Medidor de Recalque de Placas

MJDF Muro Jusante Descarregador de Fundo

xv

MM Medidor de Recalque Magnético

MV Medidor de Vazão

MSC Muro Separação Central

MEC Ministério da Educação

NA Medidor de Nível D’ Água

P Peso

PA Poço de Alívio

PAE Plano de Ação Emergencial

PCH’s Pequenas Centrais Hidrelétricas

PZ Piezômetro de Tubo

SICESP Sistema CESP de Segurança de Barragens

SOSEm Sistema de Operação em Situação de

Emergência

T Força de Cisalhamento

UNIFEI Universidade Federal de Itajubá

U Subpressões

UFOP Universidade Federal de Ouro Preto

UNESP Universidade Estadual Paulista “Júlio de

Mesquita Filho”

VS Vertedouro de Superfície,

xvi

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO .................................................................................... 20

1.1 Objetivo ............................................................................................... 21

2 APRESENTAÇÃO DO TRABALHO .......................... ......................... 21

3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................. .................................. 22

3.1 Barragens ............................................................................................ 22

3.1.1 Evolução Histórica ............................................................................... 22

3.1.2 Barragem de Concreto Gravidade (Concreto Massa).......................... 23

3.1.3 Barragem de Concreto Estrutural com Contrafortes ............................ 25

3.1.4 Barragem de Gravidade Aliviada ......................................................... 26

3.1.5 Barragem de Concreto em Arco de Dupla Curvatura .......................... 27

3.1.6 Barragem de Terra Homogênea .......................................................... 28

3.1.7 Barragem de Terra-Enrocamento ........................................................ 31

3.1.8 Barragem de Enrocamento com Membrana de Concreto ................... 33

3.1.9 Barragem em Aterro Hidráulico ........................................................... 34

3.1.10 Barragens de Contenção de Rejeitos .................................................. 35

3.1.11 Concreto Compactado a Rolo (CCR) .................................................. 36

3.2 Instrumentos de Auscultação .............................................................. 37

3.3 Histórico da Instrumentação ................................................................ 38

3.4 Principais Instrumentos de Auscultação .............................................. 40

3.4.1 Medidor de Nível d’Água ..................................................................... 40

3.4.2 Medidor de Vazão................................................................................ 41

3.4.3 Piezômetros ......................................................................................... 43

3.4.4 Comparação entre Piezômetros .......................................................... 53

3.4.5 Célula de Tensão Total ........................................................................ 54

3.4.6 Medidores de Deslocamento ............................................................... 57

xvii

3.5 Planejamento de Instrumentação ........................................................ 71

3.6 Localização dos Instrumentos ............................................................. 73

3.7 Fatores que Influenciam as Medições. ................................................ 75

3.8 Instalação, Manutenção e Calibração. ................................................ 76

3.9 Características das Leituras. ............................................................... 77

3.9.1 Conformidade. ..................................................................................... 77

3.9.2 Acurácia ............................................................................................... 77

3.9.3 Precisão ............................................................................................... 78

3.9.4 Resolução ............................................................................................ 78

3.9.5 Campo de Leitura ................................................................................ 79

3.9.6 Amplitude ............................................................................................. 79

3.9.7 Erros de Leitura ................................................................................... 79

3.9.8 Erros Grosseiros .................................................................................. 79

3.9.9 Erros Sistemáticos ............................................................................... 80

3.9.10 Erros de Conformidade ........................................................................ 80

3.9.11 Erros Ambientais ................................................................................. 80

3.9.12 Erros Observacionais .......................................................................... 81

3.9.13 Erros de Amostragem .......................................................................... 81

3.9.14 Frequências de Leituras ...................................................................... 81

3.10 Falhas na Instrumentação de Barragens ............................................ 84

3.10.1 Falhas na Instrumentação de Barragens de Concreto ........................ 84

3.10.2 Falhas na Instrumentação de Barragens de Terra .............................. 86

3.10.3 Falha na Ausência de Relatórios ......................................................... 88

3.10.4 Falhas na Emissão dos Relatórios de Dados. ..................................... 88

3.10.5 Falhas nos Relatórios de Análise do Comportamento das Estruturas . 89

3.11 Inspeção de Barragens ....................................................................... 89

3.11.1 Estruturas de Concreto ........................................................................ 90

xviii

3.11.2 Estruturas Metálicas ............................................................................ 90

3.11.3 Barragens de Terra .............................................................................. 90

3.12 Classificação da Ruptura de Barragens .............................................. 91

3.12.1 Reavaliação da Segurança de Barragens ........................................... 92

3.12.2 Procedimentos de Emergência ............................................................ 93

3.12.3 Estudos de Inundação ......................................................................... 94

3.13 Percolação de Água nos Solos ........................................................... 95

3.13.1 Introdução à Percolação de Água nos Solos ....................................... 95

3.13.2 Equação Geral do Fluxo ...................................................................... 96

3.13.3 Resolução da Equação do Fluxo ......................................................... 98

3.13.4 Redes de Fluxo.................................................................................. 102

3.13.5 Fluxo Confinado................................................................................. 104

3.13.6 Fluxo Não-Confinado ......................................................................... 106

3.13.7 Linha Freática .................................................................................... 107

3.13.8 Situações Especiais ........................................................................... 110

3.13.9 Recomendações Gerais .................................................................... 111

3.13.10 Cálculo de Supressões e de Forças de Percolação .......................... 114

3.14 Estabilidade de Taludes .................................................................... 117

3.14.1 Introdução .......................................................................................... 117

3.14.2 Métodos de Equilíbrio-Limite ............................................................. 119

3.14.3 Dedução da Fórmula do Coeficiente de Segurança .......................... 120

3.14.4 Pesquisa do Círculo Crítico ............................................................... 121

3.15 Métodos de Estabilidade de Taludes ................................................ 122

3.15.1 Método de Bishop Simplificado ......................................................... 122

3.15.2 Método de Janbu (simplificado) ......................................................... 123

3.15.3 Método de Spencer ........................................................................... 124

3.15.4 Método de Morgenstern-Price ........................................................... 125

xix

3.16 UHE Engenheiro Souza Dias (Jupiá) ................................................ 126

3.16.1 Geologia Local ................................................................................... 131

4 MATERIAIS E MÉTODOS ............................... ................................. 133

4.1 Seções Analisadas ............................................................................ 133

4.2 Dados Reais ...................................................................................... 133

4.3 Seção 62+04 m ................................................................................. 134

4.4 Seção 84+15 m ................................................................................. 134

4.5 Software SEEP/W ............................................................................. 134

4.6 Software SLOPE/W ........................................................................... 137

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ........................... ........................... 141

5.1 Seção 62+04 m ................................................................................. 141

5.1.1 Análise de Percolação ....................................................................... 141

5.1.2 Análise de Estabilidade de Taludes ................................................... 151

5.2 Seção 84+15 m ................................................................................. 156

5.2.1 Análise de Percolação ....................................................................... 156

5.2.2 Análise de Estabilidade de Taludes ................................................... 168

6 CONCLUSÕES ................................................................................. 172

REFERÊNCIAS.............................................................................................. 175

ANEXO A ........................................... ............................................................ 178

ANEXO B ........................................... ............................................................ 180

ANEXO C ....................................................................................................... 182

20

1 INTRODUÇÃO

Barragens são utilizadas desde a antiguidade para armazenar água nos

períodos chuvosos e utilizá-la nos períodos de seca. No nosso país a falta de

água no nordeste, a necessidade de desenvolvimento nacional e o potencial

hídrico foram fatores determinantes para o grande número de barragens

construídas desde o século XIX. No final desse século a navegação e a

produção de energia elétrica se tornaram objetivos adicionais, sendo

construídas nas regiões Sul e Sudeste as primeiras usinas voltadas para

geração de energia, com pequenas dimensões e cargas.

Principalmente no período da ditadura militar do nosso país, quando houve

um grande salto econômico, conhecido por “milagre econômico”, foram

executadas as maiores usinas hidroelétricas do mundo na época, dentre elas

Itaipu, Ilha Solteira, Jupiá e Tucuruí.

Pelo aumento da complexidade das barragens e visando melhorar o

acompanhamento das condições das mesmas, foram aplicados os

equipamentos de auscultação, cuja função é auxiliar na observação do

desempenho e permitir uma projeção do comportamento da barragem.

O planejamento de uma instrumentação geotécnica não é simples, requer

muito cuidado tanto na escolha dos equipamentos quanto da mão-de-obra, o

planejamento deve ser feito por um grupo com especialistas em

instrumentação geotécnica, lembrando que a instrumentação é apenas uma

ferramenta e não uma solução, sendo seu uso indicado desde a fase de

construção, para adaptação do projeto, até a fase de operação, indicando

eventuais correções (SILVEIRA, 2006).

21

1.1 Objetivo

Interpretar os registros dos aparelhos de auscultação instalados na Usina

Hidrelétrica Engenheiro Souza Dias (Jupiá), bem como compará-los com

resultados obtidos por meio dos softwares SEEP/W e SOLPE/W do pacote

GeoStudio.

2 APRESENTAÇÃO DO TRABALHO

O presente trabalho foi dividido em 7 capítulos, sendo o primeiro introdutório

ao tema abordado, citando a evolução das barragens e a necessidade do

programa de auscultação, além do objetivo do trabalho, de forma simples,

direta e sucinta. O segundo apresenta o trabalho, citando a ênfase principal de

cada capítulo. O terceiro se refere à revisão bibliográfica, onde os principais

conteúdos abordados ao longo do trabalho são discorridos. O quarto trata dos

materiais empregados e dos métodos utilizados para se chegar aos resultados.

O quinto discorre sobre os resultados obtidos em cada seção analisada. O

sexto aborda as conclusões que puderam ser obtidas das análises do capítulo

anterior. O sétimo, e último, engloba as referências bibliográficas e os anexos

utilizados no decorrer do trabalho.

22

3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1 Barragens

3.1.1 Evolução Histórica

As barragens de terra são construções de longa data. Um dos registros

mais antigos é o da barragem de 12 m de altura, construída no Egito, há

aproximadamente 6800 anos, e que rompeu por transbordamento.

As barragens de terra eram homogêneas, com o material transportado

manualmente e compactado por pisoteamento, por animais ou homens. A

barragem do Guarapiranga foi construída pelos ingleses, no início do século

XX, próximo à cidade de São Paulo, usando a técnica de aterro hidráulico a

certa cota, complementada até a crista com solo compactado por carneiros,

existindo, inclusive, um documento que cita a utilização dos carneiros na obra.

Em 1820 consta que Telford introduziu o uso de núcleos argila para garantir a

estanqueidade das barragens. O uso de enrocamento iniciou-se,

provavelmente, na Califórnia, na década de 1850, pois havia carência de

material terroso. Os blocos de rocha eram simplesmente empilhados, sem

nenhuma compactação. Em consequência, muitas barragens sofreram

recalques bruscos, pois diante da saturação ocorria um amolecimento da rocha

nos pontos de contato entre elas. Hoje, os aterros de enrocamento são

construídos com rolos compactadores vibratórios, obtendo-se um entrosamento

maior entre as pedras.

A compactação mecânica só foi introduzida de meados do século XIX para

o início do século XX, muito antes da Mecânica dos Solos se estabelecer.

As primeiras barragens de terra brasileiras foram construídas no nordeste,

no início do século XX, no plano de combate à seca, sendo projetadas com

bases empíricas. A barragem de Curema, construída na Paraíba em 1938,

23

contava com os novos conhecimentos da Mecânica dos Solos. Mas somente

em 1947, com a barragem do Vigário, atual barragem Terzaghi, localizada no

Estado do Rio de Janeiro, é que se inaugurou o uso da moderna técnica de

projeto e construção de barragens de terra no Brasil, sendo também um marco,

pois pela primeira vez Terzaghi empregou o filtro vertical como elemento de

drenagem interna de barragens de terra. Hoje, existem centenas de barragens

de terra e terra-enrocamento em operação no país, inclusive de enrocamento

com face de concreto, como a barragem de Foz do Areia (PR), com 156 m de

altura, a maior delas projetada e construída por brasileiros. (VARGAS, 1977

citado por MASSAD, 2003).

Uma barragem deve ser vista como por um todo no espaço, ou seja,

compreendendo a bacia da represa; os terrenos de fundação, as estruturas

anexas (vertedouros, descarregadores de fundo, tomada d`água, galerias,

casas de força, etc.); instrumentos de auscultação (piezômetro, medidores de

recalques, etc.), importantes para a observação do comportamento da obra; e

as instalações de comunicação e manutenção. (MELLO, 1975 citado por

MASSAD, 2003).

3.1.2 Barragem de Concreto Gravidade (Concreto Mass a)

A estabilidade é garantida pelo seu peso próprio, deste modo, requer

fundações em rocha, por questões de capacidade de suporte do terreno.

Conforme a Figura 1, é possível notar que além do empuxo hidrostático da

água (EH), intervém a resultante das subpressões (U), que atua na base da

barragem, tendendo a instabilizá-la, pois reduz o efeito do peso próprio (P), que

é a força estabilizadora (MASSAD, 2003).

24

Figura 1 – Barragem de concreto gravidade.

Fonte: Massad (2003).

A verificação da estabilidade é feita com a aplicação dos princípios da

estática, sob dois aspectos: estabilidade quanto ao deslizamento, em que se

compara a força EH com a força de cisalhamento T; e a estabilidade quanto ao

tombamento. A resultante das forças deve ser localizada no terço médio da

base, para evitar tração no pé de montante da barragem (MASSAD, 2003). A

Figura 2 ilustra a barragem Three Gorges Dam em concreto gravidade, na

China.

Figura 2 – Barragem Three Gorges Dam em concreto gravidade.

Fonte: Wikipedia (2014).

25

3.1.3 Barragem de Concreto Estrutural com Contrafor tes

Barragens constituídas de lajes ou abóbadas múltiplas (Figura 3) inclinadas,

apoiadas em contrafortes. Em comparação com o tipo anterior, requerem

menor volume de concreto, mas exigem mais forma e armação.

Figura 3 – Barragem de concreto estrutural com contrafortes.


A estabilidade quanto ao deslizamento é favorecida pela inclinação da

resultante do empuxo hidrostático, isto é, a o peso próprio da água causa um

efeito benéfico, pois se adiciona ao peso próprio da barragem, garantindo a

estabilidade.

Em relação às fundações é preciso ter certos cuidados, pois a sua base, em

contato com o maciço rochoso, é relativamente pequena. A Figura 4 mostra a

barragem em contra forte Salto Grande.

26

Figura 4 – Barragem Salto Grande em contra fortes.

Fonte: Memória Duke (2014).

3.1.4 Barragem de Gravidade Aliviada

Devido sua menor área de base, a subpressão fica muito reduzida, o risco

ao tombamento é praticamente eliminado pelo peso da água sobre o parâmetro

inclinado de montante. Entretanto há um aumento nos esforços de

compressão, com valores de 4,0 – 5,0 MPa, dependendo da altura e geometria

da barragem. São barragens mais suscetíveis ao deslizamento, devido seu

menor peso, sendo comuns obras de reforço de fundação (OLIVEIRA; BRITO,

1998).

Podem economizar de 25 a 40% de concreto, em relação às barragens de

concreto gravidade, porém necessitam de fundações melhores. (OLIVEIRA;

BRITO, 1998). A Figura 5 ilustra a barragem principal de Itaipu, em gravidade

aliviada.

27

Figura 5 – Barragem principal de Itaipu em gravidade aliviada

Fonte: CEPA (2014)

3.1.5 Barragem de Concreto em Arco de Dupla Curvatu ra

Sua forma, com dupla curvatura (Figura 6) faz com que o concreto trabalhe

em compressão. Esse tipo de construção só é possível através do

engastamento em vales fechados, ou seja, pequenos vales, em que a relação

entre a largura da crista e a altura da barragem fique inferior a 2,5.

Figura 6 – Barragem de concreto em arco de dupla curvatura.


28

O problema é hiperestático e sua solução requer considerações quanto à

compatibilidade de deformações entre a estrutura de concreto e o maciço

rochoso, onde há necessidade de se conhecer o módulo de elasticidade da

rocha. Além disso, por conta da espessura da “casca”, no contato com o

maciço rochoso, ser da ordem de 10 a 15% da altura da barragem, as

fundações devem ser melhores do que nos tipos anteriores. A Figura 7 ilustra

Hoover Dam, em arco nos EUA.

Figura 7 – Barragem Hoover Dam de concreto em arco.

Fonte: Gomes (200-).

3.1.6 Barragem de Terra Homogênea

Tipo de barragem mais comum no Brasil, devido às condições topográficas,

com vales muitos abertos, e a disponibilidade de material terroso no Brasil.

Tolera fundações mais deformáveis, podendo-se construir barragens de terra

apoiadas sobre solos moles, como foi o caso da barragem do Rio Verde,

próxima a Curitiba, com 15 m de altura máxima. A Figura 8 ilustra

didaticamente uma barragem de terra homogênea

29

Figura 8 – Barragem de Terra Homogênea.


A inclinação dos taludes de montante e jusante é fixada de modo a garantir

a estabilidade durante a vida útil da barragem, principalmente em final de

construção e em situações de rebaixamento rápido do reservatório.

Um dos mais preocupantes é o piping ou erosão interna regressiva, no

próprio corpo da barragem ou nas suas fundações. Esse fenômeno consiste no

carregamento de partículas de solo pela água em fluxo, numa progressão de

jusante para montante, daí o termo “regressivo” empregado para designá-lo;

com o passar do tempo, forma-se um tubo de erosão, que pode evoluir para

cavidades relativamente grandes no corpo das barragens, levando-as ao

colapso (MASSAD, 2003).

Portanto é preciso se ter um controle da percolação, tanto pelas fundações

quanto pelo corpo da barragem. Neste, intercepta-se o fluxo de água, de modo

a impedir sua saída nas faces dos taludes de jusante ou nas ombreiras de

jusante, por meio de filtros verticais (tipo “chaminé”) ou inclinados. Os filtros

são constituídos de areia ou material granular, com granulometria adequada

para evitar o carregamento de partículas de solo e, nesse sentido, o material

deve satisfazer o “Critério de Filtro de Terzaghi”. Esses filtros colaboram

também na dissipação das pressões neutras construtivas e de rebaixamento

rápido (MASSAD, 2003).

Uma variante desse tipo é a barragem de terra zoneada, construída com um

único solo, mas compactado em condições diferentes de umidade, o que

confere ao solo características geotécnicas diferentes. Trata-se de uma

30

otimização da seção de uma barragem de terra, para tirar partido das

características do solo seco, usado nos espaldares, onde se deseja mais

resistência (estabilidade), e do solo úmido, no núcleo, onde se quer baixa

permeabilidade (estanqueidade) (MASSAD, 2003).

Outras variantes são as barragens em aterro úmido, construídas

compactando-se os solos de empréstimos normalmente, com a diferença de

que as umidades de compactação são muito elevadas, 5 a 10% acima da ótima

de Proctor. A construção de um aterro convencional demandaria muito tempo.

Nesse tipo de barragem, os problemas referem-se ao controle do peso dos

equipamentos de compactação, que devem ser leves para evitar o solo

“borrachudo”, além das pressões neutras de final de construção, que

costumam ser altas devido à elevada umidade de compactação do solo

(MASSAD, 2003). Uma barragem de terra homogênea é mostrada pela Figura

9.

Figura 9 – Barragem de Terra Homogênea da UHE Três Marias, MG.


31

3.1.7 Barragem de Terra-Enrocamento

É a mais estável dentre as barragens de terra, não havendo registro de

ruptura envolvendo seus taludes. O material do enrocamento (pedras)

apresenta elevado ângulo de atrito, garantindo a estabilidade dos taludes de

montante e jusante, mesmo quando são íngremes (inclinações de 1: 1,6 até 1:

2,2). O núcleo argiloso fornece a estanqueidade à barragem, permitindo o

represamento de água (MASSAD, 2003).

O núcleo dessas barragens pode ser central ou inclinado para montante

(Figura 10). Quando a argila e o enrocamento apresentam compressibilidade

comparáveis entre si, o núcleo central tem a vantagem de exercer uma pressão

maior nas fundações, além de ser mais largo na sua base, o que é benéfico em

termos de controle de perdas d’água. No entanto, se a argila for mais

compressível que o enrocamento, pode ocorrer o fenômeno de arqueamento.

Nessas condições, a argila tende a recalcar mais, sendo impedida pelos

espaldares, mais rígidos. A vantagem de se inclinar o núcleo é que não há

como transferir seu peso para os espaldares. Outra vantagem é que se pode

levantar grande parte do enrocamento de jusante, ganhando-se tempo,

enquanto se procede ao tratamento das fundações (injeções na base do

núcleo) (MASSAD, 2003).

No que se refere ao controle da percolação pelo corpo da barragem,

dispõe-se de material altamente permeável, o enrocamento de jusante, que

permite uma vazão rápida das águas de percolação; deve-se apenas dispor de

uma transição gradual, em termos de granulometria, entre a argila e as pedras,

para evitar o piping. Nas fundações, a percolação concentra-se sob a base do

núcleo, que é relativamente pequena; para evitar fugas d’água significativas, é

necessário um maciço de fundação mais estanque, quando comparada com a

barragem de terra homogênea, em que o caminho de percolação é maior

(MASSAD, 2003).

32

Figura 10 – Barragem de terra-enrocamento (a) com núcleo central e (b) inclinado.


A barragem de Emborcação, em terra enrocamento é ilustrada pela Figura

11.

Figura 11 – Barragem Emborcação em terra-enrocamento.


33

3.1.8 Barragem de Enrocamento com Membrana de Concr eto

Esse tipo de barragem apresenta, como parte impermeável, placas de

concreto sobre o talude de montante de enrocamento. Essas placas são

ligadas umas às outras por meio de juntas especiais, pois se apoiam em meio

deformável (MASSAD, 2003). A Figura 12 mostra a barragem de Xingó entre

Sergipe e Alagoas

Figura 12 – Barragem de Xingó em enrocamento com membrana de concreto.


A grande vantagem está no cronograma construtivo, pois tanto o aterro

quanto a membrana de concreto podem ser construídos independentemente do

clima e, portanto, da duração das estações chuvosas. Além disso, podem-se

projetar aterros de enrocamento que suportam o desvio de rios por entre as

pedras: basta que se tomem alguns cuidados no talude de jusante, como a

colocação de bermas, com pedras de maior tamanho, entrosadas com pedras

pequenas, bem compactadas, podendo-se fixar umas às outras com

chumbadores ou telas de ferro (MASSAD, 2003).

34

3.1.9 Barragem em Aterro Hidráulico

É uma barragem construída por processo hidráulico, em que o solo é

transportado com água, por meio de tubulações, até o local de construção. Ao

ser despejado, o material segrega-se, separando-se as areias, que formam os

espaldares do aterro, dos finos (siltes e argilas), que acabam por constituir o

núcleo da barragem. A Figura 13 ilustra um exemplo didático de barragem em

aterro hidráulico.

Figura 13 – Barragens em aterro hidráulico.


A vantagem é o baixo custo, apesar do grande volume de solo que

despende, em virtude do abatimento dos taludes (1:5). Várias barragens foram

construídas com essa técnica em diversos países, inclusive no Brasil, estando

muitas delas em operação. Em face do processo construtivo, as areias dos

espalmares apresentam-se com compacidade fofa e saturada, sujeitas ao

fenômeno da liquefação. Os defensores dessa técnica argumentam que basta

deixar um rolo vibratório “passeando” sobre as areias recém-despejadas das

tubulações, para se ter uma certa densificação das mesmas e uma garantia

contra a liquefação. (MASSAD, 2003).

35

3.1.10 Barragens de Contenção de Rejeitos

São construídas a partir de um dique inicial em um aterro compactado

(onde se acumulam os rejeitos). Sua execução se dá em múltiplas etapas, em

função dos volumes de rejeitos produzidos, utilização de diferentes materiais

de construção nos alteamentos sucessivos, incluindo-se os próprios rejeitos,

possuindo retorno dos investimentos de sua vida útil.

A construção é normalmente realizada em etapas, sendo que a primeira

consiste na construção do dique de partida, o qual é constituído de solo ou

enrocamento compactado. As etapas seguintes correspondem a alteamentos

consecutivos executados com solos compactados ou com a fração grossa dos

rejeitos gerados (Figura 14). Os alteamentos devem ocorrer de forma a

disponibilizar capacidade de armazenamento no reservatório e para evitar que

o lago se aproxime da barragem e venha a causar a elevação da linha freática

e uma possível instabilidade do maciço (GOMES, 200-).

Figura 14 – Etapas construtivas de uma barragem de rejeitos.


36

A Figura 15 mostra uma barragem em rejeitos construída pela VALE.

Figura 15 – Barragem Pontal da VALE em rejeitos


3.1.11 Concreto Compactado a Rolo (CCR)

É definido como sendo um concreto de consistência seca, sem slump, com

aspecto arenoso e propriedades próprias, que é transportado, espalhado e

compactado de forma continua, através de maquinários normalmente aplicados

em obras de terra. (OLIVEIRA, 1995 citado por FILHO, 2003.).

Como o CCR tem uma consistência seca para ser adensado com rolos

vibratórios, a dosagem do CCR difere dos concretos convencionais e a escolha

dos materiais deve ser feita de modo a atender às características estabelecidas

para a mistura a ser dosada. (FILHO, 2003.)

Sua execução é muito rápida, quando comparada a outros métodos

construtivos. Por isso, os responsáveis pela fiscalização – seja o proprietário da

obra ou uma empresa contratada para desempenhar a função – precisam

mapear, previamente, todos os procedimentos a serem executados pelo

construtor e averiguar, antes do início dos trabalhos, se as condições

estabelecidas pelo contrato poderão ser atendidas.

37

O projeto básico já inclui itens fundamentais para a sequência executiva,

que determinarão, por exemplo, o teor de cimento no concreto a ser utilizado.

Os equipamentos de compactação são de grande importância, pois sua

capacidade de compactar é diretamente ligada a qualidade da obra.

A execução começa com a concretagem de regularização sobre a rocha,

com o lançamento de concreto convencional, adensado com vibrador de

imersão. Sobre o concreto anterior (de regularização), lança-se uma camada

de concreto convencional, que servirá de base para o CCR. O lançamento do

concreto sobre a rocha deve ocorrer sobre superfície saturada seca. O

fiscalizador deve atentar para as dimensões da camada de regularização, de

modo a evitar problemas de origem térmica (PINI, 2014). A Figura 16 ilustra

um exemplo de barragem em CCR.

Figura 16 – Execução de concreto compactado com rolo na barragem da Usina Hidrelétrica Mauá, no Paraná.

Fonte: PINI (2014).

3.2 Instrumentos de Auscultação

Chama-se auscultação de uma barragem ao conjunto de processos que

visam observação, detecção e caracterização de eventuais danos que

38

constituem risco potencial às condições de sua segurança global (FONSECA,

2003).

3.3 Histórico da Instrumentação

Na década de 1850 foram empregados os primeiros instrumentos para

avaliação de segurança de barragens, a princípio foram utilizados apenas

aparelhos topográficos, como os registrados na barragem de Grosbois, França.

No final do século XIX, na Índia, foram utilizados piezômetros para estudo da

percolação de água na fundação de barragens de irrigação.

Em 1916, nos Estados Unidos, foi projetado um aparelho para medição de

pressão, por Roy Carlson, nesse mesmo país, em 1922, foi lançado um

programa de instrumentação de barragens em arco. Na França, no ano de

1931, André Coyne, patenteou um sensor de corda vibrante seguido de um

grande programa de auscultação na barragem de Magères (1932-1935), desde

então o sensor de corda gerou uma série de outros sensores, utilizados até

hoje.

Com o objetivo de promover melhorias no projeto, construção, manutenção

e na operação de grandes barragens, foi aprovado na assembleia de Londres

do Conselho Executivo da Conferência Mundial de Energia, unanimemente, o

reconhecimento da Comissão Internacional de Grandes Barragens, em 3 de

outubro de 1928 (MELLO; PIASENTIN, 2011).

Em 1936 tem início o Comitê Brasileiro de Grades Barragens (CBGB) e

posteriormente, em 1957 o Brasil ingressa na Comissão Internacional de

Grandes Barragens (CIGB), no ano de 1961 o CBGB foi sucedido pelo atual

Comitê Brasileiro de Barragens (CBDB). Sendo que, a instrumentação ganhou

impulso a partir da década de 1950, época que se passou a construir um

grande número de usinas hidrelétricas cada vez maiores e localizadas em

locais de elevada complexidade geológico-geotécnica.

39

A partir da década de 1970 nosso país passou a produzir instrumentos para

auscultação de barragens de terra e enrocamento, que até então eram

importados, com respaldo técnico do Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT)

e do Laboratório CESP de Engenharia Civil (LCEC), em Ilha Solteira, tal

produção nacional teve início devido as dificuldade em importar produtos no

regime militar, no entanto, instrumentos mais rebuscados como piezômetros de

corda vibrante continuaram a ser importados.

A CESP intensificou seu programa de monitoramento em 1977, após as

usinas Caconde e Euclides da cunha, na época sob sua concessão, romperem.

A primeira medida foi a criação do Sistema de Operação em Situação de

Emergência (SOSEm), documento existente até hoje. No ano de 1988 ocorre a

digitalização das leituras criando um cadastro de todos os instrumentos e suas

respectivas leituras que em 1995, com o desenvolvimento do Sistema CESP de

Segurança de Barragens (SICESP) migraram para esse sistema, onde todas

as informações foram organizadas, possuindo leituras desde 1986 (CESP,

2013).

Seguindo a tendência mundial, o Comitê Brasileiro de Grandes Barragens,

a partir de 1970 fez várias publicações para servirem de alicerce para os

procedimentos de segurança adotados nas barragens nacionais. Estas

publicações foram: “Diretrizes para a Inspeção e Avaliação da Segurança em

Operações” (1979 e 1983) “Recomendações para a Formulação e Verificação

de Critérios e Procedimentos de Segurança de Barragens” (1986) “Cadastro

Brasileiro de Deterioração de Barragens e Reservatórios” (1995) e

“Auscultação e Instrumentação de Barragens no Brasil” (1996) (CBDB, 2001).

No início do século XXI, a evolução tecnológica direcionou-se para o

desenvolvimento da instrumentação por fibra ótica oferecendo excelente

vantagem se comparado a sistemas tradicionais de medição. A instrumentação

em fibra ótica, em relação a convencional, possui tamanho reduzido, não tem

condutividade nem risco de choque elétrico. Não atrai descargas elétricas

atmosféricas, não interfere com campos eletromagnéticos ou ondas de rádio e

é mais resistente a corrosão. (MACHADO, 2007).

40

3.4 Principais Instrumentos de Auscultação

3.4.1 Medidor de Nível d’Água

Tem por objetivo determinar a posição da linha freática, ou seja, do nível

d’água no maciço. Instrumento de fácil execução, bastando a princípio apenas

a execução de um furo de sondagem ou poço.

Para aumentar o tempo de vida útil, uma boa técnica consiste em utilizar um

tubo de PVC perfurado, envolto em geotêxtil ou outro material filtrante, como

areia, para que assim a água presente no maciço possa penetrar no tubo e os

furos não se fecham, finalizando com uma tampa. A parte do aparelho acima

do solo é envolta por concreto, coberto por uma tampa de material metálico,

para proteger das águas pluviais de modo que não interfiram nas leituras bem

como proteger de eventuais vandalismos. A Figura 17 a seguir mostra um

medidor de nível d’água típico.

Figura 17 – Esquema de um medidor de nível d’água.

Fonte: Cruz (1996).

41

A leitura consiste na determinação da cota de instalação, subtraída da

medida do pio, instrumento consistido de uma corda graduada em metros com

um sensor na ponta que ao encostar-se à água fecha um circuito elétrico

formado pelo conjunto sensor/cabo/galvanômetro/bateria, o ponteiro do

galvanômetro se desloca ou um som é emitido pelo aparelho, dependendo do

tipo do mesmo, pode-se, então, determinar a leitura com o auxilio de uma trena

(Cruz, 1996).

3.4.2 Medidor de Vazão

Visa determinar a vazão de drenos ou o somatório de trechos ou da

totalidade da estrutura, além das vazões de percolação que ocorrem no maciço

de terra ou rochoso.

Dois tipos principais são mais utilizados, destacados a seguir.

• Vertedores Parshall

São confiáveis e duráveis. Tem vantagem sobre os triangulares e os

retangulares, pois podem ser utilizados com declividades menores entre

montante e jusante. A Figura 20 ilustra um vertedor tipo Parshall

• Vertedores triangulares e retangulares

Possuem boa confiabilidade e durabilidade, desde que passados por

tratamentos anticorrosivos, sendo também de fácil leitura;

Além dos dois métodos mencionados, a medida de vazão também pode ser

efetuada pelo método vasilha cronômetro nos drenos de fundação e poços de

alívio. Tal método consiste em se cronometrar o tempo necessário para se

encher uma proveta graduada.

A UHE Engenheiro Souza Dias utiliza dos métodos de vasilha cronômetro e

de vertedores triangulares, estes por permitir leituras mais precisas em

42

pequenas vazões, normalmente construídas em chapas metálicas com ângulo

de 90°, neste caso a equação utilizada para o cálculo é:

Q=1,4.H5 2⁄

Onde H corresponde à lâmina d’agua acima do vértice da placa, a Figura 18

ilustra os parâmetros, bem como a 19 um vertedor triangular.

Figura 18 -Medidor de vazão tipo triangular.

Fonte: Silveira (2006).

Figura 19 – Medidor de vazão triangular.

Fonte: CESP (2013).

43

Figura 20 – Calha tipo Parshall.

Fonte: CESP (2013).

3.4.3 Piezômetros

Tem como objetivo determinar as pressões neutras que ocorrem no maciço

da barragem de terra ou enrocamento e subpressões em contato com

estruturas de concreto. São de grande importância para o monitoramento das

condições de segurança de barragem. A seguir são descritos os principais tipos

de piezômetros.

• Piezômetro de Tubo Aberto.

Muito utilizados para auscultação de maciços de terra ou rochosos,

em sua fundação e no próprio corpo da barragem. Construtivamente,

difere do medidor de nível d’água no comprimento perfurado e na

extensão preenchida com material drenante (CRUZ, 1996). Estão entre

os mais confiáveis e robustos na função que desempenham, além da

simplicidade em seu manuseio, baixo custo, alto desempenho e vida útil

(SILVEIRA, 2006). Dentre as principais vantagens destacam-se:

� Confiabilidade;

� Durabilidade;

44

� Sensibilidade;

� Pode-se verificar seu desempenho em ensaios de

recuperação de NA;

� Estimativa do coeficiente de permeabilidade do solo onde se

encontra instalado;

As principais desvantagens são:

� Interferência na compactação na fase de construção;

� Inadequação na medição de pressões neutras no período

construtivo;

� Restrições quanto a sua instalação a montante da linha

d’água;

� Alto tempo de resposta, quando instalado em solos de baixa

permeabilidade.

O nível d’água pode ser determinado da seguinte forma (Cruz, 1996):

Cota Piezométrica=Cota de Topo-Leitura

A Figura 21 mostra o um piezômetro de tubo aberto e a 22 um piezômetro

de tubo aberto instalado na UHE Jupiá.

Figura 21 – Esquema geral de um piezômetro de tubo aberto.

Fonte: Cruz (1996).

45

Figura 22 – Piezômetro de tubo aberto sendo lido com auxilio do pio.

Fonte: Dados do próprio autor.

Figura 23 – Piezômetro de tubo aberto com manômetro para leitura em locais de elevada pressão.

Fonte: CESP (2013).

• Piezômetro Pneumático

Seu funcionamento baseia-se no equilíbrio de pressões em um

diafragma flexível, atuando de um lado a pressão d’água, a qual se

deseja medir e do outro um gás (geralmente nitrogênio) de pressão

variável e conhecida. A conexão entre e o painel de leitura que contém o

46

manômetro é feita através de dois tubos flexíveis, um de alimentação e

outro de retorno, que se comunica com o diafragma (lado oposto da

água) por meio de dois orifícios. Quando a pressão do gás supera da

água o diafragma fecha os orifícios não permitindo o retorno do gás.

Quando a pressão do gás supera da água, a membrana fleta

ligeiramente, permitindo o retorno da mesma.

A forma de leitura consiste em se liberar gradativamente a válvula do

gás comprimido, observando a indicação de retorno do mesmo ao

painel, fechar a válvula e aguardar a estabilização da pressão lida no

manômetro (CRUZ, 1996).

Dentre as principais vantagens destacam-se:

� Leitura centralizada;

� Menor interferência na fase construtiva;

� As medidas não são interferidas pelos recalques sofridos pelo

instrumento;

� Não há limitações quanto à localização do instrumento.

As principais desvantagens são:

� Menor confiabilidade para medir pressões negativas;

� Necessidade de recarregamento periódicos do gás

comprimido;

� Leitura relativamente demorada.

As Figuras 24, 25 e 26, a seguir, ilustram o funcionamento do piezômetro

pneumático, o balão com gás e um painel de leituras para instrumentos

pneumáticos, respectivamente.

47

Figura 24 – Esquema de funcionamento de um piezômetro pneumático.

Fonte: Cruz (1996).

Figura 25 – Aparelho de leitura para instrumentos pneumáticos (PN e TS).

Fonte: CESP (2013).

48

Figura 26 – Painel para leituras de instrumentos pneumáticos (PN e TS).

Fonte: CESP (2013).

• Piezômetro Hidráulico

Foi difundido durante muitas décadas, considerado por muitos

engenheiros como o mais indicado para medir pressões neutras, tanto

na fase construtiva, quanto de enchimento e operação do reservatório.

Consiste de um corpo metálico ou de material plástico solidário a

uma pedra porosa, conectado a um painel de leitura por meio de dois

tubos flexíveis. Difere do pneumático por utilizar água e não gás para

obter a leitura, ficando diretamente em contato com a água nos poros do

solo ou das fraturas das rochas.

Uma vez saturados com água, o painel e os tubos, a leitura é

efetuada abrindo um por vez os registros que conectam cada um dos

dois tubos provenientes do piezômetro no manômetro de leitura,

aguardando a estabilidade do ponteiro (CRUZ, 1996).

49

A Figura 27 apresenta um piezômetro hidráulico.

Figura 27 – Esquema de funcionamento de um piezômetro hidráulico.

Fonte: Cruz (1996).

• Piezômetro Elétrico de Resistência

De um modo geral, os piezômetros elétricos apresentam rápido

tempo básico de resposta, por necessitarem de pouca água para fletirem

o diagrama transdutor, podem efetuar leituras dinâmicas de pressão

neutra com registro contínuo, o que facilita em barragens instaladas em

locais com sismicidade significativa, além da facilidade para automação

das leituras (CRUZ, 1996). Podem-se separar em dois tipos, os de fio,

do tipo Carlson, e os de resistência elétrica colada, tipo strain-gage,

estes foram os primeiros a serem utilizados nas barragens brasileiras. É

um instrumento com bom desempenho inicial, mas que a longo prazo

apresenta vida útil limitada, devido a problemas de proteção da

resistência elétrica contra umidade e da fluência da cola de fixação das

resistências elétricas à membrana (SILVEIRA, 2006).

50

A Figura 28 ilustra uma caixa seletora, utilizada para leituras de

instrumentos elétricos.

Figura 28 – Caixa seletora para leituras de instrumentos elétricos.

Fonte: CESP (2013).

• Piezômetro de Corda Vibrante

Apresentam durabilidade deficiente, com alta porcentagem de perda

devido a descargas atmosféricas, mesmo quando não ocorria perda

devido às descargas, ocorria alteração das constantes de calibração,

com consequentes saltos das pressões neutras, ou mesmo interrupções

de funcionamento durante meses ou anos, e voltando depois,

misteriosamente, a fornecer leituras (CRUZ, 1996). Apesar disso são

largamente empregados na auscultação de barragens de terra devido à

sua boa precisão, alta sensibilidade e possibilidade de serem lidos a

distância, permitindo sua automação no sistema de auscultação

(SILVEIRA, 2006).

Seu funcionamento se dá pela deflexão de um transdutor de corda

vibrante instalado perpendicularmente ao plano do diafragma, quando a

pressão intersticial da água é transmitida por meio da pedra porosa para

51

o diafragma. As Figuras 29 e 30 ilustram diferentes tipos de piezômetro

de corda vibrante e o funcionamento de um transdutor, respectivamente.

Figura 29 – Diferentes tipos de piezômetros de corda vibrante.


Figura 30 – Esquema de funcionamento de um transdutor de corda vibrante


52

• Piezômetro de Fibra Óptica

Um dos instrumentos mais recentes na instrumentação geotécnica e

estrutural. Seu pequeno tamanho, rápido tempo de resposta e a

imunidade a descargas atmosféricas, ondas de radiofrequência ou

interferências eletromagnéticas estão entre as principais vantagens do

sensor de fibra óptica.

Diferente do cobre, os sensores de fibra óptica são estruturados de

modo que permitam que um feixe de luz branca seja mantido dentro de

um cabo, viajando muito rápido, a longas distâncias e com poucas

perdas de sinal.

Pode se tornar um dos melhores sensores e com maior potencial,

desde que comprovada sua durabilidade a longo prazo em condições

reais de obras geotécnicas (SILVEIRA, 2006).

A Figura 31 ilustra um exemplo de sensor de fibra óptica

Figura 31 – Estrutura de um cabo de fibra óptica


53

A Figura 32 ilustra um exemplo de propagação da luz por um cabo de fibra

óptica.

Figura 32 – Propagação de luz em um cabo de fibra óptica.


3.4.4 Comparação entre Piezômetros

Para cada situação há um piezômetro mais indicado, uma série de

considerações sobre o as prioridades de escolha deve ser feita, como medidas

estáticas ou dinâmicas; interferência na fase construtiva; localização do

instrumento; necessidade de se medir pressões negativas; confiabilidade a

longo prazo; dificuldades de importação; etc.

Piezômetros pneumáticos com pedras porosas de granulação fina são

indicados para a maioria dos casos, mesmo se as pedras perderem a

saturação. Isso se deve pelo fato das pressões neutras negativas serem

desconsideradas em projetos, além disso, as pressões da água e do ar são

relativamente pequenas quando atingem valores significativos, podendo ser

desconsideradas, tais fatos levam a conclusão dos piezômetros pneumáticos

serem mais indicados (CRUZ, 1996).

54

Os instrumentos da CESP eram fabricados pelo LCEC e a manutenção feita

pelo mesmo, como mostrado pela Figura 33 a seguir.

Figura 33 – Cabos e aparelhos sonoros utilizados nas leituras dos PZ, NA e PA, que eram

confeccionados e recebiam manutenção pelo LCEC.

Fonte: CESP (2013).

3.4.5 Célula de Tensão Total

Utilizada para determinar os esforços que o maciço de terra ou

enrocamento exercem nas estruturas de concreto como os abraços da

barragem, ou em cut-offs, para avaliar as tensões efetivas e em regiões

suscetíveis a arqueamento.

Formada por uma almofada metálica de formato circular ou retangular,

saturada com óleo, conectada a um piezômetro pneumático que mede a

pressão do óleo. A tensão que o solo aplica sobre a placa é transmitida ao óleo

e sentida pelo piezômetro, a Figura 34 a seguir mostra uma célula de tensão

total.

55

Figura 34 – Esquema geral de uma célula de tensão total.

Fonte: Cruz (1996).

O procedimento de leitura é o mesmo do piezômetro pneumático.

O aparelho possui, além da limitação de emprego quanto a deformabilidade

do material que constitui o instrumento e o material circundante ao mesmo, a

limitação em relação à alteração no estado de tensões que ocorrerá na

abertura da trincheira, devido ao desconfinamento e preenchimento em

condições diferentes das originais (umidade e energia de compactação).

Em relação ao seu desempenho, as primeiras obras da CESP que os

empregaram foram Ilha Solteira, Capivara e Água Vermelha, com resultados

que deixaram a desejar, tanto os de funcionamento elétrico quanto hidráulico.

O primeiro devido a valores muito dispersos, que dificultavam a interpretação e

adoção de valores médios representativos, já o segundo por entupimento

gradual do filtro junto ao transdutor pelos resíduos formados pelo fluído

utilizado (SILVEIRA, 1980 citado por CRUZ, 1996), que surgem resultante do

ataque do querosene ao náilon das tubulações, principalmente no término do

período construtivo e início do enchimento do reservatório (SILVEIRA, 2006).

Tais problemas poderiam implicar no abandono do uso das células, em

meados da década de 1980, não fosse o equacionamento de tais problemas e

a confecção com materiais que os evitavam, voltando a ter grande aplicação

56

nas usinas brasileiras, particularmente pelo baixo custo, bom desempenho

inicial e boa robustez (SILVEIRA, 2006). As Figuras 35 e 36 ilustram uma

célula de tensão total e uma caixa Mayhak, respectivamente.

Figura 35 – Célula de tensão total.

Fonte: CESP (2013).

Figura 36 – Caixa seletora Mayhak - aparelho de leitura de célula de tensão total e piezômetro

elétrico.

Fonte: CESP (2013).

57

3.4.6 Medidores de Deslocamento

Há vários medidores de deslocamento, sendo os mais comuns: medidores

de recalque; inclinômetros e extensômetros de hastes e de fios.

Iniciando pelos medidores de recalque que visão medir os deslocamentos

verticais da fundação e do maciço compactado, sua instalação pode ser feita

com referência nos furos de sondagem, com as placas instaladas na superfície

do terreno natural ou compactado.

• Medidor de Recalque de Tubos Telescópios.

Foi o mais utilizado no país, feito de um tubo galvanizado de

diâmetro 25 mm chumbado em rocha sã e de uma ou mais placas

solidárias a tubos também galvanizados com diâmetros variados, sendo

dispostos de modo que os tubos de diâmetro crescente são dispostos

em cotas crescentes, conforme Figura 36.

A leitura se dá na extremidade superior de cada tubo, onde ocorre o

puncionamento, a leitura é obtida por meio de um compasso metálico

com pontas secas que é ajustado nas punções do tubo de referência de

diâmetro 25 mm e do tubo correspondente à placa em questão, mede-

se, então, a distância entre as pontas do compasso, em escala

milimetrada.

O recalque é obtido subtraindo – se o valor de referência da placa

com o valor da leitura.

Tem como principais vantagens a simplicidade construtiva,

durabilidade e confiabilidade.

As limitações estão no número de placas (quatro), diferença de cota

entre placas consecutivas, devido ao atrito lateral e as consequentes

tensões de compressão no tubo, interferência no período construtivo, as

placas são pesadas dificultando seu manuseio, dificuldades em realizar

reparos, dispersão das leituras e custo.

58

Os esforços axiais de compressão, os quais o instrumento está

sujeito, podem ser minimizados por meio do envolvimento dos tubos por

graxas e fita de material plástico, e a colocação de anéis de material

deformável sobre as luvas de emenda dos vários segmentos (CRUZ,

1996). A Figura 37 demonstra um medidor de recalque de tubos

telescópicos.

Figura 37 – Medidor de recalque de tubos telescópicos.

Fonte: Cruz (1996).

• Medidor de Recalque Tipo USBR.

Suas principais vantagens são o número ilimitado de pontos de

medida, a simplicidade construtiva e de reparos. Possui as limitações de

interferir no período construtivo, leitura demorada e dispersão das

leituras.

Foram utilizados em Ilha Solteira e Xavantes, apresentando perda do

torpedo de leitura por dificuldade de travamento de aletas em seu

interior. Tal problema pode ser resolvido por meio de proteção adequada

das juntas telescópias dos tubos com geotêxtil, conferindo ao

instrumento confiabilidade e durabilidade satisfatória (CRUZ, 1996).

59

• Inclinômetro

A medição de recalques por meio de inclinômetros é obtida de

maneira simples. Basta fixar flanges especialmente construídos aos

segmentos de tubos nas cotas onde se deseja obter os recalques,

visando assim, impedir o deslizamento de solo entre os segmentos de

tubo e o solo circundante.

O equipamento de leitura (torpedo) é o mesmo utilizado no medidor

tipo USBR, com duas aletas que se abrem inteiramente a cada

passagem pelas luvas das emendas telescópicas. Traciona-se a trava

por meio de um paquímetro e a leitura obtida é correspondente à

posição da trava referente a extremidade superior do tubo.

É necessário envolver todo o instrumento com manta geotêxtil

evitando a entrada de solo arrastado pela água de percolação (CRUZ,

1996).

• Medidor de Recalque Tipo Magnético

Constituída por um conjunto de placas dotadas de um orifício em seu

centro e um ímã permanente, dispostas ao longo de um tubo de PVC

vertical com emendas telescópicas, a Figura 38 Ilustra o aparelho

utilizado para as leituras.

A leitura se dá por meio de um sensor que desce preso por uma

trena metálica milimetrada. Ao atingir uma posição bem definida em

relação aos imãs das placas, o campo magnético aciona um contato

dentro do sensor, deslocando o ponteiro de um galvanômetro, condição

que define ao leiturista o momento da leitura.

A leitura consiste em se comparar o valor atual, com o de referência,

sabendo assim o deslocamento da placa com imã, bem como o

recalque.

Suas principais vantagens são a facilidade construtiva, de instalação

e de reparos, além da durabilidade e baixo custo, o sensor é acessível a

qualquer instante para eventuais reparos. Não possui limitação quanto

ao número de placas que podem ser instaladas na fundação, neste caso

60

denominadas “aranhas”. Como limitações, possui dispersão de leituras

devido à profundidade da placa e leituras demoradas (CRUZ, 1996).

Figura 38 – Aparelho de leitura do medidor de recalque magnético MM.

Fonte: CESP (2013).

• Medidor de Recalque Tipo KM

Foram concebidos pelo corpo técnico da CESP, sendo uma variação

dos medidores de tubo telescópicos, com a diferença de que um

conjunto de hastes conjugadas é utilizado no lugar de tubos telescópicos

(Figura 38). (CONTE, 2013).

Construído e instalado de modo que cada placa fique solidária a uma

haste de tamanho aproximado de 10 mm, composta por vários

segmentos colocados à medida que o aterro é construído. O referencial

é um tubo galvanizado de 25 mm de diâmetro, chumbado na rocha. As

hastes são mantidas na posição vertical com auxílio de discos

perfurados que funcionam como espaçadores.

As leituras se dão por meio de um paquímetro adaptado, cujo corpo

se encaixa no tubo de referência, com bico móvel que é apoiado na

extremidade de cada haste (Figura 39).

61

O cálculo da leitura se dá de modo análogo ao do medidor de tubos

telescópicos.

Podem ser mencionadas como principais vantagens a pequena

dispersão de leituras da ordem de décimos de milímetros, facilidade de

leitura e o número de placas da ordem de uma dezena. Sua durabilidade

está associada à proteção contra oxidação, aplicada às hastes e aos

espaçadores. Sua confiabilidade tem se mostrado regular, com

deslocamentos repentinos de média magnitude e expansões de difícil

interpretação.

Alguns medidores tipo KM instalados em Ilha Solteira, Mário Lopes

Leão, Capivara e Paraibuna apresentaram deficiências causadas por

esmagamento do tubo externo associado à rocha de fundação, o qual

servia de referência, por meio do atrito lateral do solo que o envolvia.

Para solucionar tais problemas, foram feitas modificações no tubo de

referência (diâmetro nominal de 25 mm) e no tubo de proteção com

emendas telescópicas, após as modificações os medidores passaram a

ter desempenho satisfatório (CRUZ, 1996).

Figura 39 – Esquema típico de um medidor de recalques tipo KM.

Fonte: Cruz (1996).

62

Figura 40 – Aparelho de leitura do medidor de recalque de placas KM.

Fonte: CESP (2013).

• Medidor de Recalque Tipo Caixa Sueca.

A experiência da CESP em sua utilização não foi das mais

satisfatórias, na usina Euclides da Cunha, única obra onde foram

utilizados, com tubos de leitura, aeração e drenagem de pequeno

diâmetro interno, aqueles por volta de 3 mm e este em torno de 6,5 mm.

O processo de leitura é demorado e impreciso, principalmente dos

medidores mais distantes do terminal.

As melhorias que poderiam ser feitas são a utilização de tubos com

maior diâmetro interno, com 10 mm no mínimo e utilizar dispositivos

elétricos para determinar se a água está realmente no topo do tubo de

leitura.

Tem como características a interferência no período construtivo,

apenas durante a instalação; terminal de leitura próximo à mesma cota

da caixa, para a determinação dos recalques absolutos (CRUZ, 1996).

Os medidores de deslocamento também podem ser utilizados para medir

deslocamentos horizontais, como os descritos a seguir.

63

• Inclinômetro

Utilizado para determinar deslocamentos horizontais e superficiais,

formado por um conjunto de segmentos de tubos de plástico ou de

alumínio feitos para esta finalidade, montado por meio de luvas

telescópicas em posição subvertical. Os tubos possuem quatro

ranhuras, sendo duas a duas diametralmente opostas, perpendiculares

entre si. Dispostos na barragem na direção montante/jusante e ombreira

direita/ ombreira esquerda, os diâmetro são percorridos pelas rodas do

sensor, o qual efetua as medidas.

Sua instalação pode ser feita em furo de sondagem na fundação, ou

no maciço compactado, à medida que o aterro sobe. Se instalados em

furos de sondagem o espaço entre os furos deve ser preenchido com

mistura de solo cimento e betonita e não com areia, pois com esta

alternativa causa maior dispersão de dados.

• Medidor Triortogonal

Instrumento fabricado pelo LCEC, utilizado para medir os

deslocamentos dos blocos de concreto nas três direções ortogonais:

avanço/recuo, recalque/elevação e abertura/fechamento.

Constituído por dois perfis metálicos, fixados na junta que se deseja

saber o valor do deslocamento. Em um dos perfis há três orifícios, onde

é encaixado o relógio comparador, o outro perfil é constituído de

superfícies planas, as quais servem de base para a extremidade da

haste, nas posições correspondentes do outro perfil (CONTE 2003).

A medição se dá observando os deslocamentos nos três eixos

ortogonais (x, y, z) de tal forma que o eixo x forneça os deslocamentos

de abertura ou fechamento, o eixo y os deslocamentos horizontais e o

eixo z os deslocamentos verticais (Figuras 42 e 43).

É um instrumento de grande importância para verificação do

deslocamento de juntas, trincas e fissuras, principalmente por

registrarem recalques diferenciais, deslocamentos cisalhantes

64

horizontais e movimentos de abertura e fechamento das juntas onde

estão instalados (MATOS, 2002).

A Figura 41 a seguir ilustra um medidor triortogonal didaticamente e as

Figuras 42 e 43, um medidor triortogonal instalado em uma junta de concreto e

o modo de leitura do mesmo, respectivamente.

Figura 41 – Esquema geral de um medidor triortogonal.

Fonte: CESP (2013).

Figura 42 – Medidor triortogonal instalado na galeria entre dois blocos de concreto.

Fonte: CESP (2013).

65

Figura 43 – Modo de leitura do medidor triortogonal.

Fonte: Matos (2002).

Figura 44 – Aparelho de leitura do medidor triortogonal.

Fonte: CESP (2013).

• Base para Alongâmetro

Utilizado para medir deslocamentos angulares, fissuras ou fendas e

deslocamentos verticais ao longo de uma junta (Figura 45), por meio

da medida das distâncias entre os pontos metálicos definidos por

cada par de bases circulares metálicas. (MATOS, 2002).

66

A leitura é feita por um dispositivo portátil acoplado a um relógio

comparador. Para a medida das deformações, o medidor é

encaixado nos pontos de referência. (CESP 200?)

Figura 45 – Esquema geral de instalação do aparelho Base para Alongâmetro.

Fonte: CESP (2013).

A Figura 46 mostra um instrumento Base para Alongâmetro instalado na

barragem.

Figura 46 – Base para Alongâmetro instalado na galeria de entre dois blocos de concreto.


67

A instalação do medidor triortogonal é preferível à base para alongâmetro,

por ser um instrumento que permite a medição das três componentes do

deslocamento, já o segundo necessita da instalação de bases no piso e na

parede das galerias (MATOS, 2002).

• Pêndulos Direto e Invertido

Determinam deslocamentos horizontais das estruturas de concreto

desde a crista da barragem até a fundação. As Figuras 47 e 48

mostram um pêndulo direto e invertido, respectivamente.

Os poços verticais, onde são instalados os pêndulos no final do

período construtivo da barragem, são deixados durante a

concretagem das estruturas, sendo de extrema importância sua

verticalidade, para que não interfira no campo de leitura do

instrumento.

A instalação dos pêndulos, direto e invertido, deve ser nos mesmos

blocos, pois, deste modo, a determinação dos deslocamentos da

crista da barragem estará em relação ao ponto considerado fixo na

fundação.

Figura 47 – Esquema geral de um pêndulo direto.

Fonte: Cruz (1996).

68

Figura 48 – Esquema geral de um pêndulo invertido.


A Figura 49 ilustra um Pêndulo direto instalado na galeria da barragem.

Figura 49 – Pêndulo direto instalado na galeria de concreto.

Fonte: CESP (2013).

69

A Figura 50 demonstra o aparelho utilizado para leitura dos pêndulos.

Figura 50 – Aparelho de leitura para Pêndulos direto e invertido.

Fonte: CESP (2013).

• Extensômetro de Hastes.

Determina a deformabilidade de maciços rochosos e/ou

deslocamentos de blocos de estruturas de concreto.

Efetua medidas de deslocamentos na direção do furo de sondagem

onde se encontram chumbadas as hastes, estas não superiores a 5.

Permite avaliar a deformabilidade de partes isoladas, possui leituras

e cálculos simples, com pouca dispersão e elevada precisão, além

de confiável e durável.

Pode ser instalado também em solo, visando medir deslocamentos

horizontais na fundação.

A instalação em furos inclinados ou que tenham elevada vazão torna-

se difícil, devido ao artesianismo da instalação.

A Figura 51 ilustra um extensômetro de hastes e a Figura 52 os

terminais de leitura dos mesmos.

70

Figura 51 – Esquema didático de um extensômetro de hastes.


Figura 52 – Terminais de leituras de extensômetros de hastes.

Fonte: CESP (2013).

71

3.5 Planejamento de Instrumentação

Planejar um programa de monitoramento utilizando instrumentação

geotécnica requer muito cuidado tanto na escolha dos equipamentos quanto da

mão-de-obra, o planejamento deve ser feito por um grupo com especialistas

em instrumentação geotécnica, reconhecendo que a instrumentação é apenas

uma ferramenta e não uma solução (SILVEIRA, 2006).

Todo instrumento deve ser utilizado para responder a questões específicas,

em barragens os parâmetros a serem medidos incluem a pressão da água nos

poros, na rocha de fundação, as pressões totais, os recalques, os

deslocamentos horizontais, as cargas e a tensão nos elementos estruturais, a

temperatura, as vazões de drenagem, os matérias sólidos carreados, etc.

Tais grandezas a serem medidas devem possuir valores considerados

normais e de alerta, a princípio determinados pelo projetista da obra, pois é

quem melhor conhece as hipóteses formuladas no projeto (Cruz, 1996).

A correta escolha de uma determinada categoria de instrumentos requer

experiência do engenheiro, além de alguns cálculos como da máxima pressão

de água nos poros, ao longo de uma linha de centro de uma barragem.

Pode ocorrer uma tendência em se buscar, desnecessariamente, alta

precisão, esta deve ser sacrificada em prol da confiabilidade, quando essas

conflitam entre si. (SILVEIRA, 2006).

No controle de segurança de barragens valores podem ser

preestabelecidos como parâmetros para ações corretivas. A Tabela 1 mostra

um exemplo de níveis de advertência para monitoração dos taludes em uma

mina a céu aberto.

72

Tabela 1 – Exemplo de níveis de advertência de perigo.

Nível de

Advertência

Critério Ação

1 Movimentação maior que 10

mm em qualquer estação

topográfica

Informar ao gerente da

mineração


mm em duas estações

adjacentes; ou velocidade

superior a 15 mm por mês

em qualquer estação.

Contato verbal a reunião no

canteiro, seguidos de relatório

impresso com recomendações.


mm mais aceleração em

qualquer uma das estações

Inspeção imediata do local pelo

engenheiro consultor, reunião

local e implementação de

medidas corretivas (segundo

plano de contingências).


O planejamento de ações corretivas deve ser previsto e os níveis de

advertência de perigo estabelecidos para que as ações corretivas possam ser

implementadas com o mínimo de atraso.

As medições realizadas são os requisitos mínimos e de grande importância

para avaliação das condições de segurança de uma barragem, portanto, as

pessoas responsáveis pelas leituras devem ser qualificadas e o plano de

implantação dos instrumentos deve ser realizado por um especialista com

grande experiência nessa atividade. A experiência com esses instrumentos em

outras barragens e obras similares será de inestimável valor e só poderá ser

acumulada por um especialista que atua especificamente na área de

instrumentação de auscultação de barragens (SILVEIRA, 2006).

A escolha de um instrumento depende principalmente de sua confiabilidade

e não somente do custo, aparelhos muito baratos dificilmente resultarão em um

gasto total menor, todas as etapas devem ser levadas em conta para

73

determinação do valor, desde a aquisição até o processamento dos dados,

localização, modo de execução da obra e tempo de vida útil da mesma também

influenciam.

Barragens possuem vida útil de pelo menos 50 anos e passam por uma

maior deterioração após os 30 anos, logo, os instrumentos de auscultação

também se deterioram durante esse período, necessitando de manutenção e

troca, avaliando-se quais aparelhos ainda são confiáveis.

3.6 Localização dos Instrumentos

Os instrumentos devem estar locados nos pontos mais críticos da

barragem, estes devem ser identificadas, para tal, análises de elementos finitos

são geralmente úteis, além disso, os instrumentos devem estar em locais que

imponham mínimas dificuldades de acesso na leitura e instalação, devendo ter

mínima interferência na construção da barragem. Aqueles que necessitam de

tubulações verticais devem ter sua locação analisada já na fase de projeto.

Uma solução prática para seleção da localização dos instrumentos deve

envolver três passos básicos.

1. Identificação das áreas de risco

2. Seleção das seções transversais

3. Instalação de instrumentação secundária

O primeiro constitui, por exemplo, a identificação das áreas estruturalmente

frágeis ou onde as maiores pressões d’água são esperadas, segundo devem

ser selecionadas as seções transversais, onde o comportamento das mesmas

representa o comportamento geral da barragem, devendo haver no mínimo

duas seções consideradas instrumentadas primárias, terceiro deve ser

instalado em um número de seções, instrumentos secundários, chamados

assim para servirem como comparação de comportamento dos primários.

74

Outras áreas de importante instrumentação são a seção de maior altura e a

região das ombreiras, onde se deve determinar uma seção transversal em

cada uma delas, pois seu comportamento, mesmo em seções simétricas,

apresenta diferenças.

As locações devem ser selecionadas de modo que os dados possam ser

obtidos o mais cedo possível no processo de construção, pois estes são

valiosos na identificação e entendimento do comportamento após o enchimento

do reservatório.

É desaconselhável confiar em um único instrumento como indicador de

desempenho, onde houver possibilidade, devem ser feitas verificações

cruzadas de diferentes tipos de instrumentos.

As seções geralmente escolhidas para colocação dos instrumentos na fase

de Projeto Básico devem ser ajustadas, aprimoradas e complementadas por

outros instrumentos durante a execução da obra, esses ajustes decorrem das

informações geológico-geotécnicas obtidas durante as escavações, por

exemplo, o plano de investigação das fundações, através de sondagens, poços

de prospecção, valetas de investigação etc., sempre existem anomalias e

detalhes que escapam e só são revelados após as escavações.

A Figura 53 representa a localização da galeria da barragem de concreto,

região crítica da mesma, sujeita aos primeiros sinais de anomalia caso a

barragem esteja sendo arrastada ou tombada, consequentemente é uma

região extremamente monitorada pelos aparelhos de auscultação.

75

Figura 53 – Região crítica da barragem de concreto.

Fonte: Ministério da Educação (MEC) (2013).

3.7 Fatores que Influenciam as Medições.

As medições, por si só, não oferecem conclusões úteis, sendo necessário

interpretar, observar e registrar as causas que as geraram, portanto todos os

fatores que podem causar alterações devem ser documentados, tais como

chuva e temperatura, estes devem vir acompanhados dos relatórios de leitura,

bem como a indicação do comportamento dos instrumentos como esperado ou

inesperado, auxiliando a interpretação dos registros.

Os responsáveis pelas leituras devem ser capacitados para avaliar o

funcionamento do instrumento, muitas vezes tal identificação vem por simples

observação do local onde os mesmos estão instalados, ou pela comparação

das leituras obtidas por instrumentos localizados próximos uns aos outros, bem

como pelo histórico de leituras.

O leiturista também deve ficar atento ao que está ocorrendo na barragem,

por exemplo, no período construtivo, ocorrem pressões neutras devido ao

processo de adensamento, na fundação o aumento da pressão deve estar

coerente com os recalques e com o aumento do carregamento imposto.

76

Em caso de permanecer a dúvida sobre a leitura, esta deve ser repetida

várias vezes num período curto de tempo, pois a falta de repetição pode

evidenciar algum dado suspeito.

Deve haver o treinamento dos funcionários para que os mesmos saibam

avaliar as condições físicas dos instrumentos, bem como se há coerência na

medida efetuada.

O processo de terceirização dos responsáveis pelas leituras, que ocorre em

grandes barragens brasileiras, não vem demostrando bons resultados, muitas

vezes comprometendo a qualidade de todo um programa de monitoramento.

Claro que tal tarefa pode ser terceirizada, desde que ocorra o devido

treinamento dos funcionários para que realizem, de modo correto, tanto leitura

quanto manutenção dos instrumentos (SILVEIRA, 2006).

3.8 Instalação, Manutenção e Calibração.

Deve haver o planejamento da instalação ajustado ao cronograma da obra,

devidamente detalhado com os fatores que podem influenciar os dados

medidos, salientando-se que o fato de que mesmo se os instrumentos forem

instalados pela equipe do proprietário, não retira a necessidade de fiscalização

e procedimentos escritos, estes, no entanto, não vem sendo adotados no Brasil

resultando em frequentes falhas de instrumentação.

A devida calibração dos instrumentos é fundamental, pois os instrumentos

são naturalmente desgastados por intempéries, manuseio e falta de

manutenção, gerando alteração das medidas, o que pode acarretar ao

comprometimento de todo um programa de auscultação, sendo indispensável à

calibração.

O aumento da vida útil dos instrumentos é proporcional a sua manutenção,

o responsável por ela é o proprietário que deve seguir as orientações do

fabricante realizando a limpeza, proteção contra corrosão, lubrificação, troca de

77

peças etc., com a devida orientação e supervisão de um especialista em

instrumentação (SILVEIRA, 2006).

3.9 Características das Leituras.

As leituras realizadas envolvem erros e incertezas, ao interpretar os dados

obtidos deve-se saber diferenciar as leituras com importância dos desvios sem

significado, para tanto é necessário observar os erros que podem ocorrer em

vários momentos da leitura, sendo os principais o campo de leitura, a

resolução, precisão, acurácia e repetibilidade (SILVEIRA, 2006).

3.9.1 Conformidade.

É algo desejável nos instrumentos, se estes forem ideais irão corresponder

exatamente ao parâmetro que se deseja medir, por exemplo, uma célula de

pressão total dentro de um aterro apresentaria exatamente a deformabilidade

do solo em que está instalado. Ou seja, quando há conformidade, obtém-se

alto grau de acurácia (SILVEIRA, 2006).

3.9.2 Acurácia

Mostra quão próxima está a medida de uma grandeza em relação ao seu

valor real, qual a sua exatidão. É definida durante a calibração, quando seu

valor é ajustado a um valor padrão, podendo ser expressa na forma valor ±,

como ± 1 mm ou ±1 % do valor averiguado (SILVEIRA, 2006).

78

3.9.3 Precisão

Relaciona-se com a repetibilidade da medida, mostra o quanto ela se

aproxima de medidas similares em relação à média aritmética. A quantidade de

algarismos significativos representa a precisão da medida.

Na instrumentação de barragens a precisão é considerada mais importante

que acurácia, pois a variação das medidas é de mais interesse do que a

medida realmente exata (SILVEIRA, 2006).

A Figura 54 representa de forma didática a diferença entre acurácia e

precisão.

Figura 54 - Diferença entre acurácia e precisão.


3.9.4 Resolução

É a menor variação no parâmetro medido, que pode ser obtida pelo

instrumento, sendo muitas vezes menor que a precisão e acurácia. Nunca deve

ser utilizado como ± um valor, pode ser interpolado entre as divisões do

mostrador (SILVEIRA, 2006).

79

3.9.5 Campo de Leitura

A maior e a menor leitura que determinado instrumento pode medir, caso

esse limite de leitura seja ultrapassado, o risco de dano ao instrumento é

eminente. Entretanto esse limite não dever ser muito elevado para que

pequenas variações sejam relatadas. Sendo necessário um estudo prévio para

que tanto os riscos, quanto a ausência de leituras quando houver pequenas

variações, sejam evitados (SILVEIRA, 2006).

3.9.6 Amplitude

Diferença algébrica entre a máxima e a mínima leitura, por exemplo:

Campo de leitura: -25°C a 70 °C, amplitude de 95 °C.

Campo de leitura: 0 KPa a 110 KPa, amplitude de 110 KPa (SILVEIRA,

2006).

3.9.7 Erros de Leitura

Referem-se à diferença entre os valores medidos e o valor real, sendo

matematicamente igual à acurácia (SILVEIRA, 2006).

3.9.8 Erros Grosseiros

Normalmente ocasionados pela falta de cuidado, imperícia, distração ou

inexperiência. Estão inclusas as medidas mal realizadas, erros de anotação e

falha na operação do equipamento. Tais erros devem ser evitados e podem ser

80

minimizados por meio de treinamento dos leituristas, uso de mais de um

profissional, repetir leituras e compará-las com as anteriores (SILVEIRA, 2006).

3.9.9 Erros Sistemáticos

Causados por problemas na calibração do aparelho, tanto no momento da

calibragem, quanto aos ocasionados pelo uso ao longo do tempo. Os mesmos

podem ser minimizados por meio de recalibrações e comparações das medidas

realizadas com as medidas padrões (SILVEIRA, 2006).

3.9.10 Erros de Conformidade

Ocorrem por falha na instalação dos aparelhos ou na escolha deles, para

fins, os quais não são indicados. Podem ser evitados pela instalação correta

dos instrumentos e escolha dos mesmos para sua devida função (SILVEIRA,

2006).

3.9.11 Erros Ambientais

Relacionados às intempéries ambientais como temperatura, umidade,

pressão, corrosão etc. Podem ser minimizados por meio da observação da

influência dessas intempéries nas medidas para assim aplicar medidas

corretivas, ou utilizar instrumentos que não sofram influência do ambiente.

Durante a realização das medidas, devem ser anotadas todas as condições

climáticas, devido à variação que podem exercer nos dados (SILVEIRA, 2006).

81

3.9.12 Erros Observacionais

Aparecem por meio de técnicas de leitura diferentes, utilizadas por

profissionais diferentes. Podem ser minimizados pelo treinamento e

oferecimento de cursos de atualização aos responsáveis pela leitura. Caso se

utilize um sistema eletrônico de obtenção de dados, tais erros são evitados,

entretanto há grande influência dos erros ambientais, exigindo maior

manutenção e recalibragem dos instrumentos (SILVEIRA, 2006).

3.9.13 Erros de Amostragem

Observados quando dados locais não representam o comportamento

global, comuns em dados geotécnicos, devido a grande variabilidade dos

materiais geológicos. São minimizados pela escolha adequada dos locais de

instalação, buscando-se os mais representativos, bem como a quantidade

adequada de instrumentos instalados (SILVEIRA, 2006).

3.9.14 Frequências de Leituras

As leituras devem acompanhar os comportamentos das estruturas da

barragem na sua fase de construção, enchimento do reservatório e operação,

possibilitando acompanhar as variações das grandezas e desempenhos dos

instrumentos (ELETROBRÁS, 2003).

82

As Tabelas 2 e 3, a seguir, trazem recomendações da ELETROBRÁS para

frequência de leituras.

Tabela 2 - Frequências mínimas de leitura na barragem de terra-enrocamento

Grandeza

Medida

Período de observação

Construtivo Primeiro

Enchimento

Início de

Operação (*)

Operação

Normal

Deslocamentos

Superficiais

Mensal Semanal Mensal Semestral

Deslocamentos

Internos

Semanal Semanal Quinzenal Mensal

Deformação Semanal Semanal Quinzenal Mensal

Pressão

Total/Efetiva

Semanal 2 Semanais Semanal Mensal

Poro-Pressão Semanal 2 Semanais Semanal Quinzenal

Subpressão Semanal 3 Semanais 2 Semanais Quinzenal

Nível d’Água Semanal 3 Semanais 2 Semanais Quinzenal

Vazão de

Infiltração

- Diárias 3 Semanais Semanal

(*) Entre 1 e 5 anos após o enchimento.

Fonte: ELETROBRÁS (2003).

83

Tabela 3 - Frequências mínimas de leitura na barragem de concreto

Grandeza

Medida

Período de observação

Construtivo Primeiro

Enchimento

Início de

Operação

Operação

Normal

Deslocamento

Absoluto

Ao final da

construção

Mensal Trimestral Semestral

Deslocamento

Angular

(pêndulos)

Quinzenal

Semanal

Mensal

Mensal

Deslocamento

Relativo

(medidores de

junta)

Semanal

2 Semanais

Quinzenal

Mensal

Deformação

Interna

Semanal 2 Semanais Semanal Mensal

Tensão Semanal 2 Semanais Semanal Mensal

Temperatura

do Concreto

Semanal Semanal Quinzenal Mensal

Pressão

Intersticial no

Concreto

Semanal

2 Semanais

Quinzenal

Mensal

Carga (Cabos

de Proteção)

Diárias

durante a

protenção

2 Semanais Semanal Mensal

Subpressão

na Fundação

Semanal 3 Semanais 2 Semanais Quinzenal (*)

Vazão de

Infiltração

– Diárias 3 Semanais Semanal

(*) Para casos particulares manter frequência semanal.


84

3.10 Falhas na Instrumentação de Barragens

A instrumentação de barragens exige que seus responsáveis possuam boa

experiência na área para que os resultados sejam adequados e representem

bem o comportamento da barragem, mas mesmo com os devidos cuidados no

projeto de implantação, este ainda está sujeito a falhas.

3.10.1 Falhas na Instrumentação de Barragens de Con creto

3.10.1.1Ausência de Pêndulos Diretos

O pêndulo direto é um excelente instrumento de monitoramento, robusto e

preciso, com vida útil próximo da barragem (>50 anos), devendo ser instalado

em toda barragem de concreto com altura superior a 30 m.

Entretanto vem-se usando marcos superficiais para controlar o

deslocamento da barragem com alvos fixos na crista, tal controle fica muitas

vezes aquém da grandeza a ser medida, mesmo com aparelhos mais

modernos. Os deslocamentos precisam ser medidos com precisão da ordem

de ± 0,5 mm, mas devido as grandes distâncias, problemas com reverberação

térmica etc., os resultados tem sido inúteis na maioria dos casos.

Já os pêndulos diretos podem medir deslocamentos horizontais da crista

com precisão de ± 0,05 mm, a qual é 500 a 1000 vezes mais precisa que as

medições topográficas, permitindo um ótimo controle dos deslocamentos da

barragem (SILVEIRA, 2013).

85

3.10.1.2Falhas na Locação dos Piezômetros

Trata-se de projetos com enfoque na instalação de piezômetros de tubo

entre as cortinas de injeção e drenagem, na região da galeria de drenagem. Tal

projeto se mostra sem sentido prático, pois piezômetros instalados entre ambas

não fornece dados que podem avaliar, de forma coerente, a funcionalidade do

sistema drenante. A correta avaliação do sistema de drenagem se daria pela

instalação de piezômetros a montante da cortina injeção e a jusante da cortina

de drenagem (SILVEIRA, 2013).

A Figura 55 ilustra o posicionamento dos piezômetros.

Figura 55 - Locação dos piezômetros na parte central da galeria.


A Figura 56 mostra um piezômetro de uma PCH instalado no meio da

galeria, atrapalhando o trânsito de pessoas e de equipamentos.

86

Figura 56 – Piezômetro localizado na parte central da galeria.


3.10.1.3Falha na Escolha do Tipo de Piezômetro

Em algumas barragens vem-se adotando o uso de piezômetros elétricos ou

pneumáticos em locais onde o piezômetro de tubo seria mais indicado, como

na galeria de drenagem, na fundação. O uso inadequado associado à má

instalação reduz-se muito tempo de vida útil dos instrumentos, ocorrendo

perdas dos mesmos de 2 a 3 anos de uso, bem como a necessidade de troca

por piezômetros de tubo, acarretando custos adicionais de perfuração e

sondagem (SILVEIRA, 2013).

3.10.2 Falhas na Instrumentação de Barragens de Ter ra

3.10.2.1Falha na Escolha do Tipo de Piezômetro

Em aterros com permeabilidade da ordem de 10�� a 10�� cm/s ou

superiores deve-se optar pelo piezômetro de tubo, em função de seu baixo

87

custo, altos desempenho e vida útil. Ao contrário do que se pensava há cerca

de 40 anos atrás, quando os piezômetros de corda vibrante, pneumático ou

hidráulico eram indicados para os aterros das barragens de terra, estes

acabavam danificados após o término da construção acarretando, assim como

nas barragens de concreto, na troca dos mesmos por novos piezômetros,

gerando grandes custos, principalmente em sondagens envolvendo o núcleo

impermeável da barragem, que necessitam de técnicas especiais de sondagem

(SILVEIRA, 2013).

3.10.2.2Falha na Aquisição dos Instrumentos

As falhas mais comuns na aquisição de instrumentos são:

• Falta de detalhamento no projeto;

• Falta de cultura do cliente sobre a importância da instrumentação;

• Falta de qualidade dos instrumentos nacionais.

Deve-se dar boa orientação aos clientes sobre a importância da

instrumentação, já na fase de projeto, este bem realizado deve indicar

aparelhos de qualidade, pois a economia nesta etapa pode acarretar em

problemas, como já mencionado anteriormente, levando a custos extras para

troca dos aparelhos.

Muitas empresas novas, que decidiram investir no setor elétrico,

principalmente em PCH’s, não possuem uma cultura apropriada e não dão a

devida importância à instrumentação de barragens.

Em ralação aos instrumentos nacionais, Stanley Wilson, inventor do Slope

Indicator, nos Estados Unidos, realizou na UHE Ilha Solteira um seminário

sobre instrumentação de barragens, em 1975. Nesse evento ele ensinou que

um novo instrumento, desde a criação até seu uso, deve passar por pelo

menos 5 anos de aperfeiçoamento, o que não acontece com muitos dos

instrumentos nacionais, levando a baixa qualidade dos mesmos.

88

Além dos mencionados anteriormente, a falha na instalação dos aparelhos

também é recorrente, devido a maus projetos de instalação ou ausência deles.

Quando um aparelho sofre um dano e o fabricante é acionado, ele nega sua

culpa e a delega ao projeto de instalação, no final não se sabe de quem é

realmente a culpa, podendo ser de ambos (SILVEIRA, 2013).

3.10.3 Falha na Ausência de Relatórios

É sabido que os instrumentos locados na fundação não ficam exatamente

no local previsto no projeto, isso se dá pela variação geológica dos locais, por

exemplo, a rocha pode se apresentar fraturada ou alterada e na instalação de

piezômetro, onde é comum o uso de calda de cimento para isolar o bulbo do

piezômetro, parte da calda se perderia pelas fendas da rocha, exigindo um

relatório de instalação apresentando as cotas reais de instalação.

Particularmente em piezômetros, sua leitura é por meio da cota piezométrica,

se a cota de instalação estiver diferente da de projeto e não houver nenhum

relato sobre isso, análises posteriores podem indicar situações conflitantes ou

até perigosos (SILVEIRA, 2013).

3.10.4 Falhas na Emissão dos Relatórios de Dados.

Os relatórios são geralmente realizados a partir dos dados de

instrumentação, pelos profissionais que deveriam fazer as leituras e dar

manutenção nos aparelhos. Esses operadores possuem normalmente baixo

grau de escolaridade e não foram preparados para realizar relatórios que,

consequentemente, possuem baixa qualidade constatada por:

• Gráficos de um mesmo instrumento em escalas muito diferentes;

• Instrumentos com leituras muito dispersas;

• Gráficos com parâmetros incoerentes;

89

• Gráfico sem convenção de sinais, por exemplo, tração e compressão

no caso de medidas de tensão (SILVEIRA, 2013).

3.10.5 Falhas nos Relatórios de Análise do Comporta mento das

Estruturas

Em barragens de médio e grande porte, os instrumentos devem ser

instalados no período construtivo, sendo ideal a emissão de relatórios já nesse

período para se conhecer o comportamento da barragem o mais cedo possível,

entretanto tem-se observado em barragens mais recentes a colocação de

instrumentos somente após o período construtivo. Evidentemente, a locação

dos instrumentos deve ocorrer antes do enchimento do reservatório, pois é

nesse período que estão registrados a maioria dos acidentes.

Durante a fase do primeiro enchimento do reservatório, é de extrema

importância a realização de relatórios no máximo após 3 meses do inicio do

enchimento, para que eventuais anomalias sejam detectadas o mais breve,

bem como medidas sejam tomadas para corrigi-las com a maior antecedência

possível (SILVEIRA, 2013).

3.11 Inspeção de Barragens

Sendo a auscultação referente à observação do comportamento de uma

obra de engenharia, visando a sua segurança durante toda sua vida útil,

verificando anomalias e a necessidade de obras corretivas (ELETROBRÁS,

2003), a instrumentação de barragens é complementada pela inspeção visual

das mesmas.

O programa de inspeções deve se basear na classificação da barragem,

padrão de qualidade da empresa, instruções dos fabricantes de equipamentos

e histórico operacional. Em tal procedimento a barragem deve passar por

90

inspeções periódicas para avaliar suas estruturas, caso alguma mostre alguma

deficiência é interessante haver um código de ação em função da severidade

da anomalia observada.

Devem existir regras de manutenção e procedimentos, para auxiliar na

inspeção, esta deve observar todas as estruturas da barragem. A seguir é dado

um exemplo resumido das considerações a serem feitas em estruturas de

concreto, metálicas e de terra.

3.11.1 Estruturas de Concreto

Observar as subpressões e a percolação da água, pois são as principais

causas de instabilidade. Reações álcali-agregado por poderem causar sérios

danos. Verificar a limpeza do sistema de drenagem, as manutenções quanto à

impermeabilização e o sistema de bombas, bem como as condições de

instrumentação da barragem de concreto.

3.11.2 Estruturas Metálicas

Verificar o alinhamento, parafusos, soldas, revestimento de proteção e

suporte de grades nas estruturas como comportas, stop-logs, estruturas de

içamento, monotrilhos e condutos.

3.11.3 Barragens de Terra

Para evitar e prevenir a deterioração do maciço e da fundação é de extrema

importância a manutenção contra erosões e percolação de água, pra que esta

não crie caminhos preferenciais de percolação, deve ser feita manutenção

periódica dos instrumentos no maciço e no enrocamento, controle de

91

vegetação, animais e retirada de entulhos a montante da barragem (Rocha et

al, 2002).

As estruturas responsáveis pela vazão devem ser inspecionadas no período

de seca, para que estejam funcionando corretamente no período de chuvoso,

por exemplo, verificar se as comportas do vertedouro estão funcionando

corretamente, lembrando que todas as informações sobre a integridade dos

componentes devem constar nos relatórios de inspeção.

Como foi frisado, as inspeções visão auxiliar o programa de instrumentação,

para tanto é necessário se estabelecer o propósito de cada uma, com suas

respectivas frequências de inspeção e os itens a serem inspecionados, assim

como os procedimentos corretivos.

Pode haver também inspeções emergenciais que ocorrem após grandes

cheias, chuvas torrenciais, sismos e quando observadas características

incomuns como fissuras, recalques e surgência d’água.

Lembrando que todas as inspeções são de responsabilidade do engenheiro

e sua equipe técnica (Christofidis et al, 2002).

3.12 Classificação da Ruptura de Barragens

Toda barragem deve ser classificada quanto aos danos que pode causar no

caso de uma suposta ruptura. Essa classificação constitui a base para a

análise de segurança e para os níveis de inspeção. A Tabela 4 apresenta a

classificação mais aceita, baseada na perda de vidas e nos danos econômicos

decorrentes da ruptura.

92

Tabela 4 - Classificação da consequência de ruptura de barragens – potencial consequência incremental da ruptura (*).

Consequência de

Ruptura

Perdas de Vidas Econômico, Social e

Danos Ambientais.

Muito Alta Significativa Dano Excessivo

Alta Alguma Dano Substancial

Baixa Nenhuma Dano Moderado

Muito Baixa Nenhuma Dano Mínimo

(*) Os critérios de classificação de categorias de danos econômicos e ambientais devem ser

baseados nas consequências das perdas em relação à região afetada.

Fonte: Christofidis et al (2002).

As consequências mais severas devem prevalecer, por exemplo, se as

perdas econômicas forem “muito altas” e as perdas de vidas “altas” a barragem

é classificada como consequência de ruptura muito alta.

3.12.1 Reavaliação da Segurança de Barragens

A reavaliação das condições de segurança de barragens deve acontecer

periodicamente, incluindo seus planos de manutenção, inspeções de rotina e

de emergência, a fim de verificar a segurança dos mesmos. A primeira

reavaliação deve ocorrer em até 5 anos após o enchimento do reservatório.

A reavaliação deverá ser feita por engenheiros e geólogos qualificados, com

experiência em projetos, construção e avaliação de barragens.

O detalhamento da reavaliação varia de acordo com o conservadorismo do

projeto, complexidade da barragem e consequências de ruptura. A Tabela 5

apresenta a periodicidade de reavaliações.

93

Tabela 5 - Frequência de reavaliações da segurança de barragens.

Consequência de Ruptura Período de Reavaliações

Muito Alta 5 Anos

Alta 7 Anos

Baixa 10 Anos

Muito Baixa 10 Anos

Fonte: Christofidis et al (2002).

Caso ocorram mudanças significativas no comportamento da barragem ou

nas condições locais como eventos hidrológicos ou sismos, deve ocorrer uma

reavaliação da segurança da barragem, mesmo fora do período de

reavaliações.

3.12.2 Procedimentos de Emergência

Levando em consideração as consequências de uma ruptura da barragem,

deve ser elaborado um Plano de Ação Emergencial (PAE), este deve existir

para qualquer barragem, cuja ruptura acarrete em perdas de vidas.

Ao ser elaborado, o PAE deve conter um plano de aviso da população a

jusante, caso haja indícios de condição insegura na mesma. Tal aviso deve ser

avaliado e dado à população tão logo se julgue necessário, devido a rapidez da

chegada da onda de cheia provocada pelo colapso da estrutura.

O PAE só deve ser dispensado caso as consequências da ruptura sejam

baixas, por exemplo, uma barragem localizada em uma fazenda, com pequena

reserva e sem população a jusante. Já no caso de um grande volume de

acumulação num vale confinado e com população a jusante, há claramente a

necessidade do PAE. (Christofidis et al, 2002).

94

A seguir são citados os itens básicos que constituem um PAE.

• Ações preventivas;

• Procedimentos de notificação;

• Fluxograma de comunicação;

• Sistemas de comunicação;

• Acessos ao local;

• Resposta durante o período de falta de energia elétrica;

• Resposta durante os períodos de intempéries;

• Fontes de equipamentos e mão-de-obra;

• Estoques de materiais e suprimentos;

• Fontes de energia de emergência;

• Mapas de inundação;

• Sistemas de advertência.

3.12.3 Estudos de Inundação

Os estudos de inundação devem existir em todo PAE, baseando-se em

hipóteses de todas as áreas que podem ser atingidas pela onda de cheia, com

a combinação mais severa das condições físicas possíveis.

Vários cenários de ruptura devem ser estudados, com a determinação das

áreas inundadas, levando em conta as seguintes considerações:

• Erro na cheia de projeto;

• Ruptura induzida por falha de uma estrutura a montante.

95

A partir do estudo de cheia, mapas devem ser elaborados especificando os

locais atingidos pela enchente, bem como os locais atingidos na própria

barragem devido o remanso formado a montante, sendo também necessária a

análise de dois casos:

• Cheias extremas que excedam a capacidade de descarga;

• Redução da capacidade de descarga durante a passagem de uma

grande cheia (por exemplo, mau funcionamento ou a não abertura de

comportas). (Christofidis et al, 2002).

A ênfase no estudo de propagação de cheias, assim como do PAE se

mostra longo e complexo, fugindo do escopo deste trabalho no que tange a

auscultação de barragens, interpretação e comparação dos dados obtidos.

3.13 Percolação de Água nos Solos

3.13.1 Introdução à Percolação de Água nos Solos

Rotineiramente o profissional engenheiro se vê diante de situações no qual

é forçado a atentar-se à presença e ao movimento de água através do solo

com finalidade de proporcionar a determinado projeto uma maior proteção

contra efeitos nocivos de movimentos desse tipo.

Por exemplo, na construção de uma barragem de terra, existe a

necessidade, dentre inúmeras outras coisas, de quantificar a água que percola

através da barragem, fundação e ao seu entorno para que se evite ao máximo

que a água carregue partículas do solo, o que poderia gerar um problema

chamado de piping. E sob ação de altas pressões levar enormes maciços ao

colapso.

Sabe-se que a água ao percolar de um ponto a outro, devido a uma

diferença de carga total entre esses pontos, transfere uma parcela dessa

energia às partículas sólidas do solo. Tal transferência origina as chamadas

96

forças de percolação, as quais são efetivas por atuarem inter partículas e têm o

mesmo sentido do fluxo de água.

O estudo do fluxo de água através do solo é feito lançando-se mão de um

procedimento gráfico conhecido como rede de fluxo. O processo consiste

basicamente em desenhar dentro da região em que ocorre o fluxo, dois

conjuntos de curvas conhecidas como linhas de fluxo e linhas equipotenciais.

A base fundamental teórica para resolução de problemas de fluxo de água

foi proposta por Casagrande (1937), a partir das proposições de Forchheimer.

O fluxo de água através de um meio poroso é descrito por uma equação

diferencial (equação de Laplace), bastante conhecida e estudada, pois que se

aplica a outros fenômenos físicos como, por exemplo, fluxo elétrico através de

meios resistivos.

Geralmente o problema é tratado no plano, como geralmente acontece em

quase todos os problemas práticos de mecânica dos solos, onde se considera

uma seção típica do maciço situada entre dois planos verticais e paralelos, de

espessura unitária (Vilar; Bueno, 1979).

3.13.2 Equação Geral do Fluxo

Para a dedução da equação do fluxo, serão consideradas as seguintes

hipóteses:

a) Solo saturado e regime de fluxo estabelecido; b) Partículas sólidas e água incompressível e c) A estrutura do solo não é alterada pelo fluxo.

97

Seja o elemento de solo esquematizado na Figura 57

Figura 57 – Elemento bidimensional de solo sujeito percolação.

Fonte: Vilar; Bueno (1979).

A vazão que entra é:

��. � + ��. �

Enquanto a que sai é:

�� + �� . �� . � + �� + ��. �

�� . �

Como o volume de água presente é constante, a vazão que entra é igual a

que sai, de maneira que se pode chegar à seguinte expressão conhecida como

Equação de continuidade:

�� + ��

�� = 0

Porém pela lei de Darcy:

�� = ��. �ℎ��

�� = �� . �ℎ��

98

O que nos fornece:

��. ��ℎ

�� + ��. ��ℎ

�� = 0

Nesta equação aparecem os coeficientes de permeabilidade nas direções x

e z, que normalmente são diferentes. Uma das maneiras de se chegar à

equação de Laplace é admitir que o solo seja isotrópico com relação à

permeabilidade, ou seja, Kx=Kz. Assim, temos a Equação de Laplace.

��ℎ�� +

��ℎ�� = 0

A situação de anisotropia Kx diferente de Kz pode ser estudada lançando-

se mão do artificio de transformar as coordenadas, de maneira a se chegar à

equação de Laplace.

3.13.3 Resolução da Equação do Fluxo

A primeira alternativa consiste em integrar diretamente a equação do fluxo,

obedecendo às condições de contorno e obtendo assim uma solução analítica

para o problema. Tal caminho, porém, oferece o inconveniente da grande

complexidade, só sendo viável para situações relativamente simples.

Como variante da integração direta pode-se lançar mão de métodos

numéricos, como por exemplo, o método das diferenças finitas ou mais

modernamente o método dos elementos finitos.

Na Figura 58, apresenta-se um exemplo de modelo físico reduzido, que

consiste em se instalar dentro de uma caixa de paredes transparentes uma

secção reduzida da secção por onde percola a água.

99

Figura 58 – Modelo Físico reduzido de percolação para dentro de uma escavação.


Para o traçado das linhas de fluxo, utiliza-se corante colocado em posições

determinadas no parâmetro de montante. Ao ocorrer o fluxo, os corantes vão

tingir a água, permitindo que se distingam algumas linhas de fluxo.

Paralelamente, a colocação de piezômetro dentro do modelo permite a

obtenção das cargas piezométricas em diversos pontos da seção. A partir

desses dados, pode-se desenhar a rede pretendida.

A equação de Laplace é satisfeita por duas famílias de curvas, dadas pelas

funções harmônicas conjugadas Ø e φ, as quais podem ser interpretadas

fisicamente dentro da região onde se desenvolve o fluxo.

A primeira delas Ø (x, z) = cte, chamadas de função de fluxo, é definida de

maneira que:

�� = �� = −��

A função Ø (x, z) = cte, representa fisicamente, dentro da região onde

ocorre o fluxo, pontos com mesma carga h. As curvas determinadas pela

função Ø (x, z) = cte são chamadas de linhas equipotenciais.

100

Por sua vez, a função φ(x, z) = cte representa fisicamente a trajetória da

água ao longo da região onde se processa o fluxo. Dá-se o nome de linhas de

fluxos às curvas determinadas pela função φ(x, z) = cte.

Seja a linha AB da Figura 59, representativa da trajetória de uma partícula

do fluido passando pelo ponto P, com velocidade tangencial V:

Da Figura 59, tem-se:

�� = �� = �� . � − ��. = 0

Como,

�� = �� = − ��

Resulta que,

�� . � +�� . � = 0�� = 0

E, portanto, � = cte.

Figura 59 – Trajetória de uma partícula de fluido.


101

Figura 60 – Trajetória de uma partícula de fluido.


Assim, as curvas dadas por φ = cte definem as trajetórias das partículas de

fluxo, pois em cada ponto elas são tangentes aos vetores velocidade. Observe

na Figura 60 que a vazão unitária (q) por cd%%% compreendida entre duas linhas de

fluxo (φ&eφ') é dada por

( = ) ��. � = ) � =�* − �+,-

,.

,-

,.

O que implica dizer que o fluxo entre as duas linhas de fluxo (canal de fluxo)

é constante.

Outra importante particularidade refere-se aos coeficientes angulares das

curvas determinantes das linhas de fluxo e das linhas equipotenciais. Para as

curvas φ(x, z) = cte tem-se:

��,/+01 = −��

= ��

As curvas φ(x, z) = cte têm evidentemente dφ = 0 o que implica.

�∅�� . � +�∅�� . � = 0

102

��,/+01 = −�∅��∅��

= − ��

Tem-se então que,

��,/+01 = − 13��4,/+01

Disso resulta que a família de curvas ∅(x, z) = cte é ortogonal a φ(x, z) =

cte. Assim as curvas da função ∅ interceptam as curvas da função φ segundo

ângulos retos, ou, outras palavras, as linhas de fluxo cruzam as linhas

equipotenciais segundo ângulos retos.

Vale lembrar que para condições de contorno determinadas, a solução de

uma equação diferencial é única. Para o caso do fluxo de água através do solo,

deve-se ressaltar ainda que a solução independe do coeficiente de

permeabilidade do solo; isto é, são condições determinantes apenas as

condições limites dos problemas em questão: variando estas, varia a solução.

3.13.4 Redes de Fluxo

As redes de fluxos constituem então uma solução gráfica da equação do

fluxo, e são formadas pelo conjunto das linhas equipotenciais e das linhas de

fluxo.

Denomina-se canal de fluxo à região situada entre duas linhas de fluxo.

Seja o canal de fluxo apresentado a seguir na Figura 61.

103

Figura 61 – Canal de Fluxo.


Segundo a Lei de Darcy, a vazão (Q) no canal de fluxo é dada por:

5 = �. 6. 7

Onde,

6 = 8ℎ9 ��( = �. 8ℎ. :9

No traçado de uma rede de fluxo, costuma-se fazer b = l. A perda de carga

entre duas equipotenciais consecutivas é constante, donde se tem a vazão

num determinado canal de fluxo é constante.

Ao fazer b = l, e como as linhas de fluxo são perpendiculares às

equipotenciais, resultam uma figura formada por quadrados de lados

ligeiramente curvos, como se representa na Figura 61 (b).

O traçado de uma rede de fluxo consiste basicamente em desenhar na

região de fluxo uma malha de quadrados formados por linhas de fluxos e

equipotenciais convenientes escolhidas entre as infinitas linhas possíveis.

O primeiro passo nesse traçado consiste em se estabelecer as condições

de contorno ou limites, as quais podem ser englobadas numa situação de fluxo

104

confinado ou de fluxo não confinado, e a direção geral do fluxo para o problema

em questão (VILAR; BUENO, 1979).

3.13.5 Fluxo Confinado

A Figura 62 representa um problema clássico de percolação e nela nos

baseamos para expor os princípios das redes de fluxo.

Figura 62 – Percolação de água através da fundação permeável de uma cortina de estacas

pranchas.


Figura 63 – Percolação de água através da fundação permeável de uma cortina de estacas

pranchas.


105

Este problema cai na categoria de fluxo confinado, isto é, as condições

limites estão determinadas. Na Figura 62 estão representadas as condições

limites formadas por duas equipotenciais, uma de carga máxima e outras de

carga mínima, e por duas linhas de fluxo, situações limites que em geral se

repetem nos problemas de fluxo confinado (VILAR; BUENO, 1979).

A água evidentemente percolará da esquerda para a direita em função da

diferença de carga total existente.

Pode-se comprovar, de imediato, duas propriedades características das

redes de fluxo.

a) As perdas de cargas são iguais entre os vários quadrados da rede; b) As vazões através dos vários canais de fluxo são iguais.

Para o cálculo da vazão que escoa através do maciço onde ocorre a

percolação, observemos novamente a Figura 62.

Nota-se que a rede é formada por => canais de fluxo (= linhas de fluxo

menos um) e =1? quedas de potencial (=linhas equipotenciais menos um).

Através de um canal de fluxo temos:

( = �. 6. 7 = �. 8ℎ9 . :. 9

Como construtivamente b = l

( = �. 8ℎ

Em nA canais de fluxo teremos

( = �. 8ℎ. =>

A carga total disponível (H) é dissipada através das nBC equipotenciais, de

forma que entre duas equipotenciais consecutivas:

8ℎ = D=1?

Assim, a vazão total que percola, por unidade de comprimento, é:

106

5 = �. D. =>=1?

3.13.6 Fluxo Não-Confinado

Uma das situações práticas onde é maior o emprego das redes de fluxo é

no caso das barragens de terra. A percolação através do maciço compactado

enquadra-se no caso do fluxo não confinado, isto é, uma das condições limites

não está determinada a priori. Seja a Figura 64 a seguir.

Figura 64 – Percolação através de barragens de terra homogênea.


Admitindo a fundação impermeável, temos como condição limite a

equipotencial de carga máxima-linha AB -, a equipotencial de carga mínima –

linha CD -, a linha de fluxo – AC – que limita o fluxo inferiormente. A linha de

fluxo que limita o fluxo superiormente chama-se linha freática.

A linha freática é uma linha de percolação particular na qual atua a pressão

atmosférica e, portanto a pressão piezométrica é nula.

A percolação através de barragens de terra foi estudada, estre outros, por

Kozeny que propôs uma solução teórica para uma barragem com filtro

horizontal a jusante, como se mostra na Figura 65 (VILAR; BUENO, 1979).

107

Figura 65 – Solução teórica de Kozeny – Parábola básica.


A solução de Kozeny admite que a rede de fluxo que se forma no problema

em questão é constituída por dois conjuntos de parábolas confocais, um deles

representando as equipotenciais e o outro as linhas de fluxo.

Estabelecida essa solução, é possível adapta-la para barragens com outras

condições de drenagem, o que foi feito por Casagrande, a partir de ensaios em

modelos e de estudos teóricos. Assim a solução de Kozeny, conhecida como

parábola básica de Kozeny, encontra grande aplicação prática no traçado de

redes quando o fluxo é não confinado.

3.13.7 Linha Freática

A linha freática apresenta uma série de propriedades e particularidades,

constituindo o primeiro passo para o traçado da rede em um problema de fluxo

não confinado.

Para o seu traçado, a condição fundamental é determinar a parábola

básica.

108

Uma vez traçada a parábola são feitas correções, a sentimento, para

corretamente locar a freática. Nessas condições devem-se observar

determinadas condições quanto à entrada e saída da freática do maciço. Na

Figura 66, apresentam-se as condições de entrada no maciço.

Figura 66 – Condições de entrada da freática.


Deve-se lembrar, como condição rotineira, que a freática sendo uma linha

de fluxo deve ser perpendicular ao talude de montante (que é equipotencial) no

seu ponto de entrada.

Na Figura 67, apresentam-se diversas condições de saída da freática,

devendo-se ressaltar que rotineiramente a freática é tangente ao talude de

jusante (talude menores que 90º) ou tangente à vertical no ponto da saída,

caso haja drenagem.

Figura 67 – Condições de saída da freática.


109

Outra condição a se observar é o ponto de saída da freática. Não havendo

drenagem horizontal a jusante (como no problema de Kozeny), o ponto da

saída da freática não coincide com o ponto de saída da parábola básica.

Casagrande, após observações em modelos, sugeriu a seguinte relação

para locar corretamente o ponto de saída da freática (Figura 68).

A Figura 69 representa a parábola obtida após efetuar as correções

necessárias.

Figura 68 – Gráfico para locar o ponto de saída da freática.


Figura 69 – Parábola básica e correções para situar a freática.


110

Por ultimo será mostrada as condições de cargas na linha freática. Como

atua a pressão atmosférica resulta que a pressão piezométrica é nula, então, a

carga total corresponde somente à carga de posição. Dessa forma, entre duas

equipotenciais consecutivas, a perda de carga será apenas altimétrica, como

mostrado na Figura 70.

Essa propriedade constitui um dado importante para o traçado da rede, pois

uma vez determinada a freática, o próximo passo será dividir a perda de carga

em cotas iguais, o que fornecerá os pontos de intersecção entre a freática e as

equipotenciais. Evidentemente, o número de perdas de carga a escolher será

um problema de tentativas e erros, até que se tenha uma solução que leve em

conta os fundamentos das redes de fluxo.

Figura 70 – Perdas de carga ao longo da freática são altimétricas.


Pode-se observar ainda na Figura 70, que as equipotenciais são ortogonais

à linha freática, o que é obvio, pois a freática é uma linha de fluxo.

3.13.8 Situações Especiais

O exposto nos itens anteriores aplica-se aos casos de fluxo estabelecido.

Existem algumas situações (enchimento do reservatório; chuvas intensas ou

rebaixamento do nível de água do reservatório, por ocasião das épocas de

111

seca) que apresentam redes de fluxo particulares. No caso do enchimento do

reservatório, a saturação do maciço é gradativa. Por conseguinte, as linhas de

fluxo superior, que delimitam o fluxo, vão passando por situações

intermediárias até se estabelecer o fluxo permanente.

Chuvas intensas tendem a alterar os limites de saturação, provocando fluxo

na região da crista da barragem e no talude de jusante. Por último, talvez a

mais importante dessas situações especiais, pois é uma condição critica para

análise de estabilidade da barragem: o rebaixamento rápido do reservatório.

Neste caso, forma-se uma nova rede com as Linhas de fluxo partindo da

freática, conforme se mostra na Figura 71.

Figura 71 – Rebaixamento rápido do nível de água do reservatório.


3.13.9 Recomendações Gerais

Certas condições limites podem ocasionar a intersecção de uma linha de

fluxo com uma equipotencial a ângulos maiores que 90º. Tem-se então una

condição particularmente critica onde a velocidade do fluxo pode provocar

erosão e arraste. Tais situações devem ser evitadas ou deve-se providenciar

proteção para que tais erosões não ocorram. As Figuras 72 e 73 esquematizam

alguns erros comuns nos traçados de redes, as correções necessárias e a rede

completa, respectivamente. .

112

Figura 72 – Erros comuns em redes de percolação.


Figura 73 –. Correções necessárias (c) e rede final corrigida (d).


113

As Figuras 74 e 75 apresentam várias redes de fluxo em diferentes seções

e geometrias.

Figura 74 – Exemplos de redes de fluxo.


Figura 75 – Exemplos de redes de fluxo.


114

3.13.10 Cálculo de Supressões e de Forças de Percol ação

Uma vez determinada à rede de fluxo num maciço, podem-se determinar as

pressões neutras devidas percolação. Em determinadas situações, como por

exemplo, estruturas de concreto, essas pressões atuarão na base da estrutura

exercendo uma força contrária à força normal, o que pode conduzir a estrutura

a uma situação instável. Seja a Figura 76 a barragem vertedouro aí

esquematizada sujeita à percolação pela sua fundação.

Figura 76 – Rede de fluxo pela fundação de uma barragem concreto e diagrama de

subpressões.


Para determinar as subpressões atuantes em sua base basta considerar as

cargas em diversas posições. Fixemos a referência de níve1 na superfície

impermeável, A perda de carga devida à percolação é h, que será dissipada

entre nBC equipotenciais, ou seja, entre duas equipotenciais consecutivas

dissipa-se h nBC⁄ = ∆h. No ponto O a carga total disponível é HH =zH + h =uH γL⁄ + zH, ou de outra forma, a carga piezométrica é uH γL⁄ = h. No ponto 1

como houve uma perda de carga, teremos:

DM = �MNO +�M =DP − ∆ℎ = �P + ℎ − ∆ℎ

�MNO = Q�P −�MR + Qℎ − ∆ℎR = ℎ − ∆ℎ

115

S�TUV��P = �M

O raciocínio pode ser estendido aos outros pontos de forma a se obter o

diagrama de subpressões ao longo da base da barragem.

O problema pode ser resolvido também graficamente para tanto basta

dividir a perda de carga em parcelas iguais, correspondentes ao número de

queda de equipotenciais, e transforma-las em cotas tal qual se representa na

Figura 75. No ponto 1, por exemplo, a carga de pressão corresponderá à

distância vertical entre o ponto e o número de quedas de equipotencial (um no

caso). No ponto 5 a mesma situação se repete, bastando observar que

ocorreram quatro perdas de carga. Observar que as cargas de posição são

consideradas positivas acima do referencial (RN). A demonstração do processo

gráfico fica por conta do leitor.

Importante notar que, mesmo que o ponto onde se deseja determinar a

pressão neutra não se situe sobre urna equipotencial da rede traçada, os

processos aqui descritos também se aplicam. A rigor a rede traçada representa

apenas algumas equipotenciais e algumas linhas de fluxo, porém sobre

qualquer ponto sempre "passará" uma equipotencial. Seja o ponto P situado

entre a 4ª e 5ª equipotenciais. Estimando que a perda de carga até ele seja 4,5

∆h pode-se determinar, tanto analítica quanto graficamente, a carga de

pressão sobre ele:

DW = DP − 4,5∆ℎ = �WNO + �W �WNO = ℎ − 4,5∆ℎ

DP = ℎ��W = �P

O exposto anteriormente também se aplica à percolação através de

barragens ou taludes naturais. Seja a Figura 77:

116

Figura 77 – Encosta natural sujeita à percolação.


A carga de pressão no ponto 1 será dada pela diferença de cotas entre

esse ponto e o ponto A, intersecção da equipotencial que passa pelo ponto 1

com a freática. Os pontos 1 e A situam-se sobre a mesma equipotencial,

portanto, tem a mesma carga total.

O mesmo raciocínio se aplica, por exemplo, ponto 4, bastando considerar a

equipotencial correspondente. Por último, deve-se lembrar de que o diagrama

de subpressões obtido, seja na base de urna estrutura impermeável ou ao

longo de una superfície de ruptura de um talude, tem como resultante um

empuxo correspondente a área do diagrama e atua no centro geométrico do

diagrama.

Outra informação importante obtida a partir rede de fluxo é a força de

percolação. As forças de percolação são originárias da transferência de

energia que se processa quando do fluxo de água através do solo. Essas

forças são efetivas, têm a dimensão de um peso específico e são tangentes às

linhas de fluxo.

Na Figura 78 o elemento hachurado tem lado “a”. O gradiente que atua é

6 = 8ℎ/U e a perda de carga entre duas equipotenciais consecutivas é

8ℎ = ℎ/=1 onde =1 é número de quedas de equipotencial.

117

Figura 78 – Determinação da força de percolação a partir da rede de fluxo.


3.14 Estabilidade de Taludes

3.14.1 Introdução

Os métodos para a análise da estabilidade de taludes baseiam-se na

hipótese de haver equilíbrio numa massa de solo, tomada como corpo rígido-

plástico, na iminência de entrar em um processo de escorregamento, daí a

denominação geral de métodos de equilíbrio-limite.

Conhecida as forças atuantes, são determinadas as tensões de

cisalhamento induzidas, através das equações de equilíbrio; a análise termina

com a comparação dessas tensões com a resistência ao cisalhamento do solo

em questão.

A observação dos escorregamentos na natureza levou as análises a

considerar a massa de solo como um todo (Método do Círculo de Atrito), ou

subdividida em lamelas (Método Sueco), ou com cunhas (Método das Cunhas).

A partir de 1916, motivados pelo escorregamento que ocorreu no cais de

Stigberg, em Gotemburgo, os suecos desenvolveram os métodos de análise

hoje em uso, baseados no conceito de equilíbrio-limite, tal como foi definido

acima. Constataram que as linhas de ruptura eram aproximadamente circulares

e que o escorregamento ocorria de tal modo que a massa de solo instabilizada

118

se fragmentava em fatias ou lamelas, com faces verticais. O conceito de círculo

de atrito e a divisão da massa de solo em lamelas (ou fatias) já eram praticados

naquele tempo, e o que Fellenius fez, na década de 1930, foi estender a

análise para levar em conta também a coesão na resistência ao cisalhamento

do solo, além de considerar casos de solo estratificado.

Documentaram-se escorregamentos com linha de ruptura não circular,

como, por exemplo, os escorregamentos planares que ocorrem na serra do

mar. Outros exemplos estão apresentados na Figura 79. Trata-se de secções

de barragens zoneadas, em que as análises de estabilidade são feitas com

superfícies de ruptura planas, representadas no desenho por "linhas" de

ruptura poligonais (MASSAD, 2003).

No estudo da estabilidade de taludes naturais, e de taludes de barragens de

terra, costuma-se definir o coeficiente de segurança (FS) como a relação entre

a resistência ao cisalhamento do solo (s) e a tensão cisalhante atuante ou

resistência mobilizada (τ), esta última obtida através das equações de

equilíbrio, isto é,

]^ = V_

s, em termos de tensões efetivas, é dada por:

V = T` +ab . ��∅′

119

Figura 79 – Exemplos de casos em que a linha de ruptura não é circular.


Evidentemente, não se conhece a posição da linha de ruptura, isto é, da

linha qual está associado o coeficiente de segurança mínimo, o que se

consegue por tentativas. Atualmente, essa tarefa é facilitada graças aos

recursos disponíveis de computação eletrônica (MASSAD, 2003).

3.14.2 Métodos de Equilíbrio-Limite

Os Métodos de Equilíbrio-limite partem dos seguintes pressupostos:

a) o solo se comporta como material rígido-plástico, isto é, rompe-se

bruscamente, sem se deformar;

b) as equações de equilíbrio estático são válidas até a iminência da ruptura,

quando, na realidade, o processo é dinâmico;

c) o fator de segurança (FS) é constante ao longo da linha de ruptura, isto é,

ignoram-se eventuais fenômenos de ruptura progressiva.

120

3.14.3 Dedução da Fórmula do Coeficiente de Seguran ça

Conforme a Figura 80 a primeira equação que se escreve é a do equilíbrio

dos momentos atuantes e resistentes.

Figura 80 – Método sueco ou das lamelas e forças na lamela genérica.


O momento das forças atuantes é dado por:

∑Qe. f. V�=�R E, o momento das forças resistentes:

∑Qg. fR Ambas tomadas em relação ao centro do círculo de ruptura. Nota-se, que

as forças entre lamelas (tipos Eb e X na Figura 80) não geram momento, pelo

princípio da ação e reação.

121

Figura 81 – Convenção de sinais do ângulo θ.


Assim, igualando-se momentos atuante e resistente, tem-se:

∑Qe. f. V�=�R = ∑Qg. fR Ou, como R é constante, e tendo-se em conta a expressão acima:

]^ = ∑QT`. 9 + Sb. ��∅′R∑Qe. V�=�R

Esta expressão permite o cálculo do coeficiente de segurança,

associado ao arco de circunferência em análise e linha potencial de ruptura,

esta é válida para os dois métodos, Fellenius e Bishop Simplificado.

3.14.4 Pesquisa do Círculo Crítico

Para a pesquisa da posição do círculo critico, isto é, do arco de

circunferência ao qual está associado o coeficiente de segurança mínimo

(Fmin). Para tanto, define-se urna malha de centros de círculos a pesquisar,

impõe-se uma condição, como círculos passando por determinado ponto ou

tangenciando uma linha, e determina-se o valor de F correspondente a cada

centro. Dessa forma é possível traçar curvas de igual valor de F, que

possibilitam determinar o Fmin e a posição do círculo crítico.

122

3.15 Métodos de Estabilidade de Taludes

Neste item serão descritos, de forma simples, os quatro métodos utilizados

pelo software SLOPE/W, neste trabalho.

3.15.1 Método de Bishop Simplificado

Desenvolvido em 1955, inicialmente para análise de superfícies circulares,

também é válida para superfícies não circulares. O método desconsidera as

forças cisalhantes entre as lamelas, satisfazendo o equilíbrio de momentos, de

onde provem o fator de segurança. Apesar das forças de cisalhamento serem

desconsideradas, não quer dizer que sejam zero, mas que um dos termos da

equação é zero. Isso acontece quando se adota uma distribuição ajustada das

forças de corte verticais entre lamelas que satisfaça, ao mesmo tempo, o

equilíbrio de forças horizontais. Daí resulta a sua precisão quando comparado

com outros métodos. A reação normal na base da lamela é obtida através do

equilíbrio de forças segundo a direção vertical. (ZHU, 2008 citado por SILVA,

2011).

123

As forças aplicadas a cada lamela encontram-se ilustradas na Figura 82.

Figura 82 – Forças aplicadas em uma lamela do solo pelo método Bishop.

Fonte: Silva (2011).

3.15.2 Método de Janbu (simplificado)

O método simplificado ignora as forças normais e de cortante entre as

lamelas (Figura 83) e satisfaz apenas o equilíbrio de forças. O método introduz

um fator corretivo (f0) que multiplica pelo Fator de Segurança (FS) resultante do

equilíbrio de forças segundo a direção horizontal. Este fator corretivo existe

para ter em conta as forças de interação que são desconsideradas pelo

método, sendo dependente do tipo de solo que constitui o talude. A reação

normal na base é calculada pela equação de equilíbrio de forças verticais como

mostrado pela Figura 83. (FREDLUND, 1977, citado por SILVA, 2011).

124

Figura 83 – Forças aplicadas em uma lamela do solo pelo método Janbu (simplificado).


3.15.3 Método de Spencer

Apresentado em 1967, é considerado um dos mais rigorosos, por satisfazer

todas as equações de equilíbrio (momentos e forças). As forças de interação

entre as lamelas são representadas por uma resultante equivalente, que

assume uma inclinação constante com a horizontal da mesma (Figura 84).

Essa resultante é aplicada na base da lamela e em seu ponto intermédio. A

reação normal é obtida pelo equilíbrio de forças nas direções paralela e

perpendicular à base das lamelas. O Fator de Segurança pode ser obtido por

duas formas: somatório de momentos em relação a um ponto ou somatório de

forças na direção horizontal ou paralela à base das lamelas. O método prevê o

cálculo de FS para os dois ângulos, correspondentes aos dois lados das

lamelas (FREDLUND, 1977 citado por SILVA, 2011).

125

Figura 84 – Forças aplicadas em uma lamela do solo pelo método Spencer.


3.15.4 Método de Morgenstern-Price

Pertence ao grupo dos métodos rigorosos, ou seja, cumpri todas as

condições de equilíbrio. As forças de interação são, neste caso, controladas

por uma função multiplicada por um fator. Essa função determina a inclinação

das forças entre as lamelas (Figura 85). Caso a função seja constante, os

resultados poderão ser iguais aos de Spencer.

Figura 85 – Forças aplicadas em uma lamela do solo pelo método Morgenstern-Price.


126

As diferenças básicas entre os métodos estão resumidas pela Tabela 6.

Tabela 6 – Resumo comparativo dos métodos utilizados na simulação computacional.

Métodos Superfície ∑Fh ∑hi ∑M=0 Força E

Força X

Z

Bishop Simplificado

Qualquer Não Sim Sim Sim Não Horizontal

Janbu Simplificado

Qualquer Sim Sim Não Sim Não Horizontal

Spencer Circular Sim Sim Sim Sim Sim Constante Morgenstern - -Price

Qualquer Sim Sim Sim Sim Sim Variável


3.16 UHE Engenheiro Souza Dias (Jupiá)

A UHE Jupiá está localizada no rio Paraná (Figura 86), bacia do Rio

Paraná, 20Km à jusante da confluência com o rio Tietê, na região noroeste do

Estado de São Paulo, cerca de 680 Km da cidade de São Paulo. Tendo o

município de Três Lagoas (MS) na margem direita e o município de Castilho

(SP) na margem esquerda.

Figura 86 – Localização da UHE Jupiá.

Fonte: (CESP, 2014).

127

Figura 87 – Detalhe da localização da UHE Jupiá.

Fonte: CESP (2014).

Na Tabela 7 são apresentadas algumas características da UHE Jupiá.

Tabela 7 – Características da UHE Jupiá.

BACIA HIDROGRÁFICA

Área de contribuição 470.000

Km².

ÁREA DE INUNDAÇÃO

N.A. Máximo Maximorum:280,50 m

N.A. Máximo Normal: 280,00 m

N.A. Mínimo Normal: 277,00 m

PROJETO EXECUTIVO Desenvolvido pela Projetista

THEMAG

PROJETO DE CONSTRUÇÃO

CIVIL

A cargo da C.C.CAMARGO

CORRÊA

128

MONTAGEM

Ficou a cargo da TENENGE

VOLUME TOTAL DE CONCRETO 1.300.000 m³

BARRAMENTO DE CONCRETO

Tipo – Gravidade

Comprimento total - 1040,00 m

Cota de coroamento - 283,50 m

Altura máxima sobre a fundação -

42,50 m

BARRAMENTO DE TERRA /

ENROCAMENTO

Margem Direita - Aterro

Compactado e Enrocamento

Margem Esquerda - Aterro

Compactado e Enrocamento

ÓRGÃOS DE DESCARGA

Vertedouro de Superfície

Número de vãos - 04

Largura dos vãos - 15,00 m

Altura dos vãos - 12,80 m

Cota da soleira - 268,00 m

Cota do coroamento - 283,50 m


Vertedouro de Fundo

Número de vãos - 37

Largura dos vãos - 10,00 m

Altura dos vãos - 7,61 m

Cota da soleira - 255,00 m

Cota do coroamento - 262,45 m


Fonte: CESP (2014).

129

As Figuras 88, 89 e 90, a seguir, ilustram a partição de quedas no Rio

Paraná, a vista superior e a jusante dos vertedouros de superfície (VS), da

UHE Jupiá, respectivamente.

Figura 88 – Esquema de partição de quedas do rio Paraná.

Fonte: CESP (2014).

Figura 89 – Vista superior do vertedouro de superfície da UHE Jupiá.


130

Figura 90 – Vista à jusante do vertedor de superfície.

Fonte: CESP (2004).

As Tabelas 8 e 9 trazem a relação dos instrumentos instalados na UHE Jupiá.

Tabela 8 – Instrumentos instalados na Barragem de Concreto e Eclusa. Sigla Instrumento Localização

CF TA GER AM VS MJDF EC MSC DF TOTAL

BA Base para

alongâmetro

05 02 - - 01 - 01 03 - 12

BT Base para

tensotast

- - - - - - 06 - - 06

DR Dreno

superficial

- - 724 - - - - - - 724

EC Extensômetro

p/ concreto

285 19 - - - - - - - 304

EH Extensômetro

de hastes

- - - - - - 08 - - 08

MV Medidor de

vazão

129 02 - - 10 01 06 08 50 206

MT Medidor

triortogonal

04 - - - 14 - 06 03 12 35

PZ Piezômetro de

tubo

56 - - 08 14 - 08 07 31 124

TE Termômetro

elétrico

02 - - - - - - - - 02

Fonte: CESP (2010).

131

Tabela 9 – Instrumentos instalados na Barragem de Terra Sigla Instrumento Localização

BTMD BTME TOTAL

MV Medidor de

vazão

05 06 11

NA Medidor de nível

d’água

01 11 12

PA Poço de alívio - 09 09

PE Piezômetro

elétrico

06 12 18

PN Piezômetro

pneumático

- 04 04

PZ Piezômetro de

tubo

22 90 112

Fonte: CESP (2010).

3.16.1 Geologia Local

Inserida num grande derrame basáltico, a UHE Jupiá, se encontra na Bacia

do Rio Paraná, que pode ser caracterizado pela alternância textural ou

frequente presença de arenito intertrapeano.

Especificamente no local da Barragem distingue-se uma sequência de 4

derrames basálticos.

O derrame superficial consiste basicamente, ao longo da maior parte do

eixo da Barragem, de basalto compacto, uma vez que seu topo foi erodido.

Cada um dos derrames inferiores apresenta uma sequência característica

de baixo para cima: Basalto compacto preto - Basalto vesicular amigdalóide -

Basalto vesicular e amigdalóide com arenito.

Entre um derrame e outro pode ocorrer uma camada de arenito

intertrapeano, de espessura variável, que no local da barragem ocorre em

extensão e espessura, relativamente pequenas e na forma de lentes.

132

Na planície de inundação da Margem Direita, a rocha encontra-se coberta

por depósitos recentes, de espessura média de 2 a 3 m e que consiste numa

sequência de sedimentos aluvionares de diversas granulações, pedregulho e

areia grossa basais, seguidos por areia fina e por uma argila orgânica

superficial.

Nessa mesma margem, em cotas mais elevadas, aparece o terraço de

origem terciária, que se constitui na maior fonte de materiais de construção.

Solos coluvionares superficiais provenientes do arenito Bauru fornecem

material para o aterro da Barragem de Terra, enquanto que na base

encontram-se areias médias, grossas e cascalhos que representam materiais

para concreto, pavimentação e filtros.

Na Planície de Inundação da Margem Esquerda o basalto é recoberto por

depósitos aluvionares recentes que consistem em camadas intercaladas de

areia fina, silte e argila. A camada de argila com até 2 m de espessura

geralmente recobre as camadas de areia e silte.

Acima da Planície de Inundação da Margem Esquerda são encontrados

usualmente sedimentos de arenito Bauru (CESP, 2004). A Figura 91 ilustra

uma seção típica da barragem de terra da margem esquerda.

Figura 91 – Seção típica da barragem de terra da margem esquerda.

Fonte: CESP (2004).

133

4 MATERIAIS E MÉTODOS

A metodologia consistiu em interpretar os dados de piezômetros, medidores

de vazão e medidores de nível d’água existentes no Sistema CESP de

Segurança de Barragens (SICESP), avaliando deste modo a percolação de

água no maciço de terra e fundação da barragem, e com o auxílio do software

SEEP/W do pacote GeoStudio, comparar os valores teóricos com os reais.

Bem como analisar o fator de segurança gerado pela simulação da estabilidade

de taludes do software SLOPE/W.

4.1 Seções Analisadas

As seções escolhidas foram das estacas 62+04 m e 84+15 m ambas na

margem esquerda, como corpo estrutural da barragem. Foram escolhidas por

possuírem uma grande quantidade de instrumentos, principalmente

piezômetros, que possibilitariam a comparação das percolações reais com as

simuladas em computador, possuem uma geometria simples, que facilita e

torna didáticas as comparações.

4.2 Dados Reais

A obtenção dos dados reais se deu por meio do Sistema Integrado Cesp de

Segurança de Barragens (SICESP), onde foram analisados dados de anos

(janeiro de 2004 a janeiro de 2014).

134

4.3 Seção 62+04 m

Encontra-se no aterro da barragem de terra da margem esquerda, com 8

instrumentos, sendo 7 piezômetros de tubo aberto (PZ-626, PZ-627, PZ-634,

PZ-635, PZ-631, PZ-632, PZ-633) e 1 medidor de nível d’água (NA-602).

A seção e a localização dos instrumentos podem ser mais bem visualizadas

no anexo A.

4.4 Seção 84+15 m

Esta seção se encontra no aterro da barragem de terra da margem

esquerda, com 9 instrumentos, sendo 8 piezômetros de tubo aberto (PZ-614,

PZ-615, PZ-616, PZ-617, PZ-618, PZ-620, PZ-621, PZ-622) e 1 medidor de

nível d’água (NA-603).

A seção e a localização dos instrumentos podem ser mais bem visualizadas

no anexo B.

4.5 Software SEEP/W

Pertencente ao pacote GeoStudio, o Seep permite realizar desde simples

simulações a complexas análises de percolação. Nessa versão educacional o

software disponibiliza apenas 500 elementos finitos e 3 materiais como

condições de contorno para realizar as simulações, entretanto a barragem em

estudo é muito mais complexa do que a versão estudantil pode oferecer, ainda

assim, os resultados das simulações computacionais possibilitaram a análise e

comparação com o desempenho real da barragem.

135

Para obter os resultados de percolação, em ambas as seções, foram

utilizados os materiais ilustrados pela Figura 92, bem como a Figura 93 com a

malha de elementos finitos utilizados para a simulação computacional.

136

Figura 92 – Materiais utilizados como condição de contorno na simulação computacional, em ambas as seções.


Figura 93 – Malha de elementos finitos utilizados como condição de contorno para simulação computacional, em ambas as seções.


PZ - 635 PZ - 633 PZ - 631

NA - 602

PZ - 627 PZ - 626PZ - 632PZ - 634

Solo Maciço

Filtro

Solo Fundação

Distância

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Ele

vaçã

o

-10

-5

0

5

10

15

20

PZ - 635 PZ - 633 PZ - 631

NA - 602

PZ - 627 PZ - 626PZ - 632PZ - 634

Distância

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Ele

vaçã

o

-10

-5

0

5

10

15

20

137

A Tabela 10 ilustra as condições de contorno utilizadas na simulação de

percolação.

Tabela 10 – Materiais e suas características utilizadas na simulação.

Material Permeabilidade (k) (m/s)

Solo Maciço 10�j

Filtro 10�W

Solo Fundação 10��


Os valores utilizados na Tabela 10 se basearam em valores teóricos

encontrados na literatura.

4.6 Software SLOPE/W

Também pertencente ao pacote GeoStudio, o Slope permite realizar

análises de estabilidade de taludes por vários métodos diferentes, sendo

utilizados neste trabalho os métodos de Método de Morgenstern – Price,

Spencer, Bishop Simplificado e Janbu Simplificado, e assim como o Seep, na

versão educacional são permitido apenas 3 materiais. A Tabela 11 mostra as

condições de contorno utilizadas na simulação de estabilidade de taludes

Tabela 11 – Materiais e suas características utilizadas na simulação.

Material Peso Específico

(KN/m³)

Coesão (KPa) Ângulo de

Atrito ( Φº)

Solo Maciço 19 5 25

Filtro 18 0 30

Enrocamento 21 0 33


138

Os valores obtidos pela Tabela 11, anterior, são aproximados do controle de

compactação, realizado pelo Instituto de Pesquisas Técnicas de São Paulo

(IPT), os valores das estacas próximas à 62+04 m estão na Tabela 12, a

seguir.

Tabela 12 – Controle de compactação no período construtivo, próximos s estaca 62+04 m.

Estaca

ρlmnop

(g/cm³)

qrstuv

(%)

ρwmx

(g/cm³)

qÓz{ts

(%)

GC (%)

61+10 1,923 11,1 1,980 11,6 97,1

63+05 1,998 9,3 2,010 10,1 99,4

62+06 1,932 10,5 1,986 11,1 97,2

61+10 1,974 10,2 1,961 11,0 100,7

61+00 1,985 10,4 2,009 11,4 98,8

63+00 1,960 10,4 1,983 10,8 98,4

62+00 1,869 10,3 1,942 11,2 96,2

62+05 1,970 10,3 1,975 11,0 99,7

62+00 2,027 10,2 1,994 10,8 101,6

63+00 1,957 11 1,942 11,2 100,7

62+00 1,951 9,4 2,015 10,3 96,8

62+00 1,998 10,4 1,973 10,9 101,2

61+00 1,982 9,9 1,997 10,8 99,3

62+05 2,017 10,5 2,001 11,2 100,9

62+00 1,976 11,0 1,966 11,4 100,5

Fonte: IPT (1963).

139

Os valores de controle de compactação, próximos a estaca 84+15 m, são

mostrados pela Tabela 13.

Tabela 13 – Controle de compactação no período construtivo, próximos s estaca 84+15 m.

Estaca

ρlmnop

(g/cm³)

qrstuv

(%)

ρwmx

(g/cm³)

qÓz{ts

(%)

GC (%)

73+19 1,925 10,6 1,976 11,0 97,4

73+00 1,943 11,2 1,953 11,0 99,5

73+10 1,945 10,6 1,994 11,0 97,5

73+00 1,846 10,7 1,978 11,1 93,3

73+10 1,923 11,2 1,968 11,5 97,7

74+00 1,974 9,9 2,043 10,6 96,6

74+00 1,974 9,9 2,043 10,6 96,6

74+00 2,009 9,3 2,060 10,0 97,4

74,00 1,997 10,4 1,992 10,8 99,3

73+00 2,023 10,2 2,049 10,9 98,7

74+00 1,895 10,7 1,978 11,1 95,8

73+10 1,870 9,9 1,980 10,8 94,4

73+10 1,939 9,7 2,004 10,5 96,8

73+00 1,959 11,2 1,976 11,3 99,2

73+00 1,931 9,3 1,917 11,1 100,7

73+00 1,907 10,1 1,979 10,5 96,4

Fonte: IPT (1963).

A Figura 94 ilustra a seção utilizada para análise computacional e a Figura

95 a superfície de escorregamento utilizada para as análises, em ambas as

seções.

140

Figura 94 – Materiais utilizados como condição de contorno na simulação computacional nas duas seções em análise.


Figura 95 – Superfície de escorregamento utilizada como condição de contorno nas duas seções em análise.


Solo Maciço

Filtro Enrocamento

Solo Maciço

Elevação

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Dis

tânc

ia

-10

-5

0

5

10

15

20

25

Elevação

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Dis

tânci

a

-10

-5

0

5

10

15

20

25

141

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES

Neste item foram analisados os gráficos de piezômetros localizados a

jusante e na fundação das seções 62+04 m e 84+15 m, estas também foram

analisadas por meio de simulações do software SEEP/W. Bem como os

resultados de estabilidade dos taludes das seções em análise.

5.1 Seção 62+04 m

5.1.1 Análise de Percolação

A seguir são apresentados os resultados das simulações na seção 62+04

m, considerando inicialmente a percolação somente pelo maciço de terra da

barragem (Figura 96), e posteriormente considerando a percolação também

pelo maciço de fundação (Figura 97). As Figuras 96 e 97 retiradas do software

GeoStudio estão com as escalas horizontal e vertical diferentes das originais,

para facilitar sua impressão. .

Figura 96 – Resultado da simulação computacional considerando a percolação somente pelo maciço de terra a montante da seção 62+04 m.


PZ - 635 PZ - 633 PZ - 631

NA - 602

PZ - 627 PZ - 626PZ - 632PZ - 634

142

Figura 97 – Resultado da simulação computacional considerando a percolação pelo maciço de montante e de fundação da seção 62+04 m.


Pela análise computacional, foi percebido que toda água a montante da

barragem que penetrou no maciço foi percolada pelo filtro chaminé e em

seguida pelo tapete drenante (Figura 96), assim como a água que penetrou no

solo de fundação foi toda conduzida pelo filtro horizontal (Figura 97).

Em ambos os casos o maciço situado à jusante da seção analisada

permaneceu sem percolação de água, portanto, os piezômetros situados no

maciço (PZ-635, PZ-633 e PZ-631) deveriam se apresentar sem leituras,

entretanto há um histórico de leituras desses aparelhos, como ilustrado pelas

Figuras 98 a 101.

Figura 98 – Variação temporal das leituras do piezômetro 635 no maciço de jusante da seção 62+04 m.

Fonte: CESP (2014).

PZ - 635 PZ - 633 PZ - 631

NA - 602

PZ - 627 PZ - 626PZ - 632PZ - 634

265

267

269

271

273

275

277

jan-01 jan-02 jan-03 jan-04 jan-05 jan-06 jan-07 jan-08 jan-09 jan-10 jan-11 jan-12 jan-13 jan-14

Período (anos)

Cot

as

Pie

zom

étr

ica

s (m

)

PZ-635

SICESP - Sistema CESP de Segurança de Barragens

JUP - UHE Eng. Souza Dias (Jupiá)Piezômetros - Seção 62+04 m - Período: 01/01/2001 a 31/01/2014

143


Fonte: CESP (2014).


Fonte: CESP (2014).

265

267

269

271

273

275

277


Período (anos)

Cot

as

Pie

zom

étr

ica

s (m

)

PZ-633



263

265

267

269

271

273

275


Período (anos)

Cot

as

Pie

zom

étr

ica

s (m

)

PZ-631



144

Figura 101 – Variação temporal das leituras do Medidor de Nível d’Água 602 no filtro da seção 62+04 m.

Fonte: CESP (2014).

O gráfico do NA-602, representado pela Figura 101 se mostrava com

pequenas variações do nível d’água, mostrando a pequena infiltração da água

no maciço da barragem, entretanto, após meados de 1998 o instrumento

passou a ter leituras muito discrepantes das anteriores, e atualmente se

encontra obstruído pela lama asfáltica que o cobriu, não permitindo mais

leituras.

Os gráficos de piezometria demonstram que não há grandes sinuosidades

no período analisado, possuindo valores próximos de leitura há vários anos.

Tal fato pode estar associado pela posição dos piezômetros, estes sendo a

jusante, após o filtro vertical, possuem influência menor da variação do nível

d’água a montante, assim como das precipitações na região. Além disso, o filtro

se mostra atuante, mesmo com instrumentos possuindo carga a jusante do

mesmo, essa pouco varia anualmente, como demonstrado pela Figura 102, a

qual mostra a variação das leituras do piezômetro 635 em escala ampliada.

265

267

269

271

273

275

277

279

281

283

285

jan-96 jan-97 jan-98 jan-99 jan-00 jan-01 jan-02 jan-03 jan-04 jan-05 jan-06 jan-07 jan-08 jan-09 jan-10 jan-11 jan-12 jan-13 jan-14

Período (anos)

Nív

el D

'águ

a (

m)

NA-602


JUP - UHE Eng. Souza Dias (Jupiá)Medidores de Nível D'água - Seção 62+04 m - Período: 01/01/1996 a 31/01/2014

145

Figura 102 – Variação temporal das leituras do piezômetro 635, em escala ampliada.

Fonte: CESP (2014).

Pode-se perceber que a variação de leituras é pequena, entre as cotas

271,1 e 271,4 m, ou seja, em torno de 0,3 m de carga piezométrica,

desconsiderando pontos isolados, provavelmente por leituras errôneas.

Já os piezômetros situados na fundação da barragem, mostraram

resultados próximos dos simulados em computador. A Figura 103 a seguir

ilustra a variação das leituras no piezômetro 627, instalado no maciço de

montante da fundação, e as Figuras 104, 105 e 106 mostram a variação dos

demais (PZ-626, PZ-634, PZ-632), instalados no maciço de jusante da

fundação.

270,5

270,7

270,9

271,1

271,3

271,5

271,7

271,9


Período (anos)

Cot

as

Pie

zom

étr

ica

s (m

)

PZ-635



146

Figura 103 – Variação temporal das leituras do piezômetro 627 no maciço de fundação a montante da seção 62+04 m.

Fonte: CESP (2014).

Figura 104 – Variação temporal das leituras do piezômetro 626 no maciço de fundação a jusante da seção 62+04 m.

Fonte: CESP (2014).

262

264

266

268

270

272

274

276


PERÍODO

Cot

as

Pie

zom

étr

ica

s (m

)

PZ-627 [275,60]


JUP - UHE Eng. Souza Dias (Jupiá)Piezômetros - Período: 01/01/2001 a 31/01/2014 [Limite de Projeto (m)]

262

264

266

268

270

272

274

276


PERÍODO

Cot

as

Pie

zom

étr

ica

s (m

)

PZ-626 [274,50]



147


Fonte: CESP (2014).


Fonte: CESP (2014).

Da análise dos gráficos anteriores, percebe-se que, assim como nos

piezômetros instalados no maciço, as leituras dos aparelhos instalados na

fundação variam pouco, com leituras próximas e alguns pontos discrepantes

dos demais, que devem ser descartados. A exceção do PZ-632 (Figura 106),

261

263

265

267

269

271

273

275


PERÍODO

Cot

as

Pie

zom

étr

ica

s (m

)

PZ-634 [273,50]



262

264

266

268

270

272

274

276


PERÍODO

Cot

as

Pie

zom

étr

ica

s (m

)

PZ-632 [272,20]



148

que após janeiro de 2005 começou a apresentar leituras muito discrepantes

das anteriores, provavelmente por defeitos no aparelho.

Percebe-se, ainda, que a carga piezométrica nos aparelhos à jusante é

próxima da carga registrada no piezômetro de montante, demostrando a baixa

percolação pelo maciço de fundação, bem como o alívio da carga de montante

para jusante.

A Tabela 14 mostra as leituras dos piezômetros pela simulação

computacional e pela média das leituras no período, registradas no SICESP. A

tabela segue a ordem de instalação dos aparelhos na seção.

Tabela 14 – Simulação da carga piezométrica e valores reais da seção em análise.

PZ

Carga Piezométrica

SEEP/W (m)

Carga Piezométrica

Real (m)

627 6,59 8,70

626 4,62 9,17

635 * 3,31

634 3,93 7,99

633 * 4,59

632 3,57 Seco/Obstruído

631 * 1,45

(*) Não possuem carga piezométrica.


Da análise dos resultados pode ser percebido que a carga piezométrica,

tanto a simulada, quanto a real, tende a diminuir de montante para jusante.

Pela simulação a carga no piezômetro 627, a montante do maciço de fundação,

é de 6,59 m, sendo totalmente aliviada, com o piezômetro 631 não indicando

leitura. Já nas leituras reais, o piezômetro 627 tem carga média de 8,70 m,

sendo aliviada para 1,45 m no piezômetro 631.

149

As Figuras a seguir mostram como a poropressão (Figuras 107 e 108) e a

carga total (Figura 109 e 110) se desenvolvem ao longo da seção.

Figura 107 –. Variação da poropressão no maciço de terra da seção em análise.


Figura 108 –. Variação dos valores de poropressão no maciço de terra da seção em análise.




PZ - 635 PZ - 633 PZ - 631

NA - 602

PZ - 627 PZ - 626PZ - 632PZ - 634

PZ - 635 PZ - 633 PZ - 631

NA - 602

PZ - 627 PZ - 626PZ - 632PZ - 634

0 2 0

40 60 80

100 120

140 160 180

PZ - 635 PZ - 633 PZ - 631

NA - 602

PZ - 627 PZ - 626PZ - 632PZ - 634

150

Figura 110 –. Variação dos valores de carga total no maciço de terra da seção em análise.


A Figura 108 demonstra como a poropressão é aliviada à medida que se

aproxima da crista e se afasta da montante, assim como a Figura 110

representa o alívio de carga total de montante para jusante.

Com as cargas piezométricas e a posição dos instrumentos, foi possível

calcular e comparar os valores de gradiente hidráulico obtidos em simulação

computacional com os reais. Os resultados obtidos pela simulação no SEEP/W

e os valores reais, são mostrados pela Tabela 15.

Tabela 15 – Valores de gradientes hidráulicos simulados e reais da seção em análise.

PZ Gradiente Hidráulico

SEEP/W

Gradiente Hidráulico Real

627 0,232 *

626 0,033 0,034

635 0,009 0,039

634 0,010 0,028

633 0,010 0,097

632 0,010 Seco/Obstruído

631 0,010 0,138

(*) Valor utilizado como referencial para o cálculo dos demais.


PZ - 635 PZ - 633 PZ - 631

NA - 602

PZ - 627 PZ - 626PZ - 632PZ - 634

2 4

6

8

10

12

14

151

Foi observado que o gradiente hidráulico real tende a aumentar em direção

à jusante da barragem, diferente da simulação, a qual indicou que o gradiente

tende a diminuir em direção à jusante. Destaca-se o PZ-626, no qual teve seu

valor simulado e real muito próximo e que tanto em simulação quanto na

realidade os valores obtidos de gradiente hidráulicos são baixos. Segundo

dados da CESP, em informações obtidas de Silveira e Cruz em curso sobre

segurança de barragens, realizado na UHE Engenheiro Souza Dias, o valor

aceitável do gradiente hidráulico é menor ou igual a 1,0, o qual enquadra os

valores encontrados, deste modo o risco de surgências e erosões internas são

reduzidos, colocando a barragem em níveis seguros.

5.1.2 Análise de Estabilidade de Taludes

Para efeito de comparação, a Tabela 16 utilizada pelo “U.S. Corps of

Engineer - Design Manual EM - 1110-1-1902 - Stability of Earth and Rockfill

Dams”, demonstra os valores de Fator de Segurança para barragens, em

vários estágios. (ELETROBRÁS, 2003).

Tabela 16 – Valores de Fator de Segurança para várias etapas de uma barragem.

Caso Coeficiente de

Segurança

Resistência ao

Cisalhamento

Observações

Final de

Construção

1,3 (a) Q ou S (b) Taludes Montante e

Jusante

Rebaixamento

Rápido

1,1 a 1,3 (c)

R ou S

Valor mínimo para

solos dilatantes

Valor máximo para

solos que contraem

no cisalhamento

Percolação

Estável

1,5 R ou S Talude Jusante

Análise Sísmica 1,0 R ou S Taludes Montante e

Jusante

152

(a) Para barragens acima de 15 m de altura sobre fundações relativamente fracas, usar fator

de segurança mínimo de 1,4.

(b) Em zonas em que não são antecipadas pressões neutras, usar resistência de ensaios S.

(c) Nos casos em que o rebaixamento ocorre com frequência, considerar o coeficiente 1,3.



m, onde os quatro métodos mencionados anteriormente foram utilizados para o

cálculo (Morgenstern-Price, Spencer, Bishop e Janbu).

Considerando inicialmente o método de Morgenstern-Price, o resultado

obtido é ilustrado pelas Figuras 111 e 112.

Figura 111 – Visão geral da seção com o resultado de estabilidade de taludes por Morgenstern-Price.


Figura 112 – Detalhe da cunha de deslizamento da seção em análise pelo método de Morgenstern-Price.


1,616

Elevação

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Dis

tânc

ia

-10

-5

0

5

10

15

20

25

153

Pela análise do resultado anterior percebe-se que o talude, pelo método de

Morgenstern-Price encontra-se seguro com fator de segurança (FS) de 1,616,

ou seja, não há risco quanto ao escorregamento do talude.

As Figuras 113 e 114 mostram os resultados das simulações pelo método

de Spencer.

Figura 113 – Visão geral da seção com o resultado de estabilidade de taludes por Spencer.


Figura 114 – Detalhe da cunha de deslizamento da seção em análise pelo método de Spencer.


Do resultado da análise computacional, o método de Spencer, apresentou o

maior Fator de Segurança (1,691), em comparação aos demais métodos

utilizados, colocando o talude em um elevado nível de segurança.

1,691

Elevação

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Dis

tân

cia

-10

-5

0

5

10

15

20

25

154

A seguir é demonstrado o resultado da simulação pelo método de Bishop

(Figuras 115 e 116).

Figura 115 – Visão geral da seção com o resultado de estabilidade de taludes por Bishop.


Figura 116 – Detalhe da cunha de deslizamento da seção em análise pelo método de Bishop.


Do resultado da seção em análise, pelo método de Bishop, o talude

encontra-se com fator de segurança (FS) de 1,665 sendo intermediário aos

Fatores de segurança obtidos pelo método de Morgenstern-Price e Spencer,

colocando o talude em um bom nível de segurança.

1,665

Elevação

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Dis

tânc

ia

-10

-5

0

5

10

15

20

25

155

A seguir é demonstrado o resultado da simulação pelo método de Janbu


Figura 117 – Visão geral da seção com o resultado de estabilidade de taludes por Janbu.


Figura 118 – Detalhe da cunha de deslizamento da seção em análise pelo método de Janbu.


Foi possível perceber, pela análise da Figura 118, que pelo método de

Janbu o FS caiu consideravelmente, em comparação aos simulados

anteriormente, para 1,533, mas ainda demonstra que o talude se encontra em

um nível seguro.

Como mostrado pela Tabela 16 anterior, o valor mais crítico obtido por

simulação (1,533), cumpre todos os fatores de segurança, inclusive o de

percolação estável (1,5) demostrando a robustez do talude e este, mesmo após

40 anos da inauguração, continua cumprindo sua função, com elevada

estabilidade.

1,533

Elevação

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Dis

tânc

ia

-10

-5

0

5

10

15

20

25

156

Uma das lamelas (fatias) utilizadas pelo método de Janbu, o qual gerou o

menor fator de segurança, é ilustrado pela Figura 119.

Figura 119 – Exemplo de uma das lamelas com os vetores utilizados para o cálculo computacional pelo método Janbu.


5.2 Seção 84+15 m

5.2.1 Análise de Percolação

Os resultados da percolação pela Seção 84+15 m são apresentados a

seguir, considerando inicialmente a percolação somente pelo maciço de terra

da barragem (Figura 120), e posteriormente considerando a percolação

também pelo maciço de fundação (Figura 121). As Figuras 120 e 121, retiradas

do software GeoStudio, estão com as escalas horizontal e vertical diferentes

das originais, para facilitar sua impressão. .

157

Figura 120 – Resultado da simulação computacional considerando a percolação somente pelo maciço de terra a montante da seção 84+15 m.


Figura 121 – Resultado da simulação computacional considerando a percolação pelo maciço de montante e de fundação da seção 62+04 m.


Pelas simulações anteriores, foi percebido que, assim como na seção

62+04 m, toda água que percolou no maciço foi atraída pelo filtro vertical e em

seguida pelo horizontal (Figura 120), assim como a água que percolou pelo

solo de fundação foi toda conduzida pelo filtro horizontal (Figura 121).

Nas duas simulações anteriores, o maciço situado à jusante da seção

analisada permaneceu acima da linha freática (linha em azul nas ilustrações

anteriores), ou seja, os piezômetros situados no maciço de jusante (PZ-616,

PZ-620 e PZ-621) e o medidor de nível d’água (NA-603) não deveriam possuir

leituras, entretanto há um histórico de leituras desses aparelhos, como ilustrado

pelas Figuras 122 a 125. .

PZ - 617

NA - 603

PZ - 616

PZ - 615 PZ - 614

PZ - 620 PZ - 621

PZ - 622PZ - 618

PZ - 617

NA - 603

PZ - 616

PZ - 615 PZ - 614

PZ - 620 PZ - 621

PZ - 622PZ - 618

158

Figura 122 – Variação temporal das leituras do medidor de nível d’água 603 no maciço de jusante da seção 84+15 m.

Fonte: CESP (2014).


Fonte: CESP (2014).

261

263

265

267

269

271

273

275


Período (anos)

Nív

el D

'águ

a (

m)

NA-603


JUP - UHE Eng. Souza Dias (Jupiá)Medidores de Nível D'água - Seção 84+15 m - Período: 01/01/2001 a 31/01/2014

262

264

266

268

270

272

274

276


Período (anos)

Cot

as

Pie

zom

étr

ica

s (m

)

PZ-616



159


Fonte: CESP (2014).


Fonte: CESP (2014).

O primeiro gráfico (NA-603) (Figura 122) apresentava pequenas variações

de leituras mensais, com exceção de algumas leituras discrepantes,

demostrando a pequena percolação de água no interior do maciço da

barragem, até janeiro de 1998, desde então o aparelho se encontra obstruído,

sem possuir leituras.

264

266

268

270

272

274

276

278


Período (anos)

Cot

as

Pie

zom

étr

ica

s (m

)

PZ-620


JUP - UHE Eng. Souza Dias (Jupiá)Piezômetros - Seção 84+15 - Período: 01/01/2001 a 31/01/2014

262

264

266

268

270

272

274

276


Período (anos)

Cot

as

Pie

zom

étr

ica

s (m

)

PZ-621



160

A análise das leituras do piezômetro 616 (Figura 123) demostra que há

pouca variação das mesmas, com valores próximos há vários anos, como

demonstrado pela Figura 126.

Figura 126 – Variação temporal das leituras do piezômetro 616 no maciço de jusante da seção 84+15 m em escala ampliada.

Fonte: CESP (2014).

Pode-se perceber que as leituras variam em torno de 0,5 m durante o ano,

com exceção de alguns pontos isolados, provavelmente por leituras erradas,

mostrando a pequena percolação de água no interior do maciço à jusante da

barragem.

Essa pequena variação pode ser relacionada à posição dos instrumentos,

situados no maciço de jusante, após o filtro vertical, com isso sofrem menor

influência a variação do nível d’água a montante, demonstrando a atuação do

filtro.

O piezômetro 620 (Figura 124) apresentou poucas leituras no período

analisado, mas que se mostravam coerentes até meados de 2009, quando

passou a ter leituras próximas, mas muito discrepantes dos anos anteriores.

Assim como o piezômetro 621 (Figura 125), que também apresentou poucas

leituras, mas se mostraram muito incoerentes com as anteriores. Seria

268

268,5

269

269,5

270

270,5

271

271,5


Período (anos)

Cot

as

Pie

zom

étr

ica

s (m

)

PZ-616



161

interessante que ambos passassem por um teste de tempo de resposta e se

necessário calibrá-los.

A seguir são mostrados os gráficos de piezometria dos instrumentos

instalados no maciço de fundação a montante (PZ-617) (Figura 127) e no

maciço de fundação à jusante (PZ-615, PZ-614, PZ-622 e PZ-618) (Figuras

128, 129, 130 e 131) da seção analisada.

Figura 127 – Variação temporal das leituras do piezômetro 617 no maciço de montante na fundação da seção 84+15 m.

Fonte: CESP (2014).

Figura 128 – Variação temporal das leituras do piezômetro 615 no maciço de jusante na fundação da seção 84+15 m.

Fonte: CESP (2014).

264

266

268

270

272

274

276

278


Período (anos)

Cot

as

Pie

zom

étr

ica

s (m

)

PZ-617 [274,00]


JUP - UHE Eng. Souza Dias (Jupiá)Piezômetros - Seção 84+15 m - Período: 01/01/2001 a 31/01/2014 [Limite de Projeto (m)]

262

264

266

268

270

272

274

276


Período (anos)

Cot

as

Pie

zom

étr

ica

s (m

)

PZ-615 [272,40]



162


Fonte: CESP (2014).


Fonte: CESP (2014).

260

262

264

266

268

270

272

274


Período (anos)

Cot

as

Pie

zom

étr

ica

s (m

)

PZ-614 [271,40]



255

257

259

261

263

265

267

269


Período (anos)

Cot

as

Pie

zom

étr

ica

s (m

)

PZ-622



163


Fonte: CESP (2014).

Figura 132 – Variação temporal das leituras do piezômetro 614 no maciço de jusante na fundação da seção 84+15 m em escala ampliada.

Fonte: CESP (2014).

Analisando os gráficos anteriores foi possível perceber que as leituras dos

aparelhos instalados na fundação sofreram poucas variações, como mostrado

pela Figura 132, onde as leituras variaram em torno de 0,5 m, com alguns

pontos discrepantes, provavelmente por leituras errôneas, de modo parecido

com os aparelhos instalados acima da fundação.·

257

259

261

263

265

267

269

271

jan-04 jan-05 jan-06 jan-07 jan-08 jan-09 jan-10 jan-11 jan-12 jan-13 jan-14

Período (anos)

Cot

as

Pie

zom

étr

ica

s (m

)

PZ-618 [270,00]



267

267,3

267,6

267,9

268,2

268,5


Período (anos)

Cot

as

Pie

zom

étr

ica

s (m

)

PZ-614 [271,40]



164

Foi possível perceber, também, que a carga piezométrica dos aparelhos da

fundação apresentaram valores próximos, o que mostra, mais uma vez, a

pequena permeabilidade do maciço e atuação dos filtros.

A Tabela 17 mostra as leituras dos piezômetros pela simulação

computacional e pela média das leituras no período, registradas no SICESP.

Tabela 17 – Simulação da carga piezométrica e valores reais da seção em análise.

PZ

Carga Piezométrica

SEEP/W (m)

Carga Piezométrica

Real (m)

617 8,88 9,08

616 * 1,07

615 6,97 8,84

614 5,61 7,27

620 * 0,61

622 4,07 1,57

618 4,07 3,12

621 * 0,56

(*) Não possuem carga piezométrica


Pelos resultados da Tabela 17, pode-se perceber que a carga piezométrica

tende a diminuir de montante para jusante, tanto em simulação, onde a carga é

totalmente aliviada, quanto na média dos valores reais, onde a carga é aliviada

de 9,08 m no piezômetro no maciço de fundação a montante, para 0,56 m no

maciço de fundação a jusante. Destaca-se a proximidade dos valores

simulados com os reais, principalmente nos PZ’s 620 e 621, os quais, segundo

a simulação, não deveriam possuir carga e na realidade possuem uma carga

muito baixa, próxima de zero. O alívio da poropressão é ilustrado pelas Figuras

133 e 134, bem como da carga total pelas Figuras 135 e 136.

165

Figura 133 –. Variação da poropressão no maciço de terra da seção em análise.


Figura 134 –. Variação dos valores de poropressão no maciço de terra da seção em análise.




PZ - 617

NA - 603

PZ - 616

PZ - 615 PZ - 614

PZ - 620 PZ - 621

PZ - 622PZ - 618

PZ - 617

NA - 603

PZ - 616

PZ - 615 PZ - 614

PZ - 620 PZ - 621

PZ - 622PZ - 618

0 20 40 60 80

100 120

140 160 180

PZ - 617

NA - 603

PZ - 616

PZ - 615 PZ - 614

PZ - 620 PZ - 621

PZ - 622PZ - 618

166

Figura 136 –. Variação dos valores de carga total no maciço de terra da seção em análise.


Foi percebido pela análise da Figura 134, que a poropressão é aliviada à

medida que se aproxima da crista e se afasta da montante, assim como a

Figura 136 ilustra o alívio de carga total de montante para jusante, tal como

demonstrado pelos valores de piezometria da Tabela 17.

De posse das cargas piezométricas e da posição dos instrumentos, foi

possível calcular e comparar os valores de gradiente hidráulico obtidos em

simulação computacional com os reais. Os resultados obtidos pela simulação

no SEEP/W e os valores reais, são demonstrados pela Tabela18.

Tabela 18 – Valores de gradientes hidráulicos simulados e reais da seção em análise.

PZ

Gradiente Hidráulico

SEEP/W

Gradiente Hidráulico

Real

617 0,180 *

616 0,002 0,556

615 0,156 0,017

614 0,125 0,071

620 0,003 0,300

622 0,003 0,203

618 0,118 0,161

621 0,118 0,230

(*) Valor utilizado como referencial para o cálculo dos demais.


PZ - 617

NA - 603

PZ - 616

PZ - 615 PZ - 614

PZ - 620 PZ - 621

PZ - 622PZ - 618

0 2

4 6

8

10

12

14

0 sec

167

Percebe-se, pela simulação, que o gradiente hidráulico simulado tende a

diminuir à medida que se afasta da montante, diferentemente do gradiente real

que variou consideravelmente em direção à jusante. Destaca-se que os valores

reais distanciaram significativamente dos simulados, como por exemplo, o

gradiente real do PZ-616 foi em torno de 280 vezes a mais que o simulado,

bem como o PZ-615 possui gradiente simulado em torno de 9 vezes maior que

o real, e tais discrepâncias se repetem nos demais piezômetros. Tal fato pode

estar associado a grande variação de carga piezométrica, pois a carga dos

piezômetros, principalmente após o filtro, é próxima de zero, como o

piezômetro adotado como referencial possui carga relativamente alta em

comparação aos demais, a variação piezométrica torna-se alta, elevando,

assim, o gradiente hidráulico e demonstrando uma maior percolação no maciço

de terra da barragem.

Mesmo com o aumento dos valores, estes se mostram seguros, como

mencionado anteriormente na análise da seção 62+04 m, abaixo de 1,0, valor

crítico recomendado por Silveira e Cruz. Entretanto deve-se manter uma rotina

de inspeções e verificações dos valores de gradiente, lembrando que já houve

surgências à jusante da barragem de terra na UHE Jupiá, de tal modo que não

volte a ocorrer, o que poderia levar a consequências piores como erosões

internas.

No anexo C se encontra uma ilustração da variação dos gradientes das

estacas 33+00 m a 75+00 m, da margem esquerda, fornecida pela CESP.

168

5.2.2 Análise de Estabilidade de Taludes


m, considerando os mesmos critérios de análise adotados na seção anterior.

Iniciando pelo método de Morgenstern-Price, os resultados são

demonstrados pelas Figuras 137 e 138.

Figura 137 – Visão geral da seção com o resultado de estabilidade de taludes por Morgenstern-Price.


Figura 138 – Detalhe da cunha de deslizamento da seção em análise pelo método de Morgenstern-Price.


1,559

Distância

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Ele

vaçã

o

-4

1

6

11

16

21

169

Pela análise dos resultados anteriores, o método de Morgenstern-Price

demonstrou um Fator de Segurança de 1,559, menor que o resultado obtido

pelo mesmo método na seção 62+04, entretanto o talude se mostra seguro.

Os próximos resultados referem-se ao método Spencer (Figuras 139 e 140).

Figura 139 – Visão geral da seção com o resultado de estabilidade de taludes por Spencer.


Figura 140 – Detalhe da cunha de deslizamento da seção em análise pelo método de Spencer.


Pelo método de Spencer, o valor obtido (1,558) se mostra muito próximo ao

do simulado pelo método Morgenstern-Price (1,559), ambos colocam o talude

em análise em um nível seguro.

1,558

Distância

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Ele

vaçã

o

-4

1

6

11

16

21

170

A análise a seguir mostra os resultados obtidos pelo método Bishop


Figura 141 – Visão geral da seção com o resultado de estabilidade de taludes por Bishop.


Figura 142 – Detalhe da cunha de deslizamento da seção em análise pelo método de Bishop.


O método de Bishop apresentou o maior Fator de Segurança (1,56) dentro

os analisados, no entanto, pouco diferiu dos analisados anteriormente (1,559 e

1,558). As três simulações apresentaram praticamente o mesmo valor e este

se mostrou suficiente para seção em análise.

O método de Janbu apresentou os resultados ilustrados a seguir (Figuras

143 e 144).

1,560

Distância

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Ele

vaçã

o

-4

1

6

11

16

21

171

Figura 143 – Visão geral da seção com o resultado de estabilidade de taludes por Janbu.


Figura 144 – Detalhe da cunha de deslizamento da seção em análise pelo método de Janbu.


O método de Janbu, assim como na seção anterior, apresentou um valor

muito abaixo dos demais.

Como mostrado pela Tabela 16, o maior valor exigido como fator de

segurança é 1,5, sendo que, por 3 métodos tal valor foi ultrapassado, com

exceção do último (Janbu) onde o valor obtido de 1,465 ficou aquém da

exigência, não cumprindo o Fator de Segurança de Percolação Estável. No

entanto não se pode afirmar que o talude corre risco, devido à estabilidade

demostrada ao longo de 40 anos e confirmada pelas análises de três diferentes

métodos. Entretanto uma rotina de observações e manutenções se mostra

interessante devido à própria idade e o desgaste intrínseco a ela, além da

própria simulação computacional, pois esta não considerou o desgaste natural,

1,465

Distância

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Ele

vaçã

o

-4

1

6

11

16

21

172

supôs um talude recém-inaugurado, tais fatores levam a ficar atento quanto às

condições reais da seção.

Uma das lamelas (fatias) utilizadas pelo método de Janbu, o qual gerou o

menor fator de segurança, é ilustrado pela Figura 145.

Figura 145 – Exemplo de uma das lamelas com os vetores utilizados para o cálculo computacional pelo método Janbu.


6 CONCLUSÕES

Da análise dos gráficos de piezometria notou-se a proximidade dos valores

de carga piezométrica, com pequenas variações ao longo do tempo,

demonstrando a pequena permeabilidade no maciço da barragem.

Os resultados obtidos por meio de simulação do software SEEP/W diferiram

dos reais, com proximidade dos mesmos quando situados no maciço de

fundação, em ambas as seções. Pode-se concluir que a simulação

computacional interpreta que após o filtro chaminé não há percolação de água,

e quando essa ocorre pela fundação é canalizada pelo tapete drenante, ou

seja, não existiria água no maciço a jusante da barragem, entretanto os

gráficos de piezometria mostraram o contrário. Tal fato mostra a importância do

projeto e execução dos filtros e tapetes drenantes em barragens de terra e

173

enrocamento, com diferentes granulometrias e espessuras, visando diminuir a

permeabilidade e drenar a água que penetra no maciço e na fundação da

barragem, para que desse modo não ocorram elevados gradientes hidráulicos,

que poderiam colocar em risco a estrutura da barragem.

Os gradientes hidráulicos mostram-se baixos, tanto na simulação, quanto

na realidade, mostrando que, mesmo onde não deveria haver percolação de

água segundo a simulação, quando essa ocorre em baixos gradientes, o risco

de surgências e/ou erosões internas (piping) são muito baixas, mantendo a

barragem em níveis seguros.

Deve-se também levar em conta o fato de que a UHE Engenheiro Souza

Dias foi inaugurada no final da década de 1960, época em que o conhecimento

geológico/geotécnico e as técnicas utilizadas eram limitados em relação às

técnicas atuais, reflete hoje em resultados diferentes dos simulados em

computador, além disso, o software utilizado é uma versão estudantil, que

limita as análises em 500 elementos finitos e somente 3 materiais para simular

a percolação em uma barragem muito mais complexa do que a simulação pode

oferecer.

Os resultados obtidos por simulação do software SLOPE/W sobre a

estabilidade dos taludes das seções analisadas, mostraram-se satisfatórios,

principalmente da seção 62+04 m, onde o menor valor obtido de Fator de

Segurança passou em todos os quesitos. Já na estaca 84+15 m o menor Fator

de Segurança obtido ficou abaixo do maior exigido, no entanto não se pode

afirmar que o talude está em risco, pois se mostra confiável há 40 anos,

entretanto deve-se manter uma rotina de observações e de possíveis

manutenções na seção, devido à própria idade da barragem acompanhada de

seu desgaste natural.

Em particular, a seção 84+15 m demonstrou resultados de percolação e de

estabilidade de taludes satisfatórios, mas inferiores aos obtidos na seção

62+04 m, o que leva a ter maior atenção às suas condições de manutenção, de

modo que não coloquem em risco outras seções, que se apresentam em

melhores condições.

174

O uso de instrumentos se mostra fundamental para acompanhar as

condições da barragem, não somente para mostrar aos visitantes ou

responsáveis da Agência Nacional de Águas (ANA) ou Agência Nacional de

Energia Elétrica (ANEEL), mas sim para fornecer os dados, sem os quais não

se teria condição alguma de monitorar e corrigir possíveis falhas na barragem.

Voltando à citação de Mr Stanley Wilson nas conclusões desse

trabalho, destaca-se que ele mencionou em curso realizado em Ilha

Solteira, em 1975, o caso de uma barragem de terra na Califórnia que

havia rompido, aparentemente, sem aviso prévio. Quando, então,

alguém se lembrou de que a mesma estava instrumentada e quando

analisaram os dados mais recentes, constataram que havia sinais de

uma anomalia no comportamento da barragem. Mas, então, já era

tarde (SILVEIRA, 2013, p.11).

175

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178

ANEXO A

179

Figura 146 – Seção 62+04 m com o posicionamento dos instrumentos

Fonte: CESP (2010).

180

ANEXO B

181

Figura 147 – Seção 84+15 m com o posicionamento dos instrumentos

Fonte: CESP (2010).

182

ANEXO C

183

Figura 148 – Níveis piezométricos da margem esquerda estacas 36 a 75

Fonte: CESP (2010).

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