8/18/2019 Artigo Cobramseg

1/8

Utilização de Tapete de Controle de Fluxo a Montante deBarragens de Terra e Enrocamento Através de GeomembranaRodrigo César PierozanIntertechne Consultores S.A., Curitiba, Brasil, rcpn@intertechne.com.br

Marcelo MiquelettoIntertechne Consultores S.A., Curitiba, Brasil, mm@intertechne.com.br

Sidnei Helder Cardoso TeixeiraUniversidade Federal do Paraná, Curitiba, Brasil, s.helder@uol.com.br

RESUMO: O uso de geossintéticos vem sendo prática comum nas obras de engenharia geotécnicaonde se observa a necessidade de melhoria de alguma característica do solo local, em virtude dasvantagens de caráter técnico e econômico que os materiais sintéticos oferecem em relação aos

materiais convencionais. Neste contexto, este trabalho apresenta uma avaliação do desempenho dotratamento de fundações de barragens de terra com o emprego de geomembranas de polietileno dealta densidade (PEAD), objetivando o entendimento dos fenômenos envolvidos e o aperfeiçoamentode sua utilização. Para tanto, são utilizados dados de projeto e de instrumentação da UsinaHidrelétrica Salto, em Goiás (116 MW). Considerando-se a usina em questão, as característicasgeotécnicas da fundação da barragem de terra da margem esquerda condicionaram a utilização detapete impermeável para controle de fluxo, cuja principal componente do sistema deimpermeabilização é uma geomembrana de polietileno de alta densidade (PEAD). A análise dosdados envolve o uso de técnicas numéricas, cujos resultados são comparados com os dados domonitoramento de instrumentação (piezômetros e medidores de vazão). Os resultados obtidosdemonstram o potencial para estudos relacionados a tratamentos de fundação de barragens de terra epara o uso de geossintéticos com a finalidade em questão.

PALAVRAS-CHAVE: Tapete de controle de fluxo, geomembrana, barragens de terra.

1 INTRODUÇÃO

As barragens constituem obras complexas e degrande porte, possuindo altos custos deimplantação. Dessa forma, é importante o

estudo de alternativas que reduzam os custos emelhorem as características técnicas dasmesmas.

Entre as alternativas existentes, o uso degeossintéticos vem sendo prática comum nasobras de engenharia geotécnica onde senecessita de melhoria das características do sololocal, apresentando vantagens em relação aosmateriais e às tecnologias tradicionais, como,por exemplo, menores custos, facilidade deinstalação e menor tempo de execução dasobras.

Os geossintéticos são produtos poliméricos

(sintéticos ou naturais), industrializados edesenvolvidos para utilização em obrasgeotécnicas (ABNT NBR 12.553/2003).

O crescimento da utilização dosgeossintéticos, nos últimos anos, vem

despertando a atenção dos engenheiros epesquisadores, uma vez que os materiais emquestão possuem características particulares ediferenciadas em relação aos materiaisgeotécnicos tradicionais. Surge então anecessidade de novos estudos e modelos deanálise aplicáveis aos materiais em questão.

A eficiência da utilização de barreirasimpermeabilizantes depende da integridade damembrana sintética. Giroud e Bonaparte (1989)apresentam uma descrição da utilização degeomembrana em barreiras impermeabilizantes,salientando as consequências de possíveis

8/18/2019 Artigo Cobramseg

2/8

vazamentos. Considerações interessantes arespeito de falhas em reservatóriosimpermeabilizados através de geoembranaspodem ser encontradas em Wuet al . (2008).

Cardoso et al. (2010) apresentam ascondicionantes de projeto e análises numéricasque subsidiaram a escolha da solução deimpermeabilização da fundação da UsinaHidrelétrica São Salvador (243 MW). Apósanálise de diversas alternativas de tratamentopara impermeabilização da fundação, optou-sepela execução de um tapete impermeabilizante amontante do barramento, com utilização degeomembrana de PEAD.

Neste contexto, e em complementação àspesquisas anteriores, este trabalho apresenta um

estudo sobre tratamento de fundação debarragens de terra com utilização degeomembrana, em substituição às técnicasusualmente empregadas. A avaliação dodesempenho do tratamento é feita com base nosdados obtidos da UHE Salto e em análisesnuméricas.

2 BARRAGEM EM ESTUDO

A Usina Hidrelétrica Salto, de propriedade daRio Verde Energia, empresa controlada pelaTPI (Triunfo Participações e Investimentos),encontra-se implantada no Rio Verde,pertencente à Bacia do Rio Paraná, na divisados municípios de Caçu (margem esquerda) eItarumã (margem direita), estado de Goiás. Amesma entrou em operação em junho de 2010,com 2 unidades geradoras e garantia de potênciainstalada de 116 MW. A Figura 1 apresenta o

arranjo das estruturas que compõem oempreendimento. A barragem de terra da margem esquerda,

situada entre o muro lateral esquerdo do circuitogerador e a encosta esquerda, tem uma extensãode crista de aproximadamente 580 m e umaaltura máxima da ordem de 25 m junto ao murode abraço esquerdo, sendo que esta barragempassa a ser de enrocamento com núcleo argiloso junto a essa estrutura.

Este trabalho utiliza a barragem de terra damargem esquerda como fonte de dados pois, em

função das propriedades geotécnicasapresentadas pelo terreno de fundação, foiexecutado um tapete impermeabilizante amontante da barragem, cuja mais importantelinha de defesa se compôs de umageomembrana de PEAD. Dessa forma, foipossível avaliar o tratamento de fundação.

2.1 Características Geotécnicas dos Solos

Durante o projeto executivo da UHE Salto, foiprevista uma campanha de investigaçãogeotécnica composta por sondagens rotativas,sondagens mistas e sondagens à percussão,ensaios de perda de água e infiltração, além deensaios de laboratório, com a finalidade de

determinar as propriedades dos solos defundação.A partir dos resultados das campanhas de

investigação nas margens direita e esquerda,foram agrupadas as seguintes informaçõesacerca das características geotécnicas dascamadas de solo presentes na fundação:

• Solo de alteração de basalto: este soloencontra-se assente diretamente sobre omaciço rochoso basáltico são ou, maiscomumente alterado;

• Solo coluvionar: os processos dedesagregação, transporte e deposiçãodos sedimentos das FormaçõesAdamantina e Marília formaram umdepósito coluvionar, com ampladistribuição;

• Paleo-terraços: são depósitos de origemcoluvionar com naturezaconglomerática, apresentando ocorrênciarestrita a pequenas áreas.

Durante a fase de projeto, os altos valores decondutividade hidráulica observados nosensaios de infiltração, e confirmados pelosensaios de permeabilidade realizados emamostras retidas dos poços de inspeção,localizados na ombreira esquerda da UHESalto, levaram a valores elevados de vazão, emfunção principalmente da percolação da águapelo terreno de fundação, estimados através deanálises utilizando o método dos elementosfinitos.

8/18/2019 Artigo Cobramseg

3/8

Figura 1. Arranjo geral da UHE Salto (LEYSERet al ., 2010) e imagem aérea.

2.2 Tratamento da Fundação da UHE Salto

Os tratamentos de fundação constituem umimportante aspecto do projeto de barragens deterra, uma vez que fundações excessivamentepermeáveis podem resultar em gradientes desaída elevados no talude de jusante e,eventualmente, iniciar processos de erosãoregressiva ( piping ), podendo comprometer asegurança da estrutura.

Entre as alternativas existentes paratratamento da fundação da UHE Salto, com afinalidade em questão, podem ser citadas:trincheira de vedação (cut-off ); cortina deinjeções de calda de cimento; cortina de estacasprancha; diafragmas executados in-situ (plástico

e rígido), e; tapetes impermeabilizantes demontante. Durante o projeto da barragem, asalternativas em questão foram estudadas atravésde análises técnicas e econômicas, com afinalidade de se definir o tratamento maisadequado para a mesma.

As análises mostraram que a solução maisviável para o tratamento da fundação dabarragem de terra da margem esquerda da UHESalto consistia em impermeabilizar a superfíciedo terreno à montante da mesma, aumentando ocaminho de percolação através da fundação,

com consequente redução dos gradienteshidráulicos e das vazões.

Os tapetes impermeabilizantes a montante debarragens são usualmente constituídos por soloargiloso compactado, contando eventualmentecom uma proteção mecânica com camada deenrocamento. Com a finalidade de reduzir aespessura de solo compactado, e também evitaro risco de baixa eficiência do tapeteimpermeável, decorrente do surgimento detrincas durante a fase construtiva, dadas ascarasterísticas do material de empréstimo eclimáticas do local, optou-se pela utilização deuma geomembrana de polietileno de altadensidade (PEAD).

2.2.1 Aspectos Construtivos e de ProjetoA extensão da impermeabilização foi definidade maneira a se otimizar as espessuras de tapetedrenante de jusante, considerando-se a reduçãoda carga hidráulica, em função da elevação datopografia, conforme o avanço em direção àombreira.

O material de impermeabilização, aplicadosobre a fundação da margem esquerda, consistiuem uma membrana sintética flexível de PEAD,texturizada em ambos os lados, de cor negra,sem reforço, com 1,5 mm de espessura. A

8/18/2019 Artigo Cobramseg

4/8

texturização da geomembrana foi consideradaconveniente para evitar o risco deescorregamento entre o solo de proteção damembrana, dada a aplicação do tratamento estarem um plano inclinado.

Anteriormente à instalação da membrana, foifeita a remoção da camada superficial de solocontaminado por matéria orgânica, de espessuraaproximada de 30 cm. Devido ao risco deruptura da manta por efeito de puncionamento,foi prevista uma camada de solo compactadoque serviu como substrato para a aplicação damembrana de PEAD, com espessura mínima,após a compactação, igual a 50 cm.

Previamente à aplicação da geomembrana, assuperfícies do fundo e dos taludes foram

inspecionadas para verificação da regularidadede acabamento e ocorrência de depressões,protuberâncias, pedras ou outros materiais quepudessem causar danos à geomembrana.

A ancoragem da geomembrana no terreno foifeita através da escavação de uma vala com 0,80m de profundidade e 0,50 m de largura, a qualfoi preenchida com solo compactado. Aancoragem da geomembrana, no espaldar demontante da barragem, foi executada após aexecução do aterro, com escavação de 2,0 m delargura. O reaterro de fixação foi feito de formamecânica/manual, tomando-se cuidado para nãocausar danos à manta.

As emendas entre painéis foram executadaspelo processo de dupla solda, por termo-fusão,conformando um canal de ar estanque entre aslinhas de solda, permitindo assim o controle dequalidade do procedimento.

Como forma de amenizar os efeitos de umaeventual ruptura localizada da geomembrana

por efeito mecânico, foi prevista uma camadaadicional de 80 cm de solo compactado sobre amesma. Fotografias obtidas em campo durante ainstalação da geomembrana encontram-seapresentadas na Figura 2.

2.3 Instrumentação Civil

O programa de instrumentação da UHE Salto écomposto por piezômetros de tubo aberto (tipoCasagrande), medidores de vazão, medidores denível d’água e marcos superficiais, cujos dadossão complementados pelas inspeções visuais.

Figura 2. (A) Preparação do substrato para instalação dageomembrana; (B) Colocação da geomembrana eancoragem no aterro da barragem; (C) Execução dasemendas, e; (D) Aterro de proteção.

Como o estudo aqui apresentado estáfundamentado na análise do tratamento defundação da UHE Salto da margem esquerda,são estudados os instrumentos instalados aolongo da mesma, conforme mostra a Figura 3.

8/18/2019 Artigo Cobramseg

5/8

M A N T A D E P E A D

( e =

1 , 5

m m

)

P S P - 9

2

P S P - 9

3

P S P - 8

8

P S P - 8

9

P S P - 9

0

P S P - 9

1

P S P - 7

8

P S P - 7

9

P S P - 7

2

P S P - 7

3

P S P - 7 4

P S P - 7 5

P S P - 7

6

P S P - 7

7

P S P - 8

6

P

S P - 8

7

P S P - 8

2

P S P - 8

3

M V - 5

M V - 4

M V - 3

T R I N C H E I R A

D R E N A N T E

P S P - 8

4

P S P - 8

5

P S P - 8

0

P S P - 8

1

S E Ç

à O

2 2

S E Ç

à O

2 1

S E Ç

à O

1 9

S E Ç

à O

1 7

S E Ç

à O

1 5

L e g e n d a :

P i e z

ô m e

t r o

( P S P ) ;

M e d i d o r

d e v a z

ã o

( M V ) .

Figura 3. Instrumentação da barragem de terra esquerda.

3 MÉTODO DA PESQUISAForam trabalhados os dados da UHE Salto coma finalidade de determinar as característicasgeométricas da barragem nas seções em estudo(tópico 3.1) e as condutividades hidráulicas dosmateriais de aterro e de fundação (tópico 3.2).Utilizando-se os dados em questão, foram feitassimulações numéricas através dosoftwareSeep/W, com a finalidade de avaliar otratamento de fundação em questão (tópico 3.3).

3.1 Geometria da Barragem e Fundação

O levantamento planialtimétrico do sítio deimplantação da barragem, presente no projeto,foi levado em consideração para determinaçãoda cota do terreno de fundação nas seções emestudo. A partir da cota do terreno de fundação,foi prevista remoção de 1,50 m do terreno(PIEDADEet al ., 2010). A diferença entre acota da crista da barragem e a cota de escavaçãocorresponde à altura da barragem. A cristapossui 6 m de largura, estando locada naElevação 449,50 m.

A partir dos dados referentes à locação doeixo e da crista da barragem, foram lançados ostaludes de montante e de jusante, respeitando-se

inclinação de 1V:2H desde a fundação até acota 447,50 m e de 1V:1,5H acima desta cota.Nas elevações 429,00 e 439,50, foram previstasbermas de equilíbrio, com largura igual a 3 m.Na região do talude de montante, foiconsiderada a existência de camadas deenrocamento de proteção e brita.

O sistema interno de drenagem consiste emum filtro vertical chaminé de areia limpa e deum tapete drenante tipo sanduíche simples,diretamente apoiado sobre a fundação. O filtrovertical possui largura horizontal de 0,80 m. Otapete drenante, por sua vez, é constituído poruma zona inferior de areia limpa de 0,30 m deespessura, uma zona superior de areia limpa de0,20 m de espessura e um miolo drenante deespessura variável.

A espessura da camada de solo permeável dafundação, por sua vez, foi definida em funçãodas investigações geotécnicas realizadas aolongo da barragem de terra da margem

esquerda, cuja locação encontra-se apresentadana Figura 3.

3.2 Estudo da Permeabilidade dos Materiais

Considerando-se as seções de estudo da UHESalto, foi feita a análise dos perfis de sondagensgeotécnicas, com a finalidade de determinar oscoeficientes de condutividade hidráulicaencontrados na fundação. Dessa forma, paracada camada de solo identificada através dassondagens, foi determinado um valor decondutividade hidráulica médio.

8/18/2019 Artigo Cobramseg

6/8

O valor de condutividade hidráulica médiodo aterro, por sua vez, foi determinado emfunção de ensaios realizados em blocosindeformados coletados no aterro da barragem,após a conclusão da compactação. A partir dosensaios em questão, foi determinada a relaçãode anisotropia entre a condutividade hidráulicahorizontal e a vertical encontrada no materialcompactado da UHE Salto.

3.3 Análises Numéricas

Análises numéricas foram utilizadas com afinalidade de avaliar o comportamento dascargas de pressão e das vazões, em decorrênciada utilização de tratamento de fundação atravésde geomembrana. Para tanto, foram utilizadosdados das seções instrumentadas da UHE Salto.

4 RESULTADOS

Na sequência, são apresentados os resultados.

4.1 Geometria da barragem e fundação

A Figura 4 apresenta, esquematicamente, asseções estudadas da UHE Salto, sendo possívelvisualizar as estruturas que compõe a barragemem questão (sistema interno de drenagem,trincheira drenante, enrocamento para proteçãodo talude de montante e bermas de equilíbrio).

O comprimento do tratamento de fundaçãoaplicado em Salto foi variável de acordo com aseção considerada. As seções 15 e 17apresentam comprimento do tratamento, a partirda base do talude de montante, igual a 100 m,enquanto que nas seções 19 e 21, o tratamentose extende por 60 e 10 m, respectivamente. Afundação da seção 22 não possui o tratamento.

4.2 Estudo da Condutividade Hidráulica dosMateriais

A partir das sondagens em questão, foramdeterminadas condutividades hidráulicasmédias, de acordo com a estratificação do solo,as quais foram utilizadas nas análises. Osresultados estão apresentados na Tabela 1.

Figura 4. Seções em estudo da UHE Salto.

Tabela 1. Condutividade hidráulica da fundação.Seção Sondagemde ref. Prof. (m) kmédio (m/s)

15SP-503SP-504SP-505

0-4 2x10-5 4-6 1,5 x10-5 6-9 1 x10-5

17 SP-5060-7 1 x10-5 7-11 4,5x10-7

19 SP-5070-6 1,5 x10-5 6-14 6x10-6

14-16,5 4,5x10-7

21 SP-5080-7 1,5 x10-5 7-14 6x10-6

14-18,5 4,5x10-7

22 SP-5080-7 1,5 x10-5 7-14 6x10-6

14-18,5 4,5x10-7

Com base nos ensaios realizados em blocos

indeformados, coletados no solo compactado dabarragem, determinou-se condutividadeshidráulicas do aterro segundo a direçãohorizontal e vertical, conforme apresentado naTabela 2. É importante salientar que osresultados expostos tratam-se de umageneralização dos resultados obtidos através dasamostras individualmente, em função davariabilidade encontrada nos mesmos. Segundoos valores em questão, pode-se considerar que acondutividade hidráulica segundo a horizontalé aproximadamente 5 vezes superior àpermeabilidade segundo a vertical.

8/18/2019 Artigo Cobramseg

7/8

Tabela 2. Coeficientes de permeabilidade do aterro.Direção Coef. de permeabilidade (m/s)

Horizontal 1x10-7 Vertical 2x10-8

A permeabilidade do substrato rochoso,composto basicamente por basalto e seusprodutos de alteração, foi determinada a partirde ensaios realizados de perda d’água sobpressão. Através da análise dos dadosdisponíveis, determinou-se que a condutividadehidráulica média do substrato rochoso equivalea 1x10-8 m/s.

Com base nas condutividades hidráulicasapresentadas nas Tabelas 1 e 2 e na geometria econdições de contorno da barragem, foram

feitas simulações numéricas para comparaçãodos valores de carga de pressão e vazão com osefetivamente verificados através do sistema deinstrumentação. Os valores de carga de pressãoesperados para os piezômetros foramdeterminados a partir da análise das leituras dosistema de instrumentação, considerando-se onível d´água máximo normal na El. 446,50 m.Da mesma forma, foram determinadas asvazões esperadas para os medidores de vazão.

Os resultados encontrados mostraram que,através da retroanálise, foi possível prever osvalores de vazão e de carga de pressão comrelativa precisão, salvo pequenas variaçõesoriundas da anisotropia do material de fundaçãoe da tridimensionalidade do maciço. Demaisinformações acerca dos resultados encontradosna retroanálise podem ser consultados emPierozan (2014).

4.3 Análises Numéricas

De forma geral, os resultados mostraram que autilização do tratamento de fundação através degeomembrana foi capaz de reduzir as cargas depressão na fundação, principalmente abaixo dotratamento e na região da fundação sob oespaldar de montante da barragem. As vazõesde percolação também sofreram redução, sendoas mesmas, assim como as cargas de pressão,dependentes da relação entre o comprimento damembrana sintética e a altura da fundação.

Como forma de exemplificar os resultadosobtidos, neste trabalho apresenta-se análisereferente à seção 17. A Figura 4 apresenta ascargas de pressão obtidas com e sem autilização de geomembrana. A Tabela 3, por suavez, apresenta as vazões de percolação atravésdo aterro e da fundação, com e sem otratamento em questão.

Tabela 3. Vazões de percolação (Seção 17)

Vazão SemgeomembranaCom

geomembrana

Aterro (L/s/m) 3,86x10-4 2,33x10-4

-39,60%Fundação(L/s/m) 1,8581x10

-2 6,784x10-3

-63,50%

Total (L/s/m) 1,8967x10-2 7,018x10-3

-63,00%

Os resultados mostram que, para seção 17, autilização do tratamento em questão resultou naredução de aproximadamente 63,0% da vazãototal. A redução da vazão através do aterro foide aproximadamente 39,6%, enquanto que aredução da vazão através da fundação foi deaproximadamente 58,5%. A vazão através da

fundação apresenta volume muito superior àvazão através do aterro.Na seção 17, as cargas de pressão também

apresentaram redução com a utilização dageomembrana, principalmente na região dafundação a montante do eixo da barragem e sobo tratamento, indicando que o mesmo aumentouos caminhos de percolação, resultando emmaior perda de carga na fundação. No aterro, ascargas de pressão reduziram, em decorrência dainstalação da membrana com a extensão de 5,9m sobre o talude.

Na região da fundação abaixo do espaldar de jusante, a redução das cargas de pressão foimuito pequena, estando condicionadabasicamente à existência do sistema dedrenagem nesta região.

Os resultados obtidos para seção 17 sãosemelhantes aos resultados obtidos para asdemais seções. Os resultados completos dasanálises numéricas, considerando as demais

seções em estudo, podem ser consultados emPierozan (2014).

8/18/2019 Artigo Cobramseg

8/8

Figura 4. Cargas de pressão com e sem a utilização de geomembrana.

5 CONCLUSÃO

Os resultados mostram que a membranaimpermeável atua principalmente aumentando ocaminho de percolação do fluxo na fundação dabarragem, resultando, dessa forma, em menorescargas de pressão sob a mesma. Comoconsequência, reduz-se a vazão d’água depercolação através da barragem e da fundação.

As maiores variações de carga de pressãoocorrem na fundação, sob a membranaimpermeável e sob o espaldar de montante dabarragem. Sob o espaldar de jusante, por outrolado, ocorre pequena variação nas cargas depressão com a utilização da solução em questão.

A utilização de geomembrana em conjuntocom camada de aterro compactado, acima damesma, é uma solução interessante para reduziros riscos de perda de eficiência do sistema, nocaso da ocorrência de rasgos. Como proteçãosuplementar, sobre a camada de solocompactado superior, pode ser prevista a

utilização de uma camada de enrocamento.De forma geral, a utilização de geomembranade PEAD para tratamento de fundaçõespermeáveis mostrou-se uma boa solução pararedução das vazões e das cargas de pressão soba barragem.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à Rio Verde Energia, àTPI (Triunfo Participações e Investimentos) e àConstrutora Triunfo por permitirem a

divulgação das informações relativas à UsinaHidrelétrica Salto, contidas neste artigo. Os

autores também agradecem à IntertechneConsultores S.A., responsável pelo projeto daUHE Salto.

REFERÊNCIAS

Associação Brasileira de Normas Técnicas (2003)Geossintéticos – Terminologia. Rio de Janeiro.

Cardoso, R. M.; Calcina, A. M.; Oliveira, C. A. de;Carvalho, A. H. E.; Sarlo, R. J. F. (2010)Utilizaçãode Geomembrana de PEAD em Tratamento deFundação na Barragem de São Salvador , CongressoBrasileiro de Mecânica dos Solos e EngenhariaGeotécnica, Gramado.

Giroud, J. P. e Bonaparte, R. (1989) Leakage throughliners constructed with geomembranes – part IGeomembrane liners. Geotextiles andGeomembranes, Vol. 8, p. 27-67.

Leyser, S. D. L.; Miqueletto, M.; Maranesi, D. A.; Filloy,J. E.; Freitas, F. A. E. de. (2010) Emprego de BasaltoVesículo Amigdaloidal em Obras Definitivas da UHESalto , Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos eEngenharia Geotécnica, Gramado.

Piedade, C. R. C. Jr.; Calcina, A. M.; Filloy, J. E.; Freitas,F. A. E. de. (2010)

Determinação das Espessuras de Escavação da Fundação em Solo Compressível daUHE Salto – Goiás , Congresso Brasileiro deMecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica,Gramado.

Pierozan, R. C. (2014) Aplicação de Geomembranas emTapetes Impermeáveis a Montante de Barragens deTerra. Dissertação, Programa de Pós-Graduação emEngenharia da Construção Civil, UFPR.

Wu, W.; Wang, X. T.; Aschauer, F. (2008) Investigationon failure of a geosynthetic lined reservoir,Geotextiles and Geomembranes, Vol. 26, p. 363–370.