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Instrumentação e monitoramento de obras de terra

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INSTRUMENTAÇÃO E MONITORAMENTO DE OBRAS DE TERRA.
Ana Karoline Meneguetti
Giovanni Oliveira Rossato
Kéthlen Taynara B. Feitosa
Pollyanna Thayla de Sene dos Santos
RESUMO
De modo a se garantir a segurança de obras de grande porte, como barragens e aterros, tem-se buscado a implementação de critérios específicos para o projeto, construção, observação, inspeção e acompanhamento da operação destas. Para isso, são aplicados instrumentação e monitoramentos nestas obras, a fim de se localizar e monitorar os fenômenos relevantes ao comportamento destas obras, auxiliando na redução dos riscos de acidentes ocasionados, monitorando ainda anormalidades existentes. O monitoramento pode proporcionar observações de alta precisão com integração das observações obtidas através de diferentes equipamentos, podendo este ser do tipo geodésico, não geodésico, monitoramento superficial, de sub-superfície, de poro-pressão ou nível d’água. Logo, estes critérios implementados podem garantir a segurança e defesa de obras de grande porte, bem como facilitar a manutenção da infraestrutura. 
PALAVRAS-CHAVE: Barragem. Instrumentação. Geodésico. Monitoramento Geotécnico.
INSTRUMENTATION AND MONITORING OF CONSTRUCTION OF EARTH.
ABSTRACT
In order to ensure the safety of large works, such as dams and embankments, have sought the implementation of specific criteria for the design, construction, observation, inspection and monitoring of the operation of these. For this reason, instrumentation and monitoring are applied in these works, in order to locate and monitor the behavior of these works relevant phenomena, helping to reduce the risk of accidents caused, still monitoring existing abnormalities. The monitoring can provide highly accurate observations with observations obtained through integration of different equipment, which may be the geodesic type, not geodetic, surface monitoring of sub-surface pore-pressure or water level. Soon, these criteria implemented can ensure the security and defense of major works, as well as facilitate the maintenance of infrastructure.
KEY-WORDS: Dam. Instrumentation. Geodesic. Geotechnical monitoring.
INTRODUÇÃO
Uma barragem, açude ou represa consiste numa barreira artificial, efetuada em cursos de água para a retenção de grandes quantidades de água. Sua finalidade é abastecer de água zonas residenciais, agrícolas, industriais e de produção de energia eléctrica (energia hidráulica).
Por sua vez, o monitoramento e inspeção destas grandes construções (barragens) são necessários para segurança e defesa da mesma, facilidade da manutenção da infraestrutura, e até mesmo para a proteção e segurança da população. 
Os aterros podem ser definidos como um depósito de materiais (terra, entulho ou outros) em terrenos que apresentem depressões, crateras ou simplesmente áreas com nível abaixo do indicado no projeto de terraplenagem, a fim de torná-lo mais alto, ou simplesmente plano. Deste modo, a terra utilizada pode ser originária da escavação de pontos, onde o nível de terra está mais elevado que o nível do projeto, ou o fornecimento de terra proveniente de outros terrenos. 
Com isso, a terra aplicada como aterro necessita ser compactada, caso contrário, ela sofrerá um adensamento lento ao longo do tempo, podendo vir a recalcar tudo que estiver acima deste aterro. Sendo assim, quanto menor for a quantidade de vazios no aterro, menores serão os problemas futuros de recalque. Logo, os instrumentos de compactação são essenciais para que a terra não venha a sofrer um recalque de grande escala. 
Para a compactação de pequenas áreas ou áreas apertadas, pode-se utilizar um compactador manual, já no caso de grandes áreas, deve-se utilizar um compactador de rolo do tipo pé de carneiro. No entanto, não existe a possibilidade de compactar camadas muito grossas de aterro, uma vez que a influência da compactação não consegue atingir áreas mais profundas. 
A área de influência do rolo compactador, mesmo que muito pesado, é limitada, não possuindo uma dimensão tão maior 15 cm. Portanto, se for lançada uma camada de terra fofa com 30 centímetros de espessura, a metade de baixo não vai ser compactada, pois o rolo do tipo pé de carneiro vai enfiando os tocos para dentro da argila fofa, compactando de baixo para cima.
Existem ainda pás carregadeiras, retro escavadeiras, caminhões, niveladoras, rolos compressores, que também são de suma importância para a execução do aterro.
O monitoramento desse tipo de serviço é realizado pelo Engenheiro responsável ou pelo encarregado, havendo sempre em acompanhamento da terra, se está sendo corretamente compactada e, se o nível de terra está de acordo com o especificado no projeto.
 
DESENVOLVIMENTO
1.0 INSTRUMENTAÇÃO E MONITORAMENTO DE BARRAGENS
	Quando se tem obras de grande porte como tuneis e barragens que oferecem perdas de materiais, alto custo, e principalmente risco a vida humana, é necessário fazer o acompanhamento da mesma, durante a após a conclusão, para isso são montados instrumentos apropriados para observações das informações relevantes ao seu comportamento.
A instrumentação de uma barragem é de grande importância, pois reduz os riscos de acidentes causados, localiza e monitora os fenômenos que não estão dentro da normalidade em progressão, quanto em elação a instrumentos que não estão apresentando bom funcionamento, acompanha toda vida útil da barragem como o sistema operacional, zonas sensíveis, iluminação em zonas críticas, fissuração, perturbação, entre outros, garantindo qualidade e economia durante execução e operação da barragem.
	Segundo a Eletrobrás as obras que possuem altura maior que 15 m, ou quando o projetista julga necessário, deve ser previsto um sistema de instrumentação e monitoramento das fases de construção, enchimento do reservatório e de operação. Na fase de construção a instrumentação deve alertar sobre anormalidades no comportamento da barragem, de outras estruturas, ou mesmo de condições que possam favorecer este processo, deve também mostrar informações sobre os parâmetros específicos dos materiais, estrutura, e fundação das barragens. Além disso, necessita de revisões de projeto durante a construção.
	A fase do enchimento preliminar do reservatório constitui-se por advertir sobre ocorrências de anomalias que possam gerar risco a segurança da estrutura do barramento, no mais, deve possibilitar a avaliação de desempenho estrutural das obras de barramento, por meio de comparações entre grandezas no local e as consideradas em projeto, com o objetivo de adequar aos critérios do projeto.	
	Já a fase de operação verifica o desempenho como um todo da estrutura e da fundação, se estas são satisfatórias ao longo do tempo, como por exemplo, tensões internas, subpressão, deslocamentos, vazões entre outros aspectos conforme previsto em projeto. Após alguns dias de operação é necessário fazer a caracterização do comportamento da estrutura em função das cargas hidráulicas, condições ambientais, térmicas e o tempo.
	
Segundo Willian G.F. Machado os instrumentos colocados na barragem são avaliados em função da segurança no monitoramento da segurança estrutural, devendo possuir confiabilidade nas leituras emitidas. Essas informações devem possuir características, como; exatidão, sensibilidade, precisão, amplitude, resolução, linearidade e durabilidade.
	A instrumentação é dividida em duas categorias, instrumentos usados para determinar as propriedades do solo e rocha in situ, com o objetivo de medir a resistência, compressibilidade e permeabilidade, usadas na fase de projeto, e os outros instrumentos são usados na fase de construção ou operação, com a finalidade de medição de pressão de água subterrânea, tensão total, deformação e carregamento aplicado. O principal objetivo da instrumentação é a elaboração básica para instrumentação. 
	Além da instrumentação é de grande importância o monitoramento, este verifica alterações na forma, tamanho e posições, ou seja, escorregamentos de encosta nas margens da barragem; fugasde água do reservatório e assoreamentos junto às estruturas, proporcionando observações de alta precisão com integração das observações e obtidas por meio de diferentes equipamentos.
	Existem dois tipos de monitoramento os geodésicos e não geodésicos. Os monitoramentos geodésicos são executados a partir de nivelamento, poligonação, triangulação, fotogrametria, gravimetria, sensoriamento remoto entre outros. Proporcionando variação no tempo das deformações horizontais e verticais dos objetos externos a rede geodésica. Já o método não geodésico faz uso de instrumentos próprios para medidas de inclinação e alinhamento, possibilitando o monitoramento continuo da barragem.
	O monitoramento é dividido em quatro etapas, especificação, concepção, implementação e analise. A primeira requer conhecimentos primários sobre as grandezas dos movimentos e as condições para estabelecer os equipamentos a serem utilizados. A concepção visa a melhor configuração da rede de controle e dos pontos a serem monitorados. Já a terceira etapa, denominada implementação possui maior custo, pois, envolve técnicas de medição, implementação e localização dos equipamentos. A última fase calcula analisa estatisticamente as observações a fim de determinar reais variações reais nas coordenadas.
	Um exemplo de monitoramento aplicado no Brasil pode citar a Barragem da Usina Hidrelétrica de Salto Caxias no Rio de Janeiro com a finalidade de analisar a estrutura por meio de métodos geodésicos. Os pontos de monitoramento foram instalados pela COPEL – Companhia Paranaense de Energia Elétrica, esses pontos foram definidos de acordo com as fissuras que surgiram na montante e jusante da barragem, com o intuito de verificar se existe ou não movimentações significativas. 
	Segundo NEVES, Ricardo Vilar 2014, a rede externa de monitoramento é utilizada para avaliar a estabilidade da região onde está localizada a barragem e para o monitoramento das fissuras à jusante a partir do pilar P3. Como não é possível monitorar as fissuras a montante a partir dos pilares da rede de base à jusante, implantou-se um novo ponto junto a comporta 14 – C14 definindo uma rede complementar denominada de rede externa à montante. Para monitorar os pontos das fissuras localizados a montante, ocupa-se um vértice da rede externa à montante, localizado sobre a comporta C14, o qual tem suas coordenadas planimétricas diretamente ligadas ao referencial local adotado para a rede externa, conforme visto a Figura 01 a seguir:
Figura 01: Monitoramento das Fissuras.
Fonte: Neves (2014).
Nesta barragem foram realizadas quatro campanhas para o monitoramento das fissuras, com o objetivo de realizar analises ao longo de todo ano. Os resultados foram obtidos s por meio de técnicas geodésicas para a coleta, transferência e análise dos resultados, o monitoramento geodésico de estruturas que torna-se uma ferramenta importante para realizar a avaliação de comportamentos de estruturas civis. Foi constatado que a fissuração não possui danos significativos na geração de energia.
	Segundo o Manual de Segurança Inspeção de Barragens. Para se obter boas condições de segurança de barragem não é suficiente executar somente a instrumentação e monitoramento, esses devem ser feitos em conjunto com inspeções visuais periódicas que tem por objetivo alertar sobre deteriorações potenciais que possam vir a comprometer a segurança da estrutura, como por exemplo: a integridade da barragem, essa só pode ser detectada de forma visual por técnico qualificado. As inspeções são divididas em cinco tipos: rotineiras, periódicas, formais, especiais e de emergência.
	As inspeções rotineiras devem ser realizadas por equipes qualificadas em período curte de tempo, não excedendo uma semana, pois, alguns estágios de deterioração levam pouco tempo para acontecer, como é o caso das fissuras e erosões internas. Já as inspeções periódicas devem ser feitas semanalmente ou mensalmente, com data especifica. No caso das inspeções formais, essas devem ser feitas por engenheiros e geólogos anualmente de forma detalhadas e constar relatórios e fotos.
 No entanto, as inspeções especiais são realizadas no prazo de 5 a 10 anos com especialistas multidisciplinar, com conhecimentos em geotécnicas, hidráulica, tecnologia do concreto, elétrica e mecânica, com os objetivos de conferir se os sistemas operacionais estão corretos e se a estrutura do barramento oferece em sua estabilidade, alertando no caso de rupturas bruscas. Se eventualmente acontecer alguma anomalia repentina como sismo ou terremotos que possa vir a colocar em perigo a estrutura da barragem, são executadas inspeções de emergência para averiguar o comportamento da mesma.
2.0 INSTRUMENTAÇÃO E MONITORAMENTO DE ATERROS
	O escorregamento de taludes é um movimento de massas, considerado um fenômeno natural, que é provocado por forças gravitacionais que modelam a superfície terrestre. Esse movimento pode ser classificado de acordo com a velocidade do escorregamento, o mecanismo do movimento, o tipo de material do solo, as deformações, a geometria, e a presença ou não de água, e de vegetação.
	Assim, considerando a classificação da movimentação de terra do talude, existem diversas questões que surgem a respeito do comportamento do mesmo, como por exemplo: a determinação da forma da superfície de ruptura e sua profundidade; determinação de movimentos verticais e horizontais da massa instável; determinação da velocidade do movimento; monitoramento da estabilidade dos taludes naturais e escavados devido às atividades de construção; monitoramento das poro-pressões e níveis d’água; monitoramento da eficácia de medidas de controle como contenção e drenagem; e o fornecimento de um sistema de alerta contra possíveis desastres. Para responder estas questões a respeito do comportamento dos taludes é preciso realizar a instrumentação e o monitoramento do mesmo. 
	Segundo Eisenberger (2003), a maioria dos casos de instabilidade não acontecem de forma brusca, e sim com sinais como fendas e trincas de tração, ou seja, se dão de forma gradativa até atingir o ponto de ruptura. Assim, fatores como este podem ser evitados se previstos com o monitoramento e a instrumentação da encosta. 
	Segundo Pinheiro (2000), deve haver instrumentação somente quando haja alguma questão específica a ser respondida, assim, todos os equipamentos empregados no monitoramento devem ser escolhidos e instalados, caso contrário não deve haver instrumentação. Eisenberger (2003) afirma que para que uma instrumentação seja realizada de forma adequada deve-se seguir um planejamento que contenha as seguintes etapas: determinação dos tipos de medidas necessárias; seleção dos tipos de instrumentos que melhor se enquadram nas medidas exigidas; análise e escolha do plano de locação, número e profundidade da instrumentação; e desenvolvimento de técnicas de registro. 
	O Quadro 01 abaixo mostra os principais tipos de instrumentos utilizados nos estudos de taludes.
Quadro 01: Principais instrumentos utilizados em taludes.
Fonte: Eisenberger (2003).
	Simões et al. (2002), discorrem que um sistema de monitoramento geotécnico é composto de uma série de medidas, ou etapas como: monitoramento superficial, monitoramento de sub-superfície, monitoramento de poro-pressão e nível d’água, entre outros.
	Segundo Eisenberger (2003), a extensão e a velocidade de um deslocamento de massa superficial são determinadas por um monitoramento superficial. O autor ainda comenta que a medição de deslocamentos superficiais é a forma mais simples de observar a evolução do escorregamento, analisar a dinâmica do movimento, verificar a resposta a algum agente degradador, bem como verificar a eficiência de medidas corretivas.
	O Quadro 02 abaixo mostra os principais métodos de monitoramento superficial, com seu alcance, precisão, e resultado.
Quadro 02: Principais métodos de monitoramento superficial, com seu alcance, precisão, e resultado.
Fonte: Eisenberger (2003).
	O monitoramento de sub-superfície, porsua vez, ocorre quando há o deslocamento de massa nas camadas internas do solo, e quando a profundidade do escorregamento não permite sua detecção visualmente na superfície, afirma Eisenberger (2003).
	Segundo Pinheiro (2000), os métodos utilizados no monitoramento de movimentações de terra subsuperficiais utilizam instrumentos posicionados em furos de sondagens, de tal forma que as medidas sejam feitas paralela ou perpendicularmente aos furos. O autor comenta que um dos instrumentos mais utilizados no monitoramento é o inclinômetro, que é um indicador de planos de cisalhamento, serve para medir deslocamentos com menor precisão, permite a determinação da distribuição do movimento lateral em função da profundidade, e do tempo. 
	Para Eisenberger (2003) um dos monitoramentos mais utilizados é o do nível d’água, que se dá por meio da observação do nível em furos de sondagens, e poços de observações. O autor sugere que um medidor de nível d’água seja utilizado quando se tenha o conhecimento do regime do fluxo d’água, já que tem aplicações limitadas. Um medidor de nível d’água cria uma conexão vertical entre as camadas no perfil do solo, e tem aplicação recomendada em um perfil permeável contínuo em que a poro-pressão corre uniformemente com a profundidade. 
	O medidor de poro-pressão, ou piezômetro, que é muito importante na maioria dos taludes, é utilizado para monitorar o fluxo d’água, e estimar a resistência ao cisalhamento da massa de solo a partir dos cálculos da tensão normal efetiva, afirma Eisenberger (2003). Segundo o autor, os tipos de piezômetros mais utilizados são o de tubos aberto, também chamado de Casagrande, o elétrico, o pneumático, o de corda vibrante, e o hidráulico, sendo o pneumático e o de corda vibrante os que apresentam a resposta mais rápida, e o Casagrande o mais lento.
	Outros monitoramentos que podem ser feitos nos taludes são: o monitoramento do escoamento das águas da chuva, monitoramento da precipitação, monitoramento da temperatura, monitoramento da umidade, e monitoramento da sucção, sendo o monitoramento da precipitação associado ao da estabilidade dos taludes um sistema útil no alerta de risco.
CONCLUSÕES
Obras de grande porte, tais como túneis e barragens, as quais fornecem risco à vida humana, como também os aterros, que podem ocasionar um movimento de massas provocadas por forças gravitacionais, possuem uma grande necessidade da realização de instrumentação e monitoramento dos mesmos. 
A instrumentalização apropriada e o monitoramento com confiabilidade nas leituras se fazem importantes, pois localizam e monitoram os fenômenos relevantes ao comportamento destas obras, auxiliando na redução dos riscos de acidentes ocasionados, além de monitorar anormalidades existentes. 
Os instrumentos utilizados podem determinar as propriedades do solo e rocha in situ, realizando uma medição da resistência, compressibilidade e permeabilidade, bem como medir a pressão de água subterrânea, tensão total, deformação e carregamento aplicado. Fora isso, a instrumentação ainda verifica as alterações na forma, tamanho e posições destas grandes obras.
Tendo em vista os aspectos observados, faz-se necessário a aplicação de instrumentação e monitoramento destas grandes obras, de modo que possa ser previsto e, até mesmo, evitado alguns fatores de instabilidade, como sinais de fendas e trincas de tração. Entretanto, torna-se necessário também a realização de inspeções rotineiras, periódicas, formais, especiais ou de emergência juntamente com a instrumentação e monitoramento, tendo esta a finalidade de efetuar alertas referentes às possíveis deteriorações que possam comprometer a segurança da estrutura destas obras. Enfim, se fazem necessários para garantir a segurança e defesa destas obras, bem como facilitar a manutenção da infraestrutura. 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
EISENBERGER, Cícero Nei. Estudo do comportamento de um talude coluvionar urbano em Santa Cruz do Sul – RS. Dissertação de pós graduação. Porto Alegre. 2003. Disponível em: <https://www.google.com.br/lume.ufrgs.br >. Acesso em: 29 de outubro de 2014.
ELETROBRAS. CAPÍTULO 7 - PROJETO DAS OBRAS CIVIS E DOS EQUIPAMENTOS. 19 Páginas. Disponível em: http://www.eletrobras.com/elb/services/DocumentManagement/FileDownload.EZTSvc.asp?DocumentID=%7BE4AFF792-718E-4F93-A8A3-33DD9E8F10F9%7D&ServiceInstUID=%7B3C6E3C0E-2ADA-4EE5-B8F5-647119AA05CB%7D. Acesso em: 29 de outubro de 2014.
MACHADO, Willian Gladstone de Freitas. Monitoramento de Barragens de Contenções de Rejeitos da Mineração. São Paulo, 2007. Disponível em: file:///C:/Users/Usuario/Downloads/DissertacaoWillianGladstoneMachado.pdf. Acesso em: 29 de outubro de 2014.
NEVEZ,Ricardo Vilar et al. Avaliação da aplicação de técnicas geodésicas no monitoramento de estruturas civis. Disponível em: <file:///C:/Users/Usuario/Downloads/1819-5869-1-PB.pdf >. Acesso em: 29 de outubro de 2014.
PINHEIRO, R. J. B. (2000). Estudo de alguns casos de instabilidade da encosta da serra geral no estado do Rio Grande do Sul. Tese de Doutorado. Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Disponível em: <https://www.passeidireto.com/arquivo/3882154/bioengenharia---manejo-biotecnico-de-cursos-de-agua/7#/!>. Acesso em: 29 de outubro de 2014.
PROAGUA/SEMI-ARIDO-UGPO. Manual de segurança e Inspeção de Barragens. Brasília, Df. Disponível em: file:///C:/Users/Usuario/Downloads/2-%20manual%20de%20segurana%20e%20inspe%20o%20de%20barragens.pdf. Acesso em: 29 de outro de 2014.
SIMÕES, Gustavo Ferreira; et al. Monitoramento Geotécnico de Aterros Sanitários – A Experiência da Central de Tratamento de Resíduos Sólidos da BR-040 em Belo Horizonte – MG. 2002. Disponível em: <http://www.google.com.br/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&cad=rja&uact=8&ved=0CB0QFjAA&url=http%3A%2F%2Fetg.ufmg.br%2F~gustavo%2Farquivos%2Fmonitoramentobh.pdf>. Acesso em: 29 de outubro de 2014.
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