XVII SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS

BRASILIA

AGOSTO 1987

OBSERVACOES SOBRE 0 ESTIJDO DE UM9 ATERRO HIDRAULICO EM ESCALA DE MODELO

E PROTOTIPO

TEMA IV

Eng`? Roberto C. Ferreira (*)

Eng° Jaime E. E. Peres (*)

Eng9 Luiz Carlos Mendes (**)

(*) Setor de Solos do Laboratorio Centralde Engenharia Civil da Companhia Energetica de Sao Paulo - (ESP

(**) Setor de Obras de Terra e Rocha daResidencia de Porto Primavera/Rosanada Cia.Energetica de Sao Paulo- CESP

^^^

INTRODUcAO

Em 1977, a Companhia Energetica de Sao Paulo - CESP, ini

ciou o projeto basico da Usina de Porto Primavera, situada no

Rio Parana, 270 km a jusante da Usina de Jupia e 210 km a mon

tante da Usina de 11 ha Grande, com uma potencia instalada pre

vista de 1814 MW. Em razao das grandes distancias de trans

porte, dos grandes volumes envolvidos, das condigoes de funda

gao e da disponibilidade de aluvioes na regiao do eixo, a pri

meira concepgao sugerida pela consultoria para o terrapleno da

margem direita, foi o da construgao em aterro hidraulico. Foi

entao contratada a consultoria da Hydroproject, de Moscou, em

razao da grande experiencia dos sovieticos na construgao de

aterros, pelo processo da hidromecanizacao, para barramentos

com finalidade de geragao e irrigacao.

A consultoria sovietica, em reunioes com as equipes de

projeto da CESP e da projetista da obra, relatou sua experien

cia com obras do porte de Porto Primavera, propondo para a mes

ma um programa semelhante ao desenvolvido para as obras na

URSS.

Este programa consistiu, basicamente de:

a) Analise dos dados ja disponiveis sobre o local da usi

na, como condicoes de fundagao, materiais de emprestimo, faci

lidades locais de acesso, energia etc.

b) Execucao de aterros experimentais de laboratorio, em

escala de modelo, com solos representativos dos materiais me

dios disponiveis nos emprestimos. Estes estudos, segundo a

consultoria, sao quase que suficientes para o projeto de

obras do porte de Porto Primavera (altura do terrapleno de 22

metros), em razao da grande experiencia na URSS com aterros hi

draulicos e do grande numero de correlacoes ja estabelecidas.

No caso brasileiro, serviriam como uma primeira experiencia pa

ra o estabelecimento de futuras correlacoes com os parametros

obtidos no campo (escala de prototipo) para que, num futuro

que a tecnologia sovietica ja alcangou, os estudos de campo

no fossem mail necessarios.

c) Aterros experimentais de campo, em escala de prototi

063

po, com a finalidade de se obter parametros geotecnicos pare

o projeto da futura barragem, como granulometria (principalmen

to estudos da segregagao), permeabilidade, compressibilidade e

resistencia ao cisalhamento. Especial atengao deveria ser da

da ao estudo da anisotropia dos parametros geotecnicos, uma

vez que so pode ser observada a partir de amostras coletadas

de aterros langados pelo processo de hidromecanizagao. Estes

aterros tiveram tambem a importante fungao de treinar as tecni

cos brasileiros que estariam envolvidos na futura construgao,

familiarizando-os com os diversos metodos disponTveis.

Este trabalho resume as tecnicas e principais observa

goes e conclusoes obtidas nos trabalhos de campo e de laborato

rio.

ESTUDOS EM ESCALA DE MODELO

Os estudos foram conduzidos em tanque de prova do Labora

torio de Hidraulica do CTH/EPUSP/DAEE, em Jupia. Executou-se

tres "aterros experimentais" com as seguintes caracterTsticas

basicas

a - Aspectos construtivos:

Foi utilizada uma areia aluvionar representativa da gra

nulometria media dos solos de emprestimo. Seu langamento se

deu em um canal com 11,0 m de comprimento e 0,8 m de largura ,

tendo em seu fundo uma camada de cascalho recoberto por concre

to magro. Este concreto tinha ranhuras longitudinais e trans

versais, recobertas por "BIDIM", para acelerar a drenagem dos

aterros (fig. 01).

Com o abastecimento de agua se dando atraves de um verte

douro triangular e do solo seco atraves de um silo dotado de

dispositivo de controle do gasto, a mistura de ambos, respei

tando p-roporgoes pre-estabelecidas (tab. 01), se dava numa cal

xa provida de bocais, que faziam o langamento.

064

PRAIA

CAMADA DE CONCRETO MAGRO

FIG. 01

NI^EL M'NIMO

AT

VAZAO GASTO CONSISTEN- TEMPO DE COMPRIMEN• COMPRIMEN-

T DE DE HIDRCMECA• TO DA TO DO NtJ-

R AGUA SOLO CIA DENIZA(,O PRAIA CLEO OU RE-

0N° (Us) (R/s ) PULPA ( h ) (m) GIAO CEN-TRAIL (%)

1 0,25 0,025 1:10 38,0 6,0-7,0 40

2 0,75 0,075 1:10 20,0 9,5-11,0 12

3 1,00 0,100 1:10 14,5 9,5-11,0 12

TAB. 01

0 aterro no 01 simulou o langamento com "piscina real"

que permite a deposigao de finos formando um nucleo argiloso

Os aterros nos 2 e 3 foram executado, com piscina flutuante

que no permite a formagao desse nucleo (fig. 01). A perfeita

definicao dos termos aqui citados, comumente empregados na en

genharia dos aterros hidraulicos, pode ser encontrada na ref.

b - Aspectos tecnologicos:

Durante todo o processo de hidromecanizaca'o coletou-se

amostras da mistura no local de lancamento (para aferigao da

consistencia da pulpa) e na regiao dos "stop-logs" vertedores

(para estimativa da quantidade de so-lidos perdida, atraves de

sua concentragao e para conhecer sua granulometria). Terminado

o aterro permitiu-se sua drenagem por 72 horas, ap6s o que fo

ram feitas as seguintes amostragens:

- em segoes espagadas de 0,5 m, foram cravados pequenos

cilindros amostradores no topo e base das camadas para analise

de sua compacidade e granulometria (segregagao).

- em algumas sego-es cravou-se cilindros nas dirego'es ho

rizontal e vertical e extraiu-se blocos indeformados para en

saios especiais visando avaliar a anisotropia na permeabilida_

PISCINA

FLUTUANTE

TRANSIcAO ( AREIA E SILTE)

PISCINAREAL 1MVEL MAXIMO

T

N0CL£0( SILTE E ARGILA)

065

IT'FTT I ro"T

de, compressibilidade e resistencia ao cisalhamento. Estes da

dos foram ainda comparados aos obtidos de amostras deformadas

moldadas nas mesmas compacidades , com areias dos mesmos locais,

para avaliaCao do efeito da estrutura.

Merecem ser destacadas as seguintes observacoes e resul

tados obtidos dos ensaios:

b.l) a consistencia da pulpa dificil de ser mantida

proxima dos valores desejados (10 %), mesmo em modelos. A quan

tidade de finos perdidos apos os "stop-logs" vertedores (medi

da pela concentracao da suspensao) a insignificante (0,3 g/l )

quando se utiliza piscina de sedimentacao, sendo ate 20 vezes

superior quando a piscina a transitoria;

b.2) os aterros se mostraram longitudinalmente bastante

homogeneos quanto a compacidade (que variou de 50 % a 65 % com

media de 58 %) e granulometria, so ficando evidenciada a segre

gacao nas sego-es junto as piscinas real e transitoria. Os fi

nos efluentes tem fracoes predominantemente inferiores a 10 p;

b.3) os ensaios de permeabilidade mostraram certa aniso

tropia, corn 1 < kv < 10 para amostras indeformadas. Os ensai

os sobre amostras remoldadas apresentaram valores sistematica

mente inferiores mesmo a Kv, o que mostra que a distribuigao

ao acaso dos graos cria caminhos de percolacao mais longos;

b.4) os ensaios de adensamento no sugerem influencia da

estrutura ou dos pianos de sedimentacao nos parametros de com

pressibilidade. Apenas a permeabilidade medida mostra,tambem,

valores inferiores nas amostras remoldadas;

b.5) os ensaios de cisalhamento direto sugerem certa ani

sotropia , ainda que academica , com Y. ='' < 91. Os valoresrem. ii0-medidos do angulo de atrito efetivo variaram muito pouco (30

320);

ESTUDOS EM ESCALA DE PROTOTIPO

Terminados os estudos em modelo, foi executado um ater

ro experimental de campo, 500 metros a jusante do eixo da futu

ra barragem. Alcangou uma altura final de 10 metros, sendo

que da ordem de 70.000 m3 de solos aluvionares do emprestimo

foram lancados, em camadas de um metro de espessura, pelo pro

cesso de hidromecanizacao. Durante o periodo de construcio .

066

equipes da CESP e da projetista da obra executaram controles

e observacoes , cujas principais conclusoes estao sintetizadas

abaixo:

a - Aspectos construtivos:

0 aterro experimental era constituTdo de dois diques la

terais de contengao ( transversais), compactados de forma con

vencional ate uma altura de 10 metros e de doffs diques longitu

dinais com um metro de altura cada , encerrando os quatro di

ques, em seu interior, o local onde seria feito o langamento.

No centro desta area havia um pogo de drenagem, de boca forma

da por "stop - logs", cuja finalidade era controlar a extensao

da piscina de sedimentagao e dar vazao a agua utilizada para o

transporte dos so- lidos (fig. 02).

7VB05_D LANS4MENTO

/ 1 1,30m

FIG. OZ

Os solos aluvionares dos emprestimos, estudados e delimi

tados anteriormente, foram explorados por uma draga de 300 HP

de potencia , provida de um desagregador tipo "Basket" e tubula

gao de 16" . 0 material em suspensao ( pulpa ) era transportado

por uma tubulagao de recalque de ate 400 metros de comprimen

to, com 14 " de diametro, que vencia desniveis de ate 20 metros.

Esta tubulagao galgava um dos diques de contengao transversal

(de altura de 10 metros ), onde se bifurcava em duas tubulagoes

de 10" que se dirigiam para os aterros de contengao longitudi

nal, local em que se processava o langamento (fotos 01 e 02).

Para garantir a homogeneidade da pulpa, mantinha-se o

desagregador na base da camada do emprestimo , o que causava pe

quenos escorregamentos dos taludes e a consequente mistura dos

solos dragados . Por vezes , taludes muito altos e Tngremes (fo

to 02 ), eigiam um abrandamento com equipamentos de terraplana

gem, quando cuidados especiais eram necessarios para evitar a

segregagao . A consistencia da pulpa era determinada com auxi

067

FOTO 01

FOTO 02

lio de 2 tanques de 10 m3 , processo este utilizado em razao da

indisponibilidade de equipamento de controle do tipo "drag-o-

meter " (feixe de raios T ).

A primeira camada foi executada com langamento simulta

neo pelos dois aterros longitudinais, estando o interior dos

aterros cheio de agua ( langamento submerso), para propiciar a

formagao de uma piscina de sedimentagao , no centro do aterro,

com 30 metros de largura ( 25 % a 30 % da largura total do mes

mo). Na segunda camada , ja formada a piscina central , o langa

mento foi emerso e tambem simultaneo pelos dois aterros longi

tudinais, que ja haviam sido alteados. Em razao do pequeno to

or de finos do solo, ao final do langamento o talude do espal

dar (1V : 30H ) contrastava muito com o da regiao da piscina

068

(quase 1V : 2H ), o que causava ruptura neste local. Assim, na

3a. camada optou - se pelo langamento com piscina transitoria

(so parcialmente submerso ), obrigando - se, com o controle da al

tura dos "stop-logs " do pogo de drenagem, a piscina a "transi

tar" no maximo a 15 % da largura da camada ( medida a partir do

eixo ). Ocorria entao que, quando o langamento emerso ultrapas

sava a regiao do pogo , a rapida sedimentagao formava piscinas

aprisionadas e o material langado acabava sedimentando em talu

des 1V : 2H, o que prejudicava a segregagao no espaldar. As

sim, na construgao da 4a. camada, optou-se pelo langamento por

um so dos aterros longitudinais, com tubulacao de 14" e alter

nando os lados de langamento, fazendo com que o excesso de

agua escoasse pelo espaldar oposto. Este procedimento foi uti

lizado ate a 10a. camada , que concluiu o aterro. Nas ultimas

camadas foram ainda feitas algumas tentativas de se aumentar

sua compacidade com o use de rolos vibratorios lisos. Os resul

tados foram insatisfatorios havendo mesmo locais em que houve

perda de compacidade.

b - Aspectos tecnologicos

0 controle tecnologico do aterro foi efetuado em duas

etapas , no proprio campo e em laborat6rio. No local de langa

mento eram executados os servicos de controle da consistencia

da pulpa, da concentragao da agua efluente , da compacidade re

lativa , da umidade do aterro e da segregagao (granulometria).

Terminado o langamento e permitida a drenagem , era efe

tuada a coleta de amostras indeformadas e deformadas em egoes

afastadas 0 m, 20 m e 30 m do bocal de langamento com o firr. de

avaliar o efeito da segregagao nos parametros geotecnicos de

interesse ao projeto (permeabilidade e resistencia ao cisalha

mento), bem como pesquisar uma eventual anisotropia nos mesmos

devido a deposiga o por camadas.

As seguintes observagoes e resultados de ensaios merecem

destaque:

b.1)0 controle da cons istencia da pulpa conduziu a valo

res medio de 8,9 maximo de 32 , 2 e mTnimo de 0,3 %;

b.2) as determinacoes da concentracao da agua efluente

mostraram valores medio de 3,9 g / l, maximo de 10,3 g/l e mini

mo de 0,3 g/l;

b.3) as compacidades relativas , determinadas apos certa

069

drenagem do aterro, mostraram valores bastante dispersos, vari

ando de 45 % a 70 %;

b.4) as analises granulometricas mostram evidencias de

segregagao, coerente com o processo de langamento empregado,

tendo os materiais mail proximos do bocal granulometria pouco

mais grossa (fig. 03). Note-se que este fato nao foi eviden

ciado claramente nos estudos em escala de modelo;

10 90

30 TO

r 4

600P P

6 40

70

o •qE

E F ^

^o / o0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

% AREIA MEDIA

FIG. 03

b.5) esta segregacao, no entanto, no se refletiu no pa

rametro permeabilidade (em media da ordem de 2,0 x 10-2cm/s in

dependentemente da distancia ao local de langamento);

b.6) ja na resistencia ao cisalhamento (variivel no "ran

ge" 300 - 430), ha um decrescimo medio de apenas 20, das amos

tras extraidas junto ao bocal para as mais finas extraidas a

30 metros;

b.7) quanto a anisotropia do parametro permeabilidade, a

mesma a insignificante, obtendo-se Kl = K// - Krem.',, fato bas

tante diverso do encontrado no aterro de modelo (1 <' < 10);

b.8) os ensaios de cisalhamento direto mostraram que a

anisotropia da resistencia ao cisalhamento nas diregoes parale

la e perpendicular aos pianos de sedimentaga o a coerente, com

Yi - Tii = 30. Observou-se ainda que rem < 9i/ o que tornarem.

os ensaios sobre amostras remoldadas conservativos;

b.9) cabe por fim salientar que o processo causa estrati

ficagoes bem visiveis, observadas nas amostras coletadas e

trincheiras abertas (fotos 03 e 04).

070

FOTO 03

AVALIAQAO DO POTENCIAL DE LIQUEFACAO

FOTO 04

Apesar de a tecnologia sovietica ja ter amplo domTnio so

bre a construcao de aterros hidraulicos, mesmo em regioes sTs

micas, o Board de consultores de Porto Primavera demonstrou

preocupagao com a seguranga da obra com relagao a liquefagao,

causada, seja na fase construtivaou, principalmente, na fase

de enchimento e operagao, em razaao de sismos induzidos. Ha que

se adicionar como fatores complicadores que a obra deveria ser

construTda sobre aluvioes finos saturados, de elevado custo de

remogao, possuindo um lago de enorme volume situado a montan

to de duas grandes barragens (Ilha Grande e Itaipu).

Assim, foram conduzidos inicialmente ensaios especiais,

estudando o potencial de liquefacao destas areias, baseados

nos criterios de CASAGRANDE, FIEDLER e TAYLOR, estudos estes

que se mostraram no conclusivos, optando-se entao pela execu

gao de ensaios segundo a tecnica desenvolvida por GONZALO CAS

TRO, em Harvard. Esta tecnica utiliza ensaios no drenados sa

turados que sao conduzidos a liquefagao, fenomeno este regis

trado por transdutores acoplados a dispositivos automaticos de

aquisicao de dados (fotos 05 e 06).

Cuidados especiais foram tomados para se eliminar a in

fluencia de efeitos indesejaveis nos resultados dos ensaios

(utilizagao de cabegotes lubrificados, celulas de carga na ba

se do corpo de prova, transdutores eletricos de deformagao e

pressao neutra etc.) o que garantiu a obtengao de dados confia

veis. Foram estudadas 3 diferentes areias, representativas da

fundagao e do aterro experimental de campo, variando-se a com

pacidade relativa dos corpos de prova desde 0 (conseguida

071

FOTO 06

FOTO 05

com tecnica de moldagem umida) ate 50 % , sendo conduzidos a

ruptura com pressoes de confinamento convenientes, de forma a

uma boa definicao das curvas de liquefacao (fig. 04 e 05).

0

0

0

LEGENDA

o--0AREIA Dc OAREIA EA--fl ARIA F

0,01 _0,1 1,0

Car-NA RUPTURA(k%,4

2

m)

FIG. 04

8'lop

' LEGENOA

AREIA D

AREIA E

A--t AREA F

0p

OA

07

06

13

1

2 4 68 2 4 68 2 4 68

Car-NA RUPTURA( kg/Cm)

IG. 05

As curvas mostram que, Para a gama de pressoes confinan

provocadas por aterros de altura da ordem de 50 metros) a li

quefagao total so a alcancada para compacidades relativas in

feriores a 50 %. Note-se que no aterro de campo as compacida

des medias obtidas variaram no"range"de 45 % a 70 %, o que pra

ticamente afasta a hipotese de uma liquefagao total daquele

terrapleno. Os estudos mostraram ainda que as areias mais

grossas e bem graduadas (areia E) sao menos suscetiveis de li

tes de ate 5,0 kg/cm (pressoes verticals da ordem de 10kg/cm2 7

072

quefacao que as finas e mais uniformes (areia D), fator a ser

considerado,nos trabalhos futuros,na selecao dos materiais de

emprestimo.

CONCLUSOES

A tecnica descrita neste trabalho , como visto, a si,m

pies, de alta producao, utiliza materiais de construgdo "pouco

nobres" e pode ser aplicada em qualquer estacao do ano. Exige

ainda um diminuto quadro de pessoal para langamento e fiscali

zagao e requer poucos equipamentos de langamento, (fotos ,

08 e 09). Apesar de o solo empregado nesta experiencia no

ser dos mais favoraveis por ser muito uniforme (o que diminui

a segregacao e consequentemente a viabilidade de formagao de

um nucleo menos permeavel) conseguiu-se um aterro de boas ca

racterTsticas geotecnicas, principalmente uma compacidade que

oarante a sua estabilidade e o protege da liquefagao. Eventu

ais perdas de agua por percolagao, no caso de barragens ou fun

dago'es muito homogeneas e/ou permeaveis, podem ser evitadas

com a construga'o de "cut-offs" e cortinas de vedagao. A dispo

nibilidade de solos mais bem graduados e com um teor de finos

pouco mais elevado (que possibilite a formagao de um nucleo

mais impermeavel) certamente viabilizara a construga'o de ater

ros por este processo.

A execugao de aterros em escala de modelo deve ser in

centivada, em paralelo aos estudos de campo, de forma a enri

quecer as correlagoes ja aqui estabelecidas, principalmente

quando do use de materiais que possibilitem uma maior segrega

gao.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem a todos os colegas da CESP - Compa

nhia Energetica de Sao Paulo - que participaram das experien

cias aqui descritas, apoiando e possibilitando a execugao des

to trabalho.

BIBLIOGRAFIA

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encia adquirida na construgao de um aterro hidraulico expe

rimental , VIII Congresso Brasileiro de Mecanica dos Solos e

Engenharia de Fundagoes , Porto Alegre , evento a ocorrer.

RESUMO

Este trabalho pretende sintetizar a experiencia t6cnica

obtida nas diversas fases de estudo de um aterro hidraulico

construTdo, a titulo experimental, pela CESP - Companhia Ener

getica de Sao Paulo, na decada de 70. A sTntese aborda, prin

cipalmente, 4 trabalhos tecnicos a respeito do tema e pretende

divulgar e ressaltar as principais conclusoes que os mesmos en

feixam.

075