COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS XXV SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS SALVADOR, 12 A 15 DE OUTUBRO DE 2003

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T92– A20

ACOMPANHAMENTO DO COMPORTAMENTO DA NOVA BARRAGEM DE SANTA HELENA - ANÁLISE E INTERPRETAÇÃO

DA INSTRUMENTAÇÃO DE AUSCULTAÇÃO INSTALADA: UM ESTUDO DE CASO

Carlos Henrique de A. C. Medeiros

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE FEIRA DE SANTANA – UEFS

Jorge Luis Amorim

EMBASA – EMPRESA BAIANA DE ÁGUAS E SANEAMENTO S/A

RESUMO O presente trabalho tem por objetivo apresentar os procedimentos recomendados para a solução de problemas observados na Nova Barragem de Santa Helena e o resultado de suas análises e interpretação através de medições obtidas com a instrumentação instalada em pontos pré-estabelecidos com vista ao monitoramento do desempenho das estruturas e, por conseguinte, a garantia da sua segurança. As principais ferramentas utilizadas foram a inspeção visual direta e a análise e interpretação dos resultados medidos através da instrumentação instalada. Chama-se a atenção para a importância de um projeto de instrumentação contemplar informações precisas sobre a escolha do tipo de instrumento, justificativa sobre o seu posicionamento ou localização, e fixação de limites para os parâmetros medidos que permitam efetivamente as gestores a tomada de decisões, com relação as medidas de natureza técnica e/ou operacional tendo como foco a garantia da segurança da estrutura e, principalmente, para a qualidade do projeto no que tange as memórias de cálculo, especificações dos instrumentos e documentação integrante do “as built”. ABSTRACT This paper concerns about some major problems that were investigated by the authors during the time that they were involved in monitoring, analyzing and interpreting of New Santa Helena Dam behavior based upon field work and instrumentation data that were collected and submitted to an expert evaluation

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of its effect on safety of the dam. From the authors point of view it is very important to have an instrumentation project that matches device selection, location, boundaries for the parameter design values, as well. It is called attention to the need of a complete data documentation about the dam design, constrution such as the “as built” and instruments specifications. 1 - INTRODUÇÃO Após realização de inspeções, foram identificados alguns problemas, com reflexos no bom desempenho das estruturas da Nova Barragem de Santa Helena (Figura 1). Os problemas identificados foram: • Percolação, observada no pé do talude, próximo a ombreira esquerda;

percolação no pé do enrocamento de jusante na extremidade do canal de desvio e;

• Irregularidades na face do talude de jusante no lado direito do vertedouro. • Ocorrência um deslizamento de terra na ombreira esquerda, distante

cerca de 30 m a jusante da barragem.

FIGURA 1 - Vista geral, após construção.

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2 - INSTRUMENTAÇÃO DE AUSCULTAÇÃO INSTALADA Um projeto de instrumentação padrão, via de regra demanda a observância dos seguintes pontos, estes de suma importância para uma perfeita avaliação do desempenho das estruturas objeto de análise e interpretação de comportamento face as ações que estão submetidas. Dentre esses aspectos, merecem destaque: • Justificativa para a seleção e escolha de determinado tipo e marca de

instrumento com justificativa da necessidade de cada instrumento para cada localização proposta;

• Definição dos parâmetros, a serem monitorados por cada instrumento; • Definição sobre a importância do(s) parâmetro(s) a serem medidos; • Estimativa da ordem de grandeza dos parâmetros observados: valores

máximo e mínimo. • Definição dos procedimentos a serem adotados na eventualidade dos

valores medidos excederem os valores limites estabelecidos no projeto. Do exposto, pode-se dizer que o “projeto de instrumentação” existente, restringe consideravelmente uma análise e interpretação dos valores medidos através da instrumentação instalada. No caso em tela, procurou-se obter as referidas informações nos documentos enumerados na bibliografia. Considerando-se os resultados das medidas efetuadas nos marcos superficiais no período compreendido entre julho/2000 e julho/2002; pode-se tecer os seguintes comentários: Os valores de recalque, indicam uma estabilização a partir de janeiro de 2002, em todos os casos apresentam Índices de Recalque muito baixos, em termos de recalque a longo prazo, conforme mostrado na Figura 2 abaixo.

NOVA BARRAGEM SANTA HELENA Marcos Superficiais

0102030405060708090

100

jul 2

000

set

200

0

nov

200

0

jan

2001

mar

200

1

mai

200

1

jul 2

001

set

200

1

nov

200

1

jan

2002

mar

200

2

mai

200

2

jul 2

002

set

200

2

nov

200

2

RE

CA

LQU

E (

mm

)

MS1

MS5

MS4

MS2

MS3

FIGURA 2 – Gráfico Recalque x Tempo

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Em termos de recalques diferenciais, podemos dizer que, os recalques medidos nos marcos superficiais MS-01, MS-04 e MS-05, em 02/08/02, correspondem a valores abaixo do admissível, não se constituindo em problema a médio e longo prazo. Entretanto, os marcos MS-02 e MS-03, devido a suas proximidades dos muros da estrutura de concreto do extravasor, devem merecer especial atenção quanto à evolução dos recalques (Tabela 1).

TABELA 1 - Medidas Efetuadas nos Marcos Superficiais

Marco Superficial Data Recalque

(mm) Data Recalque (mm)

MS-01 9,0 10,0 MS-02 49,0 50,0 MS-03 68,0 69,0 MS-04 21,0 22,0 MS-05

16/05/02

13,0

02/08/02

14,0 Segundo JUSTO (1973, o risco de um recalque na crista da barragem resultar na formação de trincas depende da ordem de grandeza desse recalque, cujos valores medidos de recalques da crista da barragem, em mm, deverão ser inferiores a 50 mm. Por outro lado, valores de recalque iguais ou superiores a 50 mm implicam, via de regra, na formação de trincas transversais no corpo do aterro, especificamente para os aterros compactados no lado seco da curva de compactação. No caso da Nova Barragem de Santa Helena, a umidade ótima de compactação, Wótima, do aterro novo foi da ordem de 18% (ensaio PN). Cabe registrar a seguinte citação: “... o material na área de empréstimo deverá ser umedecido para aumentar seu teor de umidade do valor atual de 15% até 18 a 20%. ...”. Tal registro implica em dizer que o aterro foi compactado no lado úmido, sem risco, portanto, de ocorrência de trincas transversais. Na ausência de informações sobre os valores limites para os recalques e, para efeito de verificação do risco de ocorrência de trincas, optou-se por utilizar as relações sugeridas por LONDE (1970): R1 = Recalque na crista (m) / Comprimento da crista (m) > 0,001 (implica em trinca) R2 = Teor de umidade do aterro na construção (%) / Índice de Plasticidade, IP (%). No caso da barragem, W ≅ 18% e IP ≅ 18%, logo R2 = 1,0; logo, Trecho 1 – estaca E4 a E9 Marcos superficiais MS-01, MS-02 e MS-03: S = 32 mm (valor médio) L = 40 m (40.000 mm) - distancia entre MS-01 e MS-03 R1 = 0,0008 < 0,001 Trecho 2 – estaca E3 a E1 Marcos superficiais MS-04 e MS-05: S = 10 mm (valor médio) L = 15 m (15.000 mm) - distancia entre MS-04 e MS-05 R1 = 0,0006 < 0,00, sendo R2 = 1,0.

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Os recalques na crista não comprometem a formação de trincas transversais. O par de valores (R1, R2), correspondente, encontra-se plotado no gráfico abaixo, na Figura 3.

FIGURA 3 – Gráfico de Valores R1 e R2 Com relação à linha de piezômetros PP1, PP2, PP3, PP4 e PP5 (estaca E2+10 m)., as variações observadas no período analisado (Figura 4), não indicam mudanças significativas, podendo até serem consideradas estabilizadas, face à pequena variação do NA do reservatório.

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BARRAGEM SANTA HELENANível do Reservatório

0123456789

10111213141516171819202122

16/1

1/19

99

15/0

1/20

00

15/0

3/20

00

14/0

5/20

00

13/0

7/20

00

11/0

9/20

00

10/1

1/20

00

09/0

1/20

01

10/0

3/20

01

09/0

5/20

01

08/0

7/20

01

06/0

9/20

01

05/1

1/20

01

04/0

1/20

02

05/0

3/20

02

04/0

5/20

02

03/0

7/20

02

01/0

9/20

02

31/1

0/20

02

30/1

2/20

02

28/0

2/20

03

CO

TA

(m

)

COTA SOLEIRA COTA MAX

FIGURA 4 – Gráfico Cota do Piezômetro x Tempo

Nas Tabelas 2 e 3, abaixo, são apresentados os valores dos níveis piezométricos em m.c.a. medidos nos diversos piezômetros pneumáticos.

TABELA 2 - Leituras dos Níveis Piezométricos

Nível Piezométrico (m.c.a) Seção Cotas de Instalação

(m) Piezômetro 09/05/02 26/12/02

PP1 12,50 - PP2 11,40 - PP3 3,00 4,40 PP4 1,40 1,0

Estaca E2+10 m 6,00

PP5 4,50 - 2,34 PP11 10,90 13,3 3,09 PP12 8,00 12,6 3,34 PP13 7,90 10,0 3,45 PP14 6,80 6,20 3,31 PP15 15,50 7,3

Estaca E5+5 m

3,04 PP16 11,40 4,90 PP17 0,80 15,00 Estaca

E6+10 m PP21 4,80 6,30 Os piezômetros PP1 e PP2, apresentaram no dia 09/05/02 (NA = 19,48m) níveis piezométricos elevados o que corresponde a uma linha de saturação relativamente próxima a face do talude de jusante, assim como, na ombreira, que implica em dizer que, muito provavelmente, o sistema de drenagem

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apresenta deficiências. Não foi possível uma avaliação mais precisa uma vez que no dia 26/12/02 (NA = 19,83m) nada foi registrado. Na estaca E6+10 m, linha de piezômetros PP17, PP18, PP19, PP20, PP21 e PP22; no dia 09/05/02, foram obtidas leituras apenas nos piezômetros PP17 e PP21, os quais registraram níveis piezométricos elevados, mas coerentes com a evolução do NA do reservatório. Com relação a linha de linha de piezômetros PP11 a PP16 (Estaca E5+5m), no dia 09/05/02, apresentaram uma redução substancial, apesar do pequeno aumento do NA (35 cm) – muito provavelmente, erro de leitura kgf/cm2. TABELA 3 - Piezômetro Pneumático / Nível Piezométrico (m) - E2+10m e E5+5 m:

PP1 PP2 PP3 PP4 PP5 PP11 PP12 PP15 PP16 Data m.c.a

05/03/02 9,20 10,50 9,90 7,30 6,40 11,80 10,01 5,99 5,46 26/03/02 9,00 8,00 9,80 6,80 6,30 11,00 9,51 4,29 3,86 30/04/02 9,30 6,80 10,00 6,90 6,10 - - - - 09/05/02 - - - - - 11,50 9,81 4,59 3,76 As leituras efetuadas no dia 09/05/02 (com o NA do reservatório na cota 19,48 m) nos piezômetros PP11, PP12, PP13, PP14 e PP15 registraram níveis piezométricos elevados mas coerentes com a evolução do NA do reservatório. Cabe registrar que no período de Março a Maio de 2002, todos os piezômetros apresentaram níveis piezométricos bastante elevado, com pressões neutras da ordem de 7,0 m.c.a., em relação a cota da geratriz superior do tapete drenante, cota 0,0 m. Neste período o NA do reservatório encontrava-se em torno da cota 19,00 m. Nesta seção, o tapete drenante é menos espesso e da ordem de 1,0 m; em comparação com as demais seções: E5 e E5+5 m (com espessuras, respectivamente, da ordem de 5,0 e 2,0 m com camada superior tipo sandwhich). 3 - ANÁLISE DOS PROBLEMAS IDENTIFICADOS A percolação foi observada no pé da barragem, em torno da cota +6,0m, próxima ao piezômetro PC-01 e, resultou na formação de um buraco no aterro com alguma perda de areia, provavelmente, do filtro de areia (tapete horizontal) conectado ao filtro chaminé (filtro vertical) colocado sobre a ombreira esquerda (fundação) (Figura 5). Uma importante constatação foi (analisando-se os desenhos de projeto e perfis de sondagens existentes, executadas na região da ombreira esquerda) de que a ombreira esquerda é mais permeável que o maciço da barragem, da ordem de 2 grandezas (ou seja, 102 - 100 vezes mais), logo, a maioria da água de percolação vem através do material da fundação. Observou-se que as pressões nos 3 (três) piezômetros tinham aumentado visivelmente e, inclusive, com artesianismo nos piezômetros PC-01, como indicado na Tabela 4, abaixo.

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TABELA 4 – Medições nos Piezômetros Tipo Casagrande

Data COTA (m)

PC-01 (m)

PC-02 (m)

PC-03 (m)

03/01/01 10,90 6,00 6,57 6,91 11/05/01 15,00 7,43 8,25 8,69 10/09/01 18,05 8,23 9,67 10,35 27/12/01 18,66 8,04 9,23 10,04 30/04/02 19,33 8,30 9,51 10,34 27/05/02 19,78 extravazando extravazando - 18/06/02 19,80 extravazando - - 19/08/02 19,80 extravazando - - 28/11/02 19,84 - - -

Inicialmente, foi recomendada a instalação de novos piezômetros tipo Casagrande no intuito de monitorar a evolução da pressão no sistema de drenagem localizado na ombreira esquerda e a serem posicionados dentro do dreno Francês, longitudinal ao muro do vertedouro, com a finalidade de verificar a perda de carga ao longo do dreno e/ou uma menos provável condição de obstrução do dreno. Um ou dois novos piezômetros deveriam ser instalados no tapete horizontal sobre a superfície da ombreira esquerda (fundação) entre as estacas E-1+0m e E-2; para verificar eventual saturação do filtro. O filtro de pé que deveria drenar para o tapete horizontal e drenos Franceses estavam visivelmente saturados e sob condição de limite de capacidade de escoamento. Tal situação se traduz em níveis de NA elevados e acima da geratriz superior do dreno, com implicações na estabilidade do talude de jusante na para condição normal de operação. Isso explica a elevação da pressão da água no dreno, observada nas leituras dos piezômetros. A água emergiu através do material do aterro com 1,0 m de espessura, na extremidade de jusante do filtro de areia (Figura 6). O dreno de areia, sobre a ombreira encontrava-se operando sob pressão, fato evidenciado também, pela resposta dos níveis d´água (NA) nos piezômetros Casagrande de jusante. Os piezômetros PC-1 e PC-02, que têm suas extremidades, respectivamente situados a: 1,3 e 1,0m acima do terreno natural, foram vistos extravasando

FIGURA 5 – Surgência d’água, observada no pé do talude de jusante, próximo ao dreno horizontal.

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água (Figuras 7 e 8). Tal situação foi considerada de suma importância e merecedora de ação imediata.

FIGURA 6 - Surgência d’água tipo “sand boil” observada no pé do talude de jusante, sob o suposto tapete horizontal. As soluções técnicas recomendadas, foram: • A zona de percolação foi coberta com material de transição e pedras

(fração grossa) segundo a configuração de um filtro invertido, conforme minha orientação, numa tentativa de conter assim a remoção da areia. Contudo, o problema tornou a ocorrer e o solo voltou a emergir em uma cota mais elevada.

• Foi sugerido providenciar a extensão dos tubos desses piezômetros de

forma a permitir as medidas das atuais pressões de artesianas nos pontos.

• Para a barragem, foi reconhecida a necessidade de execução de um

enrocamento de pé com materiais de transições adequados para proteger o pé do talude de jusante sobre o filtro de areia. O enrocamento de proteção deveria ser estendido sobre a face de jusante da barragem, ao longo da berma na cota 6,0m para cobrir e proteger a superfície da barragem até aproximadamente as cotas +8,0 e +9,0m. Esta região é freqüentemente atingida pela água para pequenas descargas do vertedouro.

• No caso da ombreira esquerda, onde o artesianismo foi observado,

recomendou-se a adoção de 2 (duas) medidas corretivas, a saber: • d.1 – Execução de um sistema de drenos sub-horizontais, projetado para

reduzir o nível d´água na região imediatamente a jusante da barragem. • d.2 – Extensão da berma de enrocamento de jusante do contato com a

ombreira, até a cota + 10,0m com transição de materiais adequados abaixo do aterro para evitar qualquer migração de finos.

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FIGURA 7 – O ponto de surgência esta localizado na posição do operador, visto na foto.

FIGURA 8 - Vista geral dos piezômetros Casagrande PC-1, PC-2 e PC-3. Os PC-1 e 2, estavam extravasando. Muito provavelmente a percolação no contato formado pelo pé do talude de jusante do reaterro do canal de desvio e lado esquerdo do canal, tem sua origem no colchão de areia (tapete horizontal) sob a barragem, assim como do dreno vertical (filtro vertical) próximo ao centro da barragem. Esta descarga de água limpa pode simplesmente indicar que os drenos estão operando corretamente ou em condições não previstas em projeto, podendo acarretar problemas caso o aumento de vazão de percolação venha exceder a capacidade de drenagem e promover erosões do material adjacente às paredes laterais do canal de desvio que se estende de montante para jusante. O abaulamento de parte do talude de jusante da barragem, a pequena distância abaixo da crista no sentido do muro direito do vertedouro, pode ter sido causado pela ação de encharcamento devido a chuva. Em geral, aterros sofrem algum grau de colapso por recalque devido ao encharcamento. O aterro próximo à superfície do pé do talude de jusante pode ter sido difícil de ser compactado, e a área afetada conseqüentemente, sofrido pequenos recalques, ora observados. O abaulamento é superficial e não irá de forma alguma, afetar a estabilidade da barragem. A análise dos recalques medidos nos marcos MS-03 (estaca E5) e MS-04 (entre estacas E3 e E2), posicionados provavelmente para monitorar o comportamento da interface solo-concreto da estrutura do extravasor, pode indicar problemas potenciais de fraturamento, tanto transversal quanto longitudinal do aterro. Sob o ponto de vista teórico, essas regiões do aterro podem estar associadas com problemas de incompatibilidade de deformações (interfaces solo-concreto e aterro antigo consolidado aterro novo em consolidação – Figuras 9 e 10).

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FIGURA 9 - Vista geral do maciço estrutura do vertedouro com muros laterais.

FIGURA 10 – Trinca longitudinal no talude de jusante. Os valores medidos encontram-se muito abaixo do admissível, não se constituindo em problema a médio e longo prazo. Entretanto, os marcos MS-03 e MS-04, devido a suas proximidades dos muros da estrutura de concreto do extravasor, demandam maior atenção quanto a evolução dos recalques. As deformações observadas nos marcos superficiais MS-02 e MS-03, localizados próximos ao muro lateral do vertedouro, justificam a medida cautelar. Foi registrado um escorregamento, na nova área do talude revegetado, a jusante, e próxima da barragem. A ombreira esquerda nesta área é relativamente íngreme e naturalmente, permitiu o desenvolvimento de processo de ravinamento ou sulcos de erosão, sob a ação da chuva. Observando-se fotografias tiradas durante a fase de execução do sistema de estabilização, pode-se comprovar que foi utilizado material novo com a finalidade de regularização. Sob a ação da chuva, o novo talude tornou-se instável e um substancial escorregamento ocorreu (Figuras 11, 12 e 13). O topo da cunha de escorregamento está abaixo do nível da crista e deslizou para uma nova posição, formando uma nova berma.

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FIGURA 11 – Foi utilizado material novo com a finalidade de regularização sob o ponto de vista estético.

FIGURA 12 – Talude remanescente do escorregamento. Observa-se sinais de rastejamento. A cunha remanescente e a nova berma, encontram-se numa condição instável. Isto por si só, propicia a formação de trincas de tração, as quais já são visíveis no topo e superfície da nova berma. É evidente que a parte inferior do talude (Figura 14) encontra-se num estagio de ruptura e um deslizamento pode ocorrer causando o deslocamento da base do talude para dentro do canal horizontal de drenagem (dreno horizontal).

FIGURA 13 - Vista geral do escorregamento ocorrido na ombreira esquerda.

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FIGURA 14 - Parte inferior do talude encontra-se num estagio potencial de ruptura. 4. SITUAÇÃO ATUAL Foram observadas ocorrências de surgência com água saindo na forma de “sand boil” (borbulhamento) com saída de areia. Isto pode ser originado pela presença de uma camada de areia, infelizmente não muito bem evidenciada nos desenhos de projeto. Tal fato evidencia a presença de níveis piezométricos ainda elevados na ombreira esquerda e reforça a urgência de implementação das ações já sugeridas. Como medidas preliminares recomenda-se: • observar a saída de material fino proveniente da fundação, em

suspensão; • Utilizar sacos de areia em volta das áreas atingidas, numa tentativa de

com a pressão da água na saída venha a reduzir a velocidade do fluxo de água e assim controlar a erosão;

• Observar a tendência de afundamento ou abaulamento do talude no

trecho; • Inspecionar de preferência, diariamente (considerando-se o elevado nível

do NA do reservatório, atualmente) o desenvolvimento de processo de deslizamento localizado.

5 - CONCLUSÕES Existem condições que nos levaram a sugerir a adoção das providências abaixo relacionadas; com destaque para: • Estabilização do talude na ombreira esquerda;

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• Redução dos níveis piezométricos observados nos piezômetros PC-1, 2 e 3; conforme procedimentos recomendados;

• Proteção talude de jusante, trecho compreendido entre as estacas E-1 e

E-3. Com relação aos resultados obtidos através do sistema de auscultação instalado, a Nova Barragem de Santa Helena apresenta-se em conformidade com o comportamento observado em barragens com as mesmas características, mas com problemas importantes, os quais demandaram as providências sugeridas. 6 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. EMBASA S.A. / OMPB (2002) - Dados de Leituras dos Instrumentos,

período Maio – Junho. 2. MEDEIROS, C. H. (2002/2003) - Análise e Interpretação do Sistema de

Auscultação da Nova Barragem de Santa Helena, Durante a Fase do 1o. Enchimento - RelatóriosTécnicos Nº. 1, 2 e 3.

3. MECASOLO Engenharia e Consultoria S/C Ltda. (2001) - Visita de Inspeção

à Barragem de Santa Helena, Setembro. 4. AMORIM, J. L. (2001) - Barragem Santa Helena: Relatório de Atividades –

OMPB; Janeiro, Fevereiro, Março, Abril, Maio, Junho, Julho e Agosto. 5. SRHSH / EMBASA S.A. (1998,1999, 2002) - 1a. Reunião da Junta de

Consultores / Board Meeting of Consultants Nr. 1 – RT-4-BSH-GR-EB-01-01, Agosto; 2a. Reunião Nr. 2 – RT-BSH-GR-EB-02-01, Outubro; 3a. Reunião Nr. 3 – RT-BSH-GR-EB-03-01, Dezembro; 4a. Reunião Nr. 4 – RT-BSH-GR-EB-04-01, Março; 5a. Reunião Nr. 5 – RT-BSH-GR-EB-05-01, Agosto / 99; 6a. Reunião Nr. 6 – RT-BSH-GR-EB-06-01, Novembro / 99; 8a. Reunião Nr. 8 –May / 2002.

6. JUSTO (1973) – The Cracking of Earth and Rockkfill Dams, 11th ICOLD

Cogress, Madrid, Vol. IV. 7. LONDE (1970) – Informe General Del Tema 37, Memórias Del X Congresso

Internacional de Grandes Presas, Montreal