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BARRAGENS um dos campo de maior aplicação da Geologia de Engenharia no Brasil, sendo responsável pela criação e desenvolvimento de fundamentos, métodos e técnicas específicas. Estatísticamente, 1% das barragens sofreu ruptura total e 2% tiveram acidentes sérios, dos quais 40% foram causados por fatores geológicos. 10% das barragens apresentaram “surpresas geológicas”. As barragens são classificadas em: a) Barragens de concreto: barragens de concreto-gravidade; barragens de gravidade aliviada e de contrafortes e barragens em arco. b) Barragens de aterro – barragens de terra e barragens de enrocamento. Fatores Geológicos na Construção de Barragens - FATORES GEOLÓGICOS CONDICIONANTES 2.1 – Cobertura de solos e rocha decomposta 2.2 – Maciço Rochoso 2.3 – Feições Estruturais Fatores Geológicos Cobertura de solo e rocha alterada constitui um fator importante para a definição do tipo de barragem Transição solo-rocha Características geotécnicas dos solos e rochas Permeabilidade Estruturas Condicionantes Geológicas Cobertura de solo e rocha decomposta: Fator importante para a definição do tipo de barragem que deve ser construída Outros fatores: transição solo-rocha, origem do solo, características geotécnicas, permeabilidade, etc. Paleocanais aluvionares Barragens de concreto devem ser apoiadas em fundações em rocha A cobertura de solo e rocha alterada deve ser removida Nas ombreiras de uma barragem de concreto ou enrocamento o solo e rocha decomposta também deve ser removida Execução de ensaios in-situe de laboratório para determinação da resistência mecânica para fundações e permeabilidade Condicionantes Geológicas Maciço rochoso Barragens construídas sobre fundações em rochas são mais estáveis e com vantagens construtivas grandes Estruturas mais esbeltas Principal problema de barragens sobre rocha é a geologia estrutural (falhas e fraturas) e cavidades em rochas calcáreas Campo de tensões é extremamente importante Parâmetros geomecânicos como resistência à compressão do maciço, deformação do maciço rochoso, resistência ao cisalhamento, permeabilidade, etc. Condicionantes Geológicas Condicionantes Geológicas As características de um maciço rochoso dependem muito das suas características estruturais (juntas, fraturas e falhas): Estratificação, xistosidade, diaclases, falhas, fraturas, juntas e contatos Essas estruturas podem ser tratadas com contenções como concreto projetado, tirantes ou chumbadores Quando existe a percolação de água, faz-se necessário a injeção de calda de cimento ou resina Falhas e fraturas são tratadas individualmente pelo seu porte e extensão Podem formar blocos individualizados de rochas que sofrem deslocamentos quando aplicada uma carga Condicionantes Geológicas Fraturas e juntas de descompressão ou alívio são zonas formadas durante a erosão de um vale, como decorrência da redução de esforços verticais e da modificação do campo de tensões São fraturas abertas e com graus de intemperismo alto Fraturas sub-horizontais, principalmente em basaltos, devem ser estudas em sua extensão e abertura Maciços metamórficos e sedimentares com estratificação e camadas intercaladas, mais e menos resistentes e dobradas, podem causar cisalhamento. Depende muito da orientação das camadas. Contatos em rochas com comportamentos geomecânicos diferentes constituem planos de fraqueza e percolação de água Barragens de Concreto-Gravidade: estabilidade assegurada pelo peso elevado e bases largas, adequados à resistência da fundação Problemas: Deslizamentos e tombamentos devido à presença de camadas de baixa resistência ao cisalhamento próximas ao contato concreto-rocha; defeitos sub-verticais que criam zonas de permeabilidade; recalque diferencial. Barragem de St. Francis, CA (1928) Pc = peso do concreto ; Hm = pressões de água no paramento de montante; Hj = pressões de água no paramento de jusante.; Paj = peso da água sobre o paramento de jusante; U = subpressão. http://web.umr.edu/~rogersda/dams/046.jpg Barragens de Gravidade Aliviada e de Contra-Forte: . estabilidade assegurada pela área da base (bem menor que a de concreto-gravidade,) que reduz a sub-pressão; Maiores esforços de compressão, que dependendo da altura e geometria, podem chegar a valores bastante altos; Economia de material e exigência de melhores fundações; Problema: deslizamentos devidos à Recalque diferencial; camadas de baixa resistência ao cisalhamento. Barragem de contrafortes tipo massive head - principal de Itaipu http://pt.wikipedia.org/wiki/Imagem:Itaipu-barragem.jpg Barragens em Arco: A estabilidade é garantida pela forma curva da barragem que faz com que as pressões da água sejam transferidas para as ombreiras. Instaladas em vales estritos e regulares Exigência de escavações mais profundas nas ombreiras e no leito. Ex.: Barragem de Morrow Point, EUA, com 143m de altura, largura da base de 18m e crista de 3,66m •Esforços atuantes: Os esforços de compressão tendem a ser mais elevados do que nos outros tipos de barragens. •Mecanismo de ruptura: Deslizamento •Defeitos geológicos prejudiciais: Defeitos suborizontais, subverticais e inclinados podem associar-se para compor cunhas instáveis. •Exigências: Barragens de Terra: Taludes pouco inclinados e bases alargadas; Compactação de solo em camadas delgadas de baixa permeabilidade; Comportamento determinado pelas poro- pressões no interior; Poucos esforços transmitidos à fundação, que podem ser em solo ou rocha; Problemas: galgamento, deslizamento, fissuramento e pipping. São construídas com solos de granulometria fina a grossa, permeabilidade baixa, cujo comportamento é condicionado pelas poropressões. •Homogêneas Zoneadas •Esforços transmitidos às fundações são baixos, de modo que elas podem ser construídas sobre fundações de solo. •Mecanismos de ruptura: Os mecanismos de ruptura mais comuns são: • Galgamento; • Deslizamento de taludes; • Erosão interna e • Fissuramento. •Defeitos geológicos prejudiciais: • Camada superficial de argila mole; • Horizonte de baixa resistência sob outro mais resistente; • Camada permeável sob outra impermeável e • Topo da rocha sob uma camada de solo. •Exigências: Barragens de Enrocamento Enrocamento é um aterro feito com fragmentos de rochas ou cascalho compactado em camadas com rolos pesados. Deve ser livremente drenante, não contendo fino disseminados na massa. As barragens de enrocamento mais comuns são 1) núcleo interno de argila e 2) com face de concreto Barragem de enrcamento com núcleo inclinado Barragem de enrocamento com face de concreto 1.5 – Barragens de Enrocamento: Aterro com fragmentos de rocha ou cascalho, compactados em camadas; Elevado ângulo de atrito menos deslizamentos; Fundações em zonas resistentes ou rocha pouco alterada (desde que a deformabilidade e a resistência ao cisalhamento sejam consistentes); Ex.: Furnas •Mecanismos de ruptura: •Defeitos geológicos prejudiciais: •Descontinuidades (planos menos permeáveis) e • Rochas muito fraturadas com vazios francamente abertos que carregam os finos para esses vazios. •Exigências: Devem ser construídas sobre fundações resistentes, mas também podem ser implantadas sobre rocha alteradas, saprolitos densos, aluviões compactos e outros materiais que tenham deformabilidade e resistência ao cisalhamento compatíveis com a deformabilidade e resistência dos materiais usados na barragem. 2 – Estruturas Auxiliares Obras de Desvio constam de condutos (canais, galerias de concreto, adufassob uma estrutura de concreto, túnies), por onde passam as águas dos rios durante a construção da barragem, complementados por ensecadeiras. Por serem obras provisórias, são construídas de forma mais econômica possível, assumindo-se riscos maiores. As ensecadeiras são projetadas para chuvas de 5 - 500 anos e os túneis, em geral não possuem revestimento. 2 – Estruturas Auxiliares Vertedouros são construídos de concreto de acordo com rigorosos critérios hidrológicos. Projetados para descarregar cheias de 10.000 anos. Nas barragens de concreto, é comum encontrá-lo sobre a estrutura principal, enquanto que em barragens de terra eles estão situados nas encostas. Podem ou não possuir estruturas de controle (comportas). 2 – Estruturas Auxiliares Estrutura de Adução Canal ou túnel que direciona a água para geração de energia propriamente dita. Tomada D’água construídas acima da casa de força. Condutos Forçados podem ser subterrâneos ou a céu aberto. Barragem de Vaiont Região do Rio Piave (Tyrolean Alps – NE Itália) Maior barragem de concreto em arco do mundo Região já havia sido foco de deslizamentos Histórico da Barragem: 1943 – SADE (Adriatic Society for Electricity) 1948 – projeto aprovado (ilegalmente) 1956 – camponeses desalojados + Carlo Dal Piaz Jan 1957 – início das obras de construção Abr 1957 – novo projeto / nova altura / 3x volume água Jun 1957 – comitê 1958 – fissuras e pequenos terremotos / Tina Merlin 1959 – conclusão das obras de construção / início enchimento da bacia de drenagem / deslizamentos 1960 – reservatório até 636m acima do nível do mar 04 de novembro de 1960 – deslizamento + morte 1962 – SADE permissão para aumentar nível do reservatório para 700m 08 de julho de 1962 – sinal de alerta 1963 – grandes chuvas / diminuição do nível d’água do reservatório 09 de outubro de 1962 – deslizamento Desastre Um bloco de 2km de comprimento, 1.5 km de largura e centenas de metros de espessura, V=250 milhões de m³, deslocou-se 500m a uma velocidade de 30m/s, criando uma onda de 100m e mobilizando 115 milhões de m³ de água, que deixaram 2600 mortos e alguns vilarejos destruídos, tais como Longarone, Pirago, Villanova, Rivalta e Fae. Área Atingida pelos Deslizamentos Causas do Deslizamento Fatores geológicos Inclinação (~28°) Planos de fraturamento mergulhavam na base do vale Rochas calcáreas com planos de fraturamento Água subterrânea saturando camada de argila entre as rochas Períodos de chuva Aumento da poropressão em toda a lateral da encosta Causas do Deslizamento Causas do Deslizamento Acontecimentos Fig. 1: Deslizamento de Vaiont. Fig. 2: Vista do vale Fig. 3: Vista de jusante Fig. 4: Vista de jusante Fig. 5: Vista de jusante Fig. 6: Vista de montante. Fig. 7: A barragem vista de Casso Fig. 8: Crista da barragem Fig. 9: Crista da barragem Fig. 10: Vista de Casso + deslizamento Fig. 11: Seção leste do deslizamento Fig. 12: Área do deslizamento e cicatriz Fig. 13: Cicatriz do deslizamento Fig. 14: Deslizamento Fig. 15: Cicatriz do deslizamento Causas Ruptura da Barragem Camará (PB) Dados da Obra Rio Riachão, afluente do Rio Maranguape, entre Alagoa Nova e Areia, a 162km de João Pessoa (PB). Geologia: migmatitos heterogêneos, com xistosidade perpendicular ao eixo do barramento, com mergulhos para a ombreira direita. Na ombreira esquerda, a xistosidade tem mergulho da ordem de 30º a 35º. O leito do rio, na área do vertedor, é cortado por “diques” de granito, de granulação fina a média. Dados da Obra Barragem de concreto compactado a rolo (CCR), embora, inicialmente, tinha sido previsto que fosse de terra, segundo o projeto básico, devido a execução de sondagens a percussão e rotativas. Fraturas de alívio (aproximadamente paralelas à superfície topográfica) controlam a permeabilidades na fundação, exigindo tratamento específicos, mas o local foi considerado apto, tanto para barragens de terra como para enrocamento ou mesmo de concreto compactado a rolo. Aspectos da Fundação Grande falha detectada por 3 sondagens rotativas extras na Ombreira Esquerda, poateriormente tratada com o preenchimento de solo com cerca de 30 cm de espessura Foram realizadas e acompanhadas 4 perfurações com perfuratriz (rock drill) no sentido da extensão lateral do preenchimento de solo da fratura e foram anotadas as profundidades máximas de 3m e mínima de 1,6m. Modelo Geológico Medidas de Tratamento da OE Algumas medidas foram sugeridas para o tratamento da ombreira esquerda, em função da presença da falha, como: Limpeza e proteção da superfície da OE com ênfase para os planos de xistosidade perpendiculares ao eixo da barragem com preenchimento de +/- 30cm. Proteção da zona de preenchimento da OE para posterior execução do plano de injeções adensado e com controle específico, através de muro de concreto. Medidas de Tratamento da OE Retirada do material de preenchimento e sua substituição por concreto. Sugere-se a retirada de seções de 3m de comprimento por desmonte hidráulico e preenchimento com concreto projetado em trechos sucessivos ou alternados. Proteção a montante da barragem na interseção da zona de preenchimento com apoio do maciço em CCR, através de solo ou concreto projetado. Medidas de Tratamento da OE Em resumo, entende-se que, com as perfurações realizadas, se tratava de uma fratura com preenchimento de solo, cuja profundidade máxima na ombreira seria de 3m. Dessa forma, acreditava-se que a remoção e substituição por concreto do solo da fratura, conforme recomendação acima, seria medida apropriada e suficiente. Entende-se que o muro de concreto proposto teria a função de evitar o deslizamento da placa de rocha situada acima do preenchimento da falha, para fins de segurança durante os serviços de tratamento da mesma. Orientação para injeções de cimento complementares ao tratamento da falha da OE, notando-se também o muro de proteção em concreto. Aspecto geral da Ombreira Esquerda durante a construção. Aspecto da falha aflorando nas escavações da OE. CAUSAS DA RUPTURA DA BARRAGEM DE CAMARÁ O histórico da barragem apresenta uma sucessão de julgamentos inadequados, que superpostos uns ao outros causaram a ruptura da barragem. É também aspecto incomum o solo de preenchimento da falha apresentar-se com alto teor de mica biotita, auferindo baixa resistência ao cisalhamento. Essa resistência teria sido ainda mais diminuída por pequenos deslocamentos (imperceptíveis a olho nu e na escala da obra) devidos ao alívio de tensões pelas escavações, aproximando-se ou atingindo valores de resistência residual. A ruptura da laje de rocha a jusante aumentou o gradiente hidráulico (pela diminuição da distância de percolação) intensificando a erosão interna que o solo de preenchimento da falha sob a barragem vinha sofrendo, acabando por remove-lo completamente. Nessas condições, o bloco de rocha superior à falha e que servia de fundação à barragem teria ficado suspenso, preso à base da barragem pela aderência entre concreto e a rocha. A livre passagem de água sob o bloco de rocha e a alta carga hidrostática atuante teria finalmente causado sua expulsão, causando a ruptura da fundação da barragem. A ruptura se deu pela fundação e não pelo corpo da barragem. A presença da galeria inclinada junto à base da barragem na ombreira esquerda, representando uma zona de fraqueza, propiciou que parte do concreto fosse junto ao bloco de rocha expulso. O arco de rocha que restou sobre a zona rompida permaneceu por 11 dias nessa situação, vindo então a romper, indicando boas características do concreto. A falha subvertical paralela ao rio existente noleito do mesmo junto à margem esquerda, não teve aparentemente nenhum papel condicionador na ruptura. É possível que a conjugação e intersecção dessa falha com a zona de cisalhamento tenha causado a surgência de água no pé da barragem junto ao muro esquerdo da bacia de dissipação. O restante da barragem aparentemente não sofreu nenhum dano, passível de verificação por inspeção detalhada. Acredita-se que a obra pode ser recuperada, principalmente porque a feição adversa representada pela falha da OE já foi removida na ruptura. Sua recuperação requer projeto detalhado. Aspectos de tratamento da falha da OE Aspecto de tratamento da falha da OE Após a Ruptura Face de montante da barragem, vendo a ruptura pela OE e a clara marca do NA da represa. Detalhe da OE rompida a montante da barragem. Após a Ruptura Vista da ruptura, de jusante, notando-se a extensa laje de rocha sã exposta. Aspecto da ruptura da fundação da barragem, vista de jusante. O arco formado após a ruptura, como na foto, desabou 11 dias após a ruptura da fundação Observações no Local Montagem fotográfica, mostrando o desmoronamento do arco de concreto, notando-se a boa continuidade das camadas de CCR. Observações no Local Montagem fotográfica com vista geral da ruptura da OE. Nota-se a laje de rocha sem fraturas, e a zona de cisalhamento preenchida na parte superior (indicada por flecha). Observações no Local Montagem fotográfica da superfície de ruptura da OE tomada de baixo para cima, notando-se a integridade da laje de rocha e a camada alterada, denominada “falha da OE”. Aproximadamente no local indicado pela flecha foram obtidas amostras de solo da falha. Observações no Local Na ocasião da visita solicitamos a coleta de solo do preenchimento da zona de cisalhamento As 2 amostras amolgadas (de aproximadamente 1kg cada uma) foram enviadas posteriormente, as quais foram encaminhadas para o Laboratório de Mecânica dos Solos da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, onde se realizaram ensaios de caracterização (granulometria com sedimentação e limites de Atterberg) e ensaios de cisalhamento direto com interface rígida, a fim de obter-se o ângulo de atrito residual Aspectos Geológicos Parte terminal da superfície de ruptura, onde podem ser observadas diversas feições geológicas estruturais. Aspectos Geológicos Pelas fotos acima, podemos observar o seguinte: A rocha é formada por migmatito com bandamento, alternando camadas claras (neossoma lecocrático, mais quarto feldspático e mais resistentes) com camadas escuras (paleossoma mesocrático, biotítico), orientadas na mesma direção do rio, aproximadamente. A xistosidade do migmatito tem a mesma orientação do bandamento, N40oE, com mergulho de cerca de 35o para SE, portanto inclinada em direção ao rio. Aspectos Geológicos A rocha exposta corresponde ao plano inferior da chamada “falha” da OE, que se constitui em zona de cisalhamento (ZC), preenchida com solo de alteração, de natureza arenosa fina micácea. A alternância de camadas claras e escuras e as condições do metamorfismo (dúctil/rúptil) provocaram “ondulações” perpendiculares ao bandamento, com inclinações importantes, indicando que a zona de cisalhamento possui ondulações na forma de “amêndoas”, portanto não tendo suas paredes perfeitamente paralelas, mas com ondulações no sentido perpendicular ao rio. Aspectos Geológicos Existem fraturas de “alívio de tensões” ou de “alívio de carga”, aproximadamente paralelas à superfície topográfica original, abertas, e preenchidas em diferentes graus por produtos de alteração. Na margem esquerda do rio ocorrem outros tipos de rocha (xisto, granito), com orientações diferentes da rocha da ombreira esquerda, indicando a existência de falha paralela ao rio e intrusão posterior. A ombreira direita apresenta a mesma rocha da ombreira esquerda, porém com xistosidade com maior mergulho, em conseqüência da falha existente no rio. Aspectos Geológicos Representação esquemática do modelo geológico do local da barragem. Conclusões A razão de tal ruptura reside no fato de que com o alteamento do NA do reservatório, estabeleceu-se um regime de percolação de água ao longo da zona de cisalhamento, de montante para jusante, com gradativa perda de carga. Nota-se que a laje de rocha remanescente é praticamente isenta de fraturas. O mesmo deve ocorrer com a laje superior deslocada com a ruptura, pois os blocos de rocha no leito do rio correspondem à laje superior deslocada, não apresentando fraturas naturais, mas sim fraturas frescas de rocha sã, que se formaram no momento da ruptura. Portanto, a percolação ocorreu ao longo de toda a extensão da fratura. Conclusões Trata-se de situação de exceção, causada pelas peculiares condições geológicas do local. Em geral, e como norma, os cálculos de estabilidade de fundação de barragem de gravidade adotam a premissa da existência de fendas verticais junto à face de montante e junto ao pé de jusante. No presente caso, a fenda a jusante ocorre a grande distância do pé da barragem propiciando a atuação de maior subpressão na base da laje de rocha. Adicionalmente, nas escavações certamente ocorreu alívio de tensões, que teria provocado ligeiro deslocamento da falha, suficiente para reduzir grandemente a resistência ao cisalhamento do material. Conclusões Pode-se concluir pela análise que a elevada subpressão (resultante das pressões hidrostáticas atuantes sob a laje) e o baixo ângulo de atrito disponível na falha, causaram condições de instabilidade, comprovando que a ruptura iniciou-se na laje a jusante da barragem, provocando o seu deslocamento e fraturamento em grandes blocos. O processo de erosão interna já instalado no preenchimento da falha sob a barragem desenvolveu-se com maior intensidade, pois o gradiente hidráulico aumentou muito, causando a erosão completa do preenchimento. Isto deu passe livre à água do reservatório pela fratura lavada. Nessa situação, acredita-se que o bloco de rocha da parte superior da fratura ainda estava ligado à base da barragem, pela aderência entre o concreto e a superfície da rocha, estando suspenso, pois sua base havia sido erodida. Com a livre passagem de água induzindo tensões cisalhantes na base do bloco e a alta carga hidráulica atuante, o bloco de rocha ligado à barragem não resistiu às forças atuantes, e rompeu. Conclusões A laje de rocha remanescente na ombreira esquerda a jusante da barragem, apresenta-se sem fraturas em larga extensão, fato incomum em tal rocha metamórfica com vários eventos tectônicos. Esse fato, aparentemente favorável geologicamente, contribuiu para a ruptura da barragem. É também aspecto incomum o solo de preenchimento da falha apresentar-se com alto teor de mica biotita, auferindo baixa resistência ao cisalhamento. Essa resistência teria sido ainda mais diminuída por pequenos deslocamentos (imperceptíveis a olho nu e na escala da obra) devidos ao alívio de tensões pelas escavações, aproximando-se ou atingindo valores de resistência residual. Conclusões A falha subvertical paralela ao rio existente no leito do mesmo junto à margem esquerda, não teve aparentemente nenhum papel condicionador na ruptura. É possível que a conjugação e intersecção dessa falha com a zona de cisalhamento (falha da OE) tenha causado a surgência de água no pé da barragem junto ao muro esquerdo da bacia de dissipação. Houve julgamento inadequado na interpretação geológica da extensão da falha. Pelas investigações por furos de roto-percussão se concluiu que o “bolsão” de solo se estendiaapenas cerca de 3m para o interior do maciço. O julgamento inadequado pode ser explicado no aspecto que agora se conhece, pela exposição ampla da superfície de ruptura, de que a mesma apresenta ondulações (“amêndoas”), fazendo com que o preenchimento apresente grande variação na sua espessura, inclusive com espessura não detectável por algumas das perfurações feitas. Isso levou a crer que haviam removido todo o solo de preenchimento e que a fratura não se estendia mais para o interior do maciço. Foram realizados tratamentos consistindo de remoção do solo, substituição por concreto, injeções de contacto com caldas de cimento, e construção de muro de gravidade. June 29, 2006 (ENS) - The recently completed Campos Novos Dam in southern Brazil failed last week, releasing all the water impounded behind the 626-foot (202-meter) tall structure. Aerial photographs show major cracks at the base of the dam, suggesting irreparable damage. The US$671 million Campos Novos Dam is located on the Canoas River. It is the power behind a 880 megawatt hydroelectric generating station. Campos Novos is the world's third tallest dam built with a concrete face filled in with rock. The dam was built by a consortium led by Camargo Correa and engineering consultants Engevix. Campos Novos' 35 year build and operate concession was awarded in 1998. Almost as soon as the reservoir started filling up with water in October, it slowly began leaking. Engineers blamed a faulty diversion tunnel. The reservoir suddenly emptied, falling over 160 feet (53 meters) in a few days. That water raced down the parched riverbed and into the reservoir of a dam downstream that was almost empty due to a severe regional drought. Tthe dam itself was not threatened because the reservoir draining occurred through a diversion tunnel which "is an isolated structure" from the dam. But aerial photographs taken on June 24 suggest that the tunnel failure has seriously undermined the dam's structural integrity. Cracks show clearly in the wall of the Campos Novos Dam after it released all the water in its reservoir last week. (Photo courtesy Friends of the Earth) http://www.foe.org/ Fracture lines are evident in the concrete face of the Campos Novos dam. (Photo courtesy Friends of the Earth) barragem de enrocamento com paramento de concreto (a barragem de Campos Novos é uma das maiores do mundo desse tipo)
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