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INVESTIGACAO GEOMECANICA A JUSANTE DE

VERTEDOUROS COM DISSIPADOR EM SALTO DE ESQUI

S6rgio Nertan Alves de BritoConsultor em Geologia de Engenharia

1. INTRODUCAO

S6 muito recentemente os programas de investigagao para as barragens t6m dedicado alguma importanciaas areas a jusante dos vertedouros. Em geral pouca ou nenhuma atengao era dada aos estudo dos macigosrochosos para previsao da erosao causada por vertedouros. 0 motivo era considerar este um campoeminentemente da engenharia hidraulica. Seus estudos eram conduzidos em modelos reduzidos ou atrav6sde equagoes matematicas semi-empfricas. Para ambos os casos o parametro geomecanico solicitado eraapenas o tamanho dos "blocos" de rocha envolvidos na erosao, normalmente avaliado com base eminspegao superficial ou extrapolado de outras areas do projeto melhor investigadas.

A entrada dos profissionais de geotecnia nos estudos dos problemas de erosao a jusante de vertedouros emparceria com seus colegas hidraulicos 6 um grande e promissor avango.

Este trabalho pretende contribuir num dos aspectos importantes nos estudos: o da caracterizagaogeomecanica. Urn esbogo de classificagao geomecanica ainda tentativa sera tamb6m apresentado paradiscussao. Ouestoes como a modelagem fisica, modelagem matematica, instrumentagao e estudosanalfticos nao serao aqui abordados.

0 trabalho considera principalmente os vertedouros com dissipador em salto de esqui para os quais oproblema pode ser considerado mais importante. 0 assunto interessa tamb6m aos vertedouros de quedalivre, com bacia de dissipagao e com calha nao revestida que, no entanto, numa primeira instancia, podemser considerados casos particulares dos estudos aqui propostos para o salto de esqui.

2. ESFORC.rOS ATUANTES NO MACIIgO ROCHOSO A JUSANTE DOS VERTEDOUROS

2.1 Esforgos Naturals

• Gravitacionais

Nas superffcies horizontais os esforgos gravitacionais atuam a favor da estabilizagao da rocha enquan-to que nas paredes da fossa existe sempre uma componente desses esforgos que tende a instabilizaros blocos.

• Estado de Tensao NaturalAs encostas e o fundo dos vales, onde sao normalmente construldos os vertedouros, possuem umcampo de tensao particular. 0 processo de erosao natural produz o alfvio das tensoes normais asuperffcie do terreno e a manutengao das tensoes paralelas a superffcie do terreno (de uma maneirageral leva ao aumento da relagao entre as tensoes horizontais e as verticals). A fig. 1 mostra umesbogo do campo de tensoes condicionado pela topografia junto as paredes dos vales.

Uma situagao bern comum 6 causada pela diferenga entre o estado de compressao existente no sop6de uma encosta ingreme e na area adjacente do leito do rio, bern mais relaxada, quando o vale 6muito largo (Fig. 1 b). As duas regioes apresentam significativa diferenga quanto a resistencia a erosao.

2.2 Ag6es Hidraulicas na Bacia de Langamento

As agoes hidraulicas que ocorrem na zona de impacto podem simplificadamente ser resumidas:

• Correntes de alta velocidade (de fundo e laterals)

Podem causar a desagregagao e remogao do material na regiao do impacto do jato. 0 cisalhamentoocasionado 6 muitas vezes suficiente para arrancar partfculas do material quando a forga de ligagaoentre elas 6 fraca, como nos solos e rochas brandas. Rochas fraturadas sao desarticuladas.

Causam tamb6m o levantamento e movimentagao das partfculas soltas dentro da bacia, resultando oentrechoque dos fragmentos entre si e com o fundo/paredes, levando a cominuigao do material e aodesalojamento de novos fragmentos. Produzem tamb6m o transporte do material para fora da bacia.Este 6 o efeito dominante nas calhas rochosas nao revestidas e um dos mais importantes a jusantedos vertedouros com bacia de dissipagao.

• Oscilagao de pressoes devida ao impacto e escoamento do jato

A defasagem entre as pressoes que se estabelecem nas descontinuidades da rocha e a pressao

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dentro da bacia podem causar o desalojamento de blocos de rocha, Esta acao a de grandeimportancia nos vertedouros corn salto de esqui.

3. PREVISAO DA PROFUNDIDADE DA FOSSAApesar da grande complexidade do fenomeno hidreulico o problema besico pode se resumir na preyisao daprofundidade da erosao o que a normalmente resolvido por meio de equagoes matematicas ou atraves demodelos hidreulicos reduzidos. Em ambos a major dificuldade e a representagao das caracterfsticasgeomecanicas do macigo.

As equagoes mais usadas sao de grande simplicidade quanto aos parametros hidreulicos intervenientes epraticamente desprezam as caracterfsticas geomecanicas, ou as reduzem a um parametro relativo edimensao dos blocos de rocha, o que sere mais discutido no item 5. Quanto aos parametros hidreulicos, osmais usados sao a carga hidreulica, definida como a diferenga de nivel entre o NA de montante e o dejusante (H, m) e a vazao especifica medida na saida do defletor (q-m3 /slm). A altura de lamina de egua nafossa (tirante hidreulico) no inicio da operagao (h) tambem a considerada em algumas equagoes.A equagao geral seria:

de = KgXHyh"'/dZg%

Sendo g a constante gravitacional e d uma dimensao qualquer ligada ao tamanho dos blocos unitarios darocha, estes parametros podem ser incorporados A constante geral K que passa a ter urna conotaraogeomecanica e a equagao se simplifica para:

de = K qX Hy h"'

Nessa equagao, de a medido a partir do NA de jusante. A variagao deste NA para condigoes diferentes defluxo (em alguns casos dezenas de metros) torna este referencial muito impreciso. A profundiade de erosaopropriamente dita, isto e, a partir da superffcie da rocha seria (Fig. 2):

E = de - h

Considerando que o valor do tirante hidreulico je esta incluido na parte a esquerda da equagao (de = E + h)a equagao pode sofrer uma ultima simplificagao tornando-se bastante pratica.

de = K qX Hy

Esta e a maneira como a equagao a usada por verios autores como Veronese [10], Damle [6], Martins [5],Taraimovich [6].

4. SEQUENCIA DE EROSAO EM MACIQOS ROCHOSOS

4.1 Fases do Processo Erosivo

Qualquer processo de erosao implica no desalojamento e transpote de partfculas do macigo. No caso deerosao a jusante de vertedouros a agua atua com elevada velocidade e turbulencia diretamente sobre omacigo removendo partfculas de verios tamanhos e movimentando-as, produzindo seu entrechoque comconsequente fragmentagao/abrasao, e resultando no seu transporte a distancias diferenciadas. Assim numprocesso de erosao podem ser reconhecidas 4 fases:

DesalojamentoMovimentagao/EntrechoqueTransporteSedimentagao

O fluxograma da Fig. 3 mostra esquematicamente como estas varias fases se relacionam.

4.2 Estagios do Processo Erosivo

A evolugao do processo erosivo leva a modificagoes importantes nas condigoes a jusante dos vertedourosresultando inicialmente na formagao de uma fossa de erosao cujo tamanho aumenta com o tempo. Aformagao de um colchao de egua atenua o efeito da erosao sobre o macigo e o fenomeno tende a umaestabilizagao. As fases da erosao tern sua intensidade alterada substancialmente no decorrer dos seus veriosestagios. Simplificadamente podem ser considerados apenas tres estagios adaptando o esquema propostopor Akhmedov [1 ]:

• Estagio InicialA agua impacta diretamente sobre o macigo, praticamente sem tirante. Domina a fase de desalojamen-to. Geram-se grandes blocos, caso o macigo o permita, que sao depositados imediatamente a jusanteformando barras. Este estagio pode ser eliminado se houver uma pre-escavagao da fossa.

• Estagio Intermediario

Formada uma fossa de erosao o ritmo de desalojamento dos blocos diminui e domina amovimentagdo dos blocos com o consequente choque entre si e contra as paredes tornando mais im-

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portantes as fases de fragmentagao e abrasao . Os blocos transportados tendem a ser menores e osriscos de formagao de barras diminuem.

• Estagio Final

0 grande desenvolvimento da fossa vai cada vez mais impedindo o desalojamento de blocos grandes.A abrasao torna-se o processo dominante de erosao . Os fragmentos formados tendem a diminuir esao removidos para longe. 0 processo tende a estabilizagao.

0 esquema de Fig. 4 mostra simplificadamente a evolugao do fenbmeno nos seus varios estagios, o domfniodas Arias fases e tambem dos resultados da erosao.

4.3 Influancia do Tipo de Vertedouro

Uma diferenga fundamental entre os quatro tipos de vertedouro aqui considerados, queda livre, salto deesqui , bacia de dissipagao e calha nao revestida e o angulo de impacto/agao da agua.

No primeiro caso o angulo a quase vertical, normal a superffcie. Para o salto de esqui os angulos sao emgeral na faixa de 200 a 40°. Nas bacias de dissipagao o angulo a muito baixo , na faixa de 10° e nas calhasnao revestidas o fluxo se da paralelamente a superffcie. A agao erosiva, para a mesma energia vertente, etanto mais intensa quanto major o angulo de impacto o que exige consideragoes diferentes para cada umdos tipos de vertedouro, o que sera retomado mais a frente. Por outro lado a importancia dos varios estagiosde erosao varia bastante, sendo consideravel para os dois primeiros tipos e menor ou mesmo despresfvelnos ultimos.

4.4 A Evolugao do Processo Erosivo no Tempo

Como foi visto no item 3 a energia hidraulica do jato pode ser simplificadamente "medida" com base em doisparametros: a diferenga de nfvel de agua de montante para jusante , ja comentada e a vazao especffica q.Este ultimo parametro, sendo fungao da vazao vertida, precisa ser melhor analisado.

As previsoes de erosao tern sido normalmente feitas com base na vazao maxima de projeto a qual entretantonao a atingida na grande maioria das barragens. Ao longo da sua vida util os vertedouros vertem apenasuma fragao daquela vazao maxima.

Alem do mais a questao "tempo" nao pode ser deixado de lado: como se comparam os efeitos de uma vazaode grande intensidade atuando durante um tempo curto com aqueles de uma vazao de menor intensidademas atuando mais prolongadamente? Alguns autores consideram que o valor de pico da vazao a que con-trola as dimensoes da erosao. Entretanto a necessario ter em conta as varias fases da erosao e os seusvarios estagios. No estagio inicial, havendo a agao direta sobre o macigo rochoso, a remogao do material seda em grande velocidade. Com o aumento progressivo da fossa e correspondentemente do tirante hidraulicoo ritmo diminui tendendo a estabilizar. 0 efeito initial a principalmente no aumento da profundidade e depoisno volume da fossa.

Em outro trabalho deste congresso [8], ilustra-se este ponto. Existe uma tendencia a uma estabilizagao daerosao, atingida nos primeiros anos de operagao do vertedouro (5 anos). Os autores entretanto alertarampara o fato que as informagoes se referem as vazoes vertidas ate o momento considerado. 0 caso deJaguara a interessante pois mostra que mesmo tendo a profundidade se estabilizado ha bastante tempo, ovolume erodido continua aumentado, apresentando uma tendencia menor a estabilizagao. No estagio emque se encontra, nao havendo aumento na vazao de pico vertente, a erosao se processa basicamente porentrechoque (abrasao/fragmentagao) e correntes laterals. Caso venha a ocorrer uma vazao de pico substan-cialmente maior que aquela ate agora vertida o processo de aprofundamento da fossa sofrera umaaceleragao e a fossa sera desestabilizada. Certamente tal fato ocorreria com qualquer dos outros ver-tedouros ilustrados no trabalho. Uma curva "real" da evolugao da erosao parece se constituir por umasequencia de degraus cada um formado por uma curva de estabilizagao e correspondendo a umdeter-minado nfvel de vertida.

5. PARAMETROS GEOMECANICOS USADOS EM TRABALHOS ANTERIORES

Na major parte das equagoes que calcularn a profundidade da erosao o unico parametro considerado e odiametro do bloco de rocha: D medio ou o D9o.

A introdugao de parametros geomecanicos diretamente nas fbrmulas de calculo, pela complexidade doproblema e pela enorme quantidade de variaveis, a uma tarefa diffcil.

Um outro enfoque seria a utilizagao de equagoes simples, Como as mostradas no item 3, destitufdas deparametros geomecanicos, mas cujo resultado final pudesse ser ajustado com base em uma classificagaodos macigos especialmente elaborada para a finalidade considerada. Algumas classificag6es ja foramapresentadas.0 sistema de classificagao proposto por Spurr [11] esta mostrado na Fig. 5 e tem por base o conhecido sis-tema de Bieniawski (RMR), do qual herdou os seguintes defeitos principals:

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- 0 use do RQD que nao possui expressao fisica nos mapeamentos.- A utilizacao de parametros que possuem uma grande interrelacao, como o ROD e o espagamento

de juntas, a resistencia a compressao simples e o grau de intemperismo, etc...

A principal desvantagem entretanto do sistema proposto por Spurr 6 o canter hermetico de suas classes,que pressupoem existir uma correspondencia entre os varios parametros considerados. Por outro lado deve-se reconhecer que, na identificarao dos parametros, Spurr apresentou um avanco consideravel, ao ter emconta:

- Espacamento entre juntas.

- Compressao uniaxial da rocha intacta.

- Grau de intemperismo.

- Condig es das Paredes das juntas.- Angulo entre as descontinuidades e a diregdo do jato.- Resistencia do macico segundo o criterio de Hoek e Brown.

Antunes e Infanti [3j apresentaram a unica proposta brasileira ate o momento publicada (Fig. 6). Usararncomo base a classificagdo de K. John.

Apenas dois parametros sao considerados: a resistencia a compressao simples da rocha intacta e oespacamento das juntas corn os seguintes valores:

Resistencia (MPA) Esparamento de Juntas (m)

Al - 100 (muito alta) F1 - major que 3

R2 - 50 - 100 (alta) F2 - 1 a 3

R3 - 25 - 50 (media) F3 - 0,25 a 1

R4 - 10 - 25 (baixa) F4 - 0,05 a 0,25

R5 - 10 (muito baixa) F5 - menor que 0,05

Nesta classificacao a correspondencia entre os dois parametros nao a fechada. Nota-se que o fraturamentodecresce de importancia a medida que a rocha se torna mais fraca, o que a 16gico.

As classes propostas pelos autores atendem ao fenomemo da desagregacao do macico mas nao ao dodesalojamento de blocos individuals. Os autores abordam entretanto com muita propriedade as questoes deforma do bloco unitario, do preenchimento, abertura e irregularidade das juntas, bern como de condicionan-tes construtivas, como efeito de detonagdo, e tratamentos geomecanicos, mas nao indicam como elesdevern ser tidos em conta na classificacao.

6. CONDICIONANTES GEOMECANICAS

6.1 Desalojamento de Fragmentos

a) Cisalhamento Por Correntes de Alta Velocidade e Turbulencia.

E controlado pela resistencia da rocha. A resistencia a considerar seria a resistencia a erosvo queentretanto nao a ainda padronizada entre n6s. Ha entretanto uma boa correlag5o com a resistencia acompressao simples como consideram os autores anteriores. E claro que a urn parametro relativo, istoe, depende do valor do esforro aplicado: a adjetivacao deve ser evitada pois urn macico resistentepara determinadas condicoes hidraulicas pode nao ser pars outras.

Partindo da proposta inicial das faixas definidas por Antunes e Infanti sao sugeridas algumassimplificacoes. A classe R3 corresponde aos concretos de alta resistencia (estruturas protendidas) e aclasse R2 aos concretos de baixa resistencia (magros). De uma maneira simplificada podemos reuniras classes de resistencia em apenas tres:

R1 - Rochas mais resistentes que os concretos (superiores a 50 MPa)

R2 - Rochas de resistencia equivalente aos concretos (10 a 50 MPa)

R3 - Rochas brandas (2 a 10 MPa) e solos (abaixo de 2 MPa).Ao descrever uma rocha decomposta deve-se incluf-la em uma das classes anteriores. Para as rochasmais comuns, em geral os grau de decomposicao D1 corresponde a Al, D2 a R2, D3 a R3 e D4 a R4(neste caso incluida em R3). Esta resistencia e a que controls o inicio do processo erosivo. Frequente-mente os macicos sao heterogeneos seja pela ocorrencia de varios tipos litol6gicos, seja pelaexistencia de faixas decompostas. A ocorrencia de zonas fracas (ou decompostas) no macico temimportancia primordial no seu comportamento. Quando a porcentagern de ocorrencia a baixa(digamos menos que 10%) podem ocorrer duas situacoes: zonas concentradas, corn efeitos apenaslocalizados ou zonas finas disseminadas e caracterizadas portanto como descontinuidades decom-postas. Caso as zonas decompostas dominern o macico (mais que 50%) sua resistencia e a que seriaconsiderada. Percentuais intermediarios (10% a 50%) exigem grande dose de interpretacao, para o


que se deve ter em conta o seguinte:

• 0 processo de erosao a obviamente iniciado pelas partes macs fracas.

• A Evolurao do processo depende da resistencia a erosao e tamanho dos blocos remanescen-tes.

• A resistencia do conjunto pode ser considerada como um valor ponderado usando um metodocomo o sugerido por Laubscher [4].

b) Desarticulacao de Blocos por Oscilarao de Pressoes.

fE controlada pelo tamanho dos blocos que podem se formar e pelas condigoes das juntas. Pararochas excessivamente fraturadas ocorre uma desarticulacao progressiva do macigo que edesagregado em fragmentos facilmente carreados pela agua. 0 numero limite para rochas fragmen-tadas considerado normalmente como 0,05 m independe da forma do bloco e do tipo da descon-tinuidade. Entretanto Antunes e Infanti [3] ja mencionam o limite 0,25 m como correspondendo amaterial solto em analises de erosao o que esta de acordo com a experiencia de Jaguara [8], quemostra que um indice de fraturamento de poucos decfinetros (20 a 40 cm) ja a excessivo e facilitaenormemente a erosao. Para fragmentos maiores a forma do bloco a condicionante importante, Comorealgado por Antunes e Infanti [3].

Aplicando o conceito anterior, o presente Autor considera que o Padrao Estrutural do macicorochoso a um fator dominante no comportamento diante da erosao. Propoe a seguinte caracterizacao,usando a terminologia proposta por Antunes e Infanti [3], ampliando um pouco suas classes e or-denando no sentido de estabilidade decrescente:

PE1 - Macico Compacto - Possui apenas juntas aleatbrias, sem padrao estrutural, descontfnuas,sem preenchimento (rocha x rocha). Um exemplo tfpico sao os basaltos amigdalbides, asbrechas basalticas ou arenosas, quando destituidas de juntas horizontais.

PE2 - Macicos Colunares - Possui 2 ou mais sistemas de juntas isolando colunas de rocha corncomprimento bem superior a dimensao lateral, o que resulta em grande resistencia lateralde bloco ao deslizamento. 0 exemplo mais tfpico e o basalto denso colunar, comum emvarias barragens brasileiras.

PE3 - Macicos de Blocos Cubicos. Os espacamentos entre as juntas (3 sistemas) a da mesmaordem de grandeza e os angulos entre si sao retos.

PE4 - Macicos Tabulares - Um sistema de juntas domina inteiramente os restantes. Tfpico dasrochas sedimentares.

PE5 - Macicos Piramidais. Os sistemas (3 famllias) sao de espagamento da mesma ordem degrandeza mas os angulos entre si e de mergulho sao inclinados (tipicamente 30° a 60°).Rochas metamorficas.

PE6 - Macico de Fraturamento Caotico. Possui juntas em praticamente todas as direcoes e comvarios angulos de mergulho (de vertical a horizontal). 0 exemplo mais marcante e o deJaguara.

Blocos prismaticos alongados podem ser considerados como um caso intermediario entre PE2 e PE3enquanto blocos prismaticos achatados entre PE3 e PE4. Macicos tabulares podem ser inclufdos emPE2 e PE5 dependendo da inclinacao, porem neste caso com comportamento fortementeanisotrbpico.

Este conceito a direcional e deve ser considerado em funcao da superffcie livre de erosao (horizontalpara o (undo, inclinada/vertical nas paredes). Alem do mais a orientacao da superffcie, principalmenteno (undo, tende a mudar durante a evolucao do processo, podendo passar de horizontal a inclinada(quase normal ao jato).

Duas questoes controladas pela orientacao das juntas merecem comentario. A primeira e a facilidadede penetracao da agua no macico. Neste caso quanto mais paralela a direrao de impacto do jato maisdesfavoravel. 0 outro ponto e a facilidade de arranque do bloco do seu alveolo que a entao controladapela orientacao da superffcie. 0 Autor, neste trabalho, da mais enfase a este segundo, por julga-lomais condicionante.

Para blocos grandes o desalojamento a provocado pela flutuacao das pressoes que se estabelecemdentro do macico, e pela possibilidade de movimentacao de um bloco da rocha. Para que as pressoesde agua se estabelecam dentro do macho a necessario que a rocha possua juntas abertas. Nasexperiencias de Yuditski [12], foi estabelecido o criterio de abertura crftica (2mm no caso de seus en-saios). Em qualquer macico a variabilidade das condicoes a tao grande que este conceito a de poucautilidade. Caso ocorram juntas abertas, existira sempre uma que possua a abertura crftica. A medidaque o processo se inicia, o quadro muda inteiramente pela movimentacao dos blocos produzida pelas


vibragoes, pelo entrechoque e pelo desconfinamento. Neste aspecto o que vale diferenciar e a pos-sibilidade ou nao da existencia de juntas abertas, normais e paralelas a superficie estudada. Assim oparametro a simples: juntas abertas ou fechadas. A experiencia de Jaguara [8] cujas juntas sao com-provadamente justapostas em profundidades ou pelo menos possuem abertura apenas nominalmostrou que a desagregagao da rocha pode ser muito intensa quando os blocos formados sao pe-quenos (decimetricos).

JA a movimentagao dos blocos se da pelo deslizamento ao longo das descontinuidades e e controladainicialmente pela sua forma. Blocos planares podem quebrar a flexao/tragao. Blocoscolunares/cubicos, com paredes perpendiculares a superffcie livre, so podem deslizar se as paredesforem muito fracas, nao existindo qualquer dilatancia. Este e o caso de juntas decompostas ou cornpreenchimento , quando a espessura do material fraco a suficientemente grande para impedir amobilizagao da dilatancia.

A grande variabilidade das espessuras ocorrentes em uma mesma area impede que tambem se fixeurn valor crftico. Existira sempre urn ponto por onde o processo pode ser desencadeado. Tambemaqui consideramos apenas a decisao dicotomica: com preenchimentos espessos e sempreenchimentos espessos.

Assim a caracterizagao dos Tipos de Descontinuidades (TD) proposta a muito simples:

TDO - Seladas, cimentadas. Nao tern importancia na erosao. Caracterizam apenas os macigos PE1.

TD1 - Juntas justapostas. Podem estar fechadas em profundidade mas corn baixa ou nenhumaresistencia a tragao, permitindo a desarticulagao completa da rocha. 0 macigo pode serimpermeavel.

TD2 - Juntas abertas. Permitem o acesso de agua ao interior do macigo mas apresentamresistencia elevada ao deslizamento (dilatancia).

TD3 - Juntas decompostas ou com preenchimento espesso, cuja espessura ultrapassa aamplitude das descontinuidades. 0 preenchimento a em geral erodfvel.

No caso dos blocos piramidais ou em cunha o angulo de inclinagao das juntas, em relagao a face livree a condicionante principal, quando comparada com a resistencia ao cisalhamento da junta. Para estecaso valeria uma melhor caracterizagao de TD2.

Devido tambem as grandes variagoes de mergulho das descontinuidades observadas em urn mesmolocal, o Autor preferiu generalizar o caso considerando que sempre existirao orientagoes e formasdesfavoraveis. Para condigoes mais homogeneas analises especificas podem ser executadas, adap-tando o sistema proposto.

Para que o bloco seja movimentado (e posteriormente transportado) o seu peso e portanto o tamanhotambem sao condicionantes definitivos. Resolveu-se adotar o diametro medio do bloco a ser formadocomo a caracteristica principal, seguindo a escala abaixo, fungao do espagamento medio das descon-tinuidades:

E1 - blocos maiores que 3m

E2 - blocos de 1 a 3 m

E3 - blocos de 0,5 a 1 m

E4 - blocos corn menos de 0,5mEntretanto a importante ter em conta que o diametro medio nao a constante podendo ocorrer uma grandevariagao ao longo da area de interesse. Deve-se procurar obter a curva de distribuigao dos diametrosprovaveis de blocos (curva granulometrica) que permite uma analise mais realista desta condicionante noprocesso erosivo.

6.2 Fragmentagao / Abrasao

0 deslocamento de urn bloco grande do seu alveolo pode nao significar seu carreamento para fora da fossapodendo o mesmo permanecer. Porem o entrechoque dos blocos pode levar a sua fragmentagao e/ouabrasao. Este fenomeno a controlado tambem pela resistencia e pelo grau de fissuragao da rocha. 0 grau deresistencia ja foi comentado. Interessa a resistencia da rocha intacta que governara o comportamento dosblocos sujeitos ao entrechoque.O grau de fissuragao da rocha (ou fragmentagao) deve incluir todas as descontinuidades existentes, desdeque tenham resistencia a tragao baixa e permitarn a fragmentagao da rocha no entrechoque. Por exemplouma junta preenchida com calcita, de pouca importancia no desalojamento, deve ser considerada no graude fragmentagao. Seu espagamento pode ser medido dentro do mesmo criterio do fraturamento.

6.3 Transporte

Blocos muito grandes tendem a ficar dentro da fossa. Os grandes saem da fossa mas se acumulam logo a


jusante formando barras. Os outros sao levados para longe.

E claro que esta observagAo depende dos casos especificos considerados. 0 importante a que esteparametro deve ser analisado estatisticamente, atravas de uma curva acumulada da frequencia dosespacamentos, de modo que os volumes removidos e remanescentes possam ser avaliados. A escala a amesma adotada em 5.1.

7. SISTEMA DE CLASSIFICAQAO PROPOSTO

As seguintes caracteristicas foram selecionadas para a classificacao dos Macigos quanto a sua erodibilidadea jusante de vertedouros:

• Resistencia

• Padrao Estrutural

• Espagamento de Juntas

• Tipo de Descontinuidade

Procurou-se adotar inicialmente um Sistema de Classificarao puramente descritivo, sendo o agrupamentonas varias classes feito com base numa previsao de comportamento levando em conta experlancias comprojetos conhecidos. Um sistema de classificacao numarico esta em desenvolvimento e que sofrera osdevidos ajustes a casos histbricos documentados.

A vantagem do sistema proposto a que, em funcao de sua grande simplicidade, a deixada grande margemde atuagAo ao usuario, o que a aconselhavel nesta Ease inicial onde nenhuma experiancia individual pode sermenosprezada.

0 quadro mostrado na Fig. 7 apresenta o sistema de classificagao proposto, para a resistancia de rocha R1 eR2. A resistancia R3 gera sempre macigos MV. A diferenciacao entre R1 e R2 tem importancia apenas nosajustes secundarios. Tambem machos com PE1 (compactos) sao considerados como MI e foram eliminadosdo quadro.

Apos determinada a Classe do Macigo no quadro, alguns ajustes podem ser feitos em funrao de fatores con-dicionantes secundarios.

• Resistencia da Rocha.

Rochas R1 tendem a uma evolurao mais lenta ao longo do tempo, nos estagios macs avangados ondedomina a abrasao.

• Estado de tensao.

Compressoes na fossa ajudam a estabilizacao prematura da erosao, mas sb se desenvolvem quandoa forma se torna um tanto arqueada. Antes existem traroes ou pelo menos tensoes verticais aliviadas,que facilitam a erosao. Zonas comprimidas no pe de encostas ingremes inibem a evolugao dofenomeno.

• Distribuig5o granulometrica de blocos.

A existancia de uma grande percentagem de blocos grandes nas "curvas granulomatricas" tambemdificulta o prosseguimento da erosao. Presenga de "fagmentos pequenos" pode facilitar o inicio doprocesso. Fragmentos muito grandes ficam na fossa sujeitos ao entrechoque ou formam barras ajusante.

• Anisotropia da rocha.

A presenga de uma direcao preferencial de descontinuidades na rocha pode levar a um comportamen-to anomalo, formando a erosao mais em determinado sentido, dando origem a um forma assimatrica.

• Heterogeneidade.

Um contraste muito forte de resistancia entre os materiais da fossa pode tambem dirigir a erosaolateralmente e agravar a situacao localmente.

• Detonacao.

Superffcies detonadas apresentam major propensao a erosao, pelo menos inicial, pela abertura dasjuntas e uma maior fragmentag5o da rocha. Este ponto pode agravar a erosao e deve penalizar ofndice tanto mais quanto menos cuidadosa for a escavag5o.

• Tratamentos geomecanicos

• Tratamentos de reforco do macigo alteram o comportamento do macigo e tambem devem ser con-siderados como um beneficio a qualidade do macico.

8. METODOS DE INVESTIGA(;AO

Os metodos de investigag5o para estudos de erosao a jusante de vertedouros nao sao essencialmentediferentes daqueles usados para a investigacao geral de uma barragem. Evidentemente a anfase recai na-

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queles metodos que melhor podem definir as caracteristicas geomecanicas importantes.

8.1 Modelo GeolGgico

0 modelo geologico a estabelecido por metodos convencionais como mapeamento , sondagens mecanicase geoffsica.

Os pontos mais importantes a serem realgados sao:

• 0 Padrao Estrutural da rocha e a definigao de possfveis anisotropias e a determinagao das principalsfam1ias de descontinuidades com suas respectivas atitudes.

• A heterogeneidade da rocha seja ela causada pela ocorrencia de litologias contrastantemente diferen-tes, por zonas decompostas ou por zonas com grau de fraturamento substancialmente diferentes.

8.2 Caracterfstica da Rocha Intacta

A resistencia da rocha intacta para os fins deste estudo pode ser analisada de maneira expedita corn base nouse do martelo e do canivete. Caso seja necessario, o ensaio de compressao puntiforme atende perfeita-mente nao sendo necessario o use do ensaio de compressao simples de mais diffcil preparagao e execugao.

0 grau de fissuragao pode tambem ser considerado uma caracterIstica da rocha intacta produzida porsuperffcies de fraqueza da rocha como xistosidade, clivagem, fissuras etc... Sera avaliado sempre peloexame visual. Uma indicagao boa, mas que deve ser usada corn criterio, e o tamanho dos fragmentosproduzidos por quebra do testemunho durante a sondagem.

8.3 Caracterfstica do Macigo

A resistencia do macigo sera avaliada corn base numa ponderagao dos varios materials ocorrentes, con-forme ja mencionado e possivelmente variara ao longo da zona de interesse.

0 grau de fraturamento do macigo sera medido com base no mapeamento e na descrigao dos furos desondagem sendo importante levar em consideragao a possfvel variagao das caracterfsticas em profundidade.

8.4 Caracterfsticas das Descontinuidades

A espessura de preenchimento ou decomposigao a determinada principalmente nos mapeamentos e tes-temunhos de sondagem. Observagoes superficiais nem sempre sao representativas das condigoes emprofundidade. Por outro lado zonas decompostas sao dificilmente recuperadas em sondagens rotativas con-vencionais. Sondagens integrals fornecern bom resultado mas seu alto custo dificilmente permite justifica-las.Em geral consegue-se uma boa avaliagao quando se controla rigorosamente a recuperagao dos testemun-hos, dando-se importancia mesma a perdas centimetricas as quaffs frequentemente podem ser localizadas. 0Obturador de Impressao vem sendo usado corn sucesso e pode localizar e dimensionar corn precisao ade-quada zonas decompostas [9].

A existencia de descontinuidades abertas pode ser determinada por inspegao dos testemunhos porevidencias de percolagao de agua como oxidagao e alteragao incipiente, mas com alguma possibilidade deerro. Informagoes mais confiaveis, porem ainda imprecisas, podem ser obtidas corn o use dos ensaios deperda de agua convencionais. Informagoes mais precisas podem ser obtidas corn o use de equipamentoscomo o Obturador de Impressao, TRH [2] e ensaios especiais como o EIPD [2], Sonda Hidraulica Multitest-SHM [9].

Como vimos, para classificagao geomecanica tais ensaios sao em geral dispensaveis bastando caracterizarse existern ou nao juntas abertas. Entretanto estudos de modelamento numerico levados a efeito para analisedo comportamento do macigo podem justifica-los.

9. AVALIACAO EMP(RICA DA PROFUNDIDADE DE EROSAO

Spurr [11] propos a seguinte metodologia:

• Mapear geologicamente tanto um determinado local de referencia como o local em estudo, usando osistema de classificagao proposto por ele.

• Selecionar a equagao empfrica de previsao de profundidade de erosao que melhor se adapte a profun-didade real (del ) do prototipo selecionado para referencia, a uma descarga al.

• Aplicar a mesma formula ao local em estudo para obter uma "previsao incorreta" da profundidade deerosao (del) para a descarga maxima considerada.

• Usar o ESI "energy scour index" para ajustar (del) em relagao as diferengas geologicas e hidraulicasque possam ocorrer entre as duas fossas de erosao.

• Obtido (del) "correto", determinar a extensao da area de erosao em fungao da geologia.

• ESI e a relagao entre a energia media perdida pelo jato (ou absorvida pela pane erodida da rocha)durante o processo de erosao, num local e no outro, multiplicado pelo efeito que os diferentes grausde confinamento provavelmente terao na energia do jato.


Este procedimento parece urn tanto complexo e desnecessario. Ao comparar corn apenas um local dereferencia , o autor abandonou a possibilidade de ter uma classificagao universal na qual uma grande quan-tidade de projetos pudesse ser tida em consideragao . Mason [7] em seus comentarios ao trabalho de Spurr[11], admitiu que a geologia tem um efeito significativo na erosao , mas considerou que um enfoque melhordo que o proposto por Spurr seria adotar a equagao mais precisa possfvel e avaliar K de modo a ajustar oscalculos aos valores de protbtipos conhecidos . K teria portanto uma grande influencia das condigoesgeomecanicas . A Fig. 8 mostra um grafico apresentado por Souza Pinto [101, incluindo dados de outrosautores . Nas abcissas a considerada apenas a variavel hidraulica g0,54 x HO' , e nas ordenadas a profun-didade de erosao , a partir do NA de jusante . A dispersao dos pontos nos graficos foi explicada como devida"a natureza da rocha e aos distintos tempos de exposigao [10]". E claro que a simpiificagao dos parametroshidraulicos considerados tambem a responsavel pela dispersao.

Entretanto achamos que as condigoes geomecanicas sao realmente o principal responsavel pela dispersaoobservada , principalmente se introduzirmos dados de outros projetos . Souza Pinto ja incluiu os dados deJaguara (corrigidos no presente trabalho ) e S.Simao , este ultimo bern fora da faixa dos dados utilizados. Noseu texto ele menciona os dados de Salto Santiago e Salto Ozbrio , mas nao os colocou no grafico. Apresen-tou entretanto a reta de Veronese , provavel limite superior das profundidades observadas . Na Fig. 8 o graficooriginal foi acrescido com os dados de varios outros projetos. Percebe-se claramente que a dispersao obser-vada invalida completamente o estabelecimento de qualquer equagao unica universal , como aquelas in-dicadas por Veronese [10], INCYTH [6], Souza Pinto [ 10] e USBR [3] todas indicadas no grafico.

E necessario que se introduza uma nova variavel para permitir uma melhor interpretagao do grafico. Asugestao a que o mesmo seja dividido em zonas , em fungao da classe do macigo rochoso (Fig. 9).

Cada classe de macigo seria limitada por valores especfficos de K que permitiriam tambem calcular a profun-didade de erosao por meio da equagao:

de = Kxq,54xH.225

Os seguintes limites sao considerados para cada classe de macigo:

MACIQO K

< .25

II .25 a .5

III .5 a.9

IV .9 a 1.5

V 1.5 a 2.5

Ajustes do ponto dentro da area correspondente a cada classe devem ser feitos usando corregoes derivadasde aplicagoes das caracteristicas secundarias. 0 macigo MV corresponde ao que se poderia chamar de"Macigo Veronese" que incluem todos os materiais altamente erodfveis. Os macigos MIV sao os "Macigos deMartins e Souza Pinto" e correspondem aqueles mais frequentemente mencionados na bibliografia mundial.Sao os macigos "medios". Os macigos MII e MITI correspondem a experiencia do USBR. Os macigos MI saoaqueles nao erodfveis, dificilmente mencionados na bibliografia seja por nao apresentarem qualquerproblema seja por terem tido fossa pre-escavada.

A profundidade de erosao a uma das componentes do estudo da fossa. Sua extensao lateral pode seravaliada considerando a inclinagao possivel que as paredes viriam a assumir. Tais inclinagoes seriarn emprimeira instancia controladas pela resistencia do macigo. Por exemplo macigos decompostos sao altamenteerodfveis e produzem taludes abatidos com fossas com grande dimensao lateral. Macigos de rocha safraturados sao tambem muito erodfveis mas podem ter taludes laterais bern fngremes limitando a fossapraticamente as dimensoes da zona de impacto. Os resultados dos modelos hidraulicos corn fundo movelgranular devern ser olhados com reserva. Anisotropias do macigo como xistosidade ou acamamentotambem podem condicionar a inclinagao das paredes laterais da fossa. Pode acontecer que a zona de inte-resse nao possua apenas um tipo de macigo rochoso. Neste caso a avaliagao da fossa pode ser conduzidada seguinte maneira:

• Fazer urn zoneamento do macigo em fungao das classes de macigo.• "Remover' sequencialmente os horizontes mais erodfveis e procurar avaliar a evolugao gradativa da

forma da fossa.

• Prever a profundidade da fossa apbs cada remogao considerando que o macigo restante possui aclasse pior das remanescentes.

A analise dependera de uma boa dose de julgamento mas permitira avaliagoes preliminares adequadas.Alguns autores considerarn que a profundidade de erosao a fungao do angulo de impacto sendo ela tantomaior quanto mais ingreme for o angulo, prevalecendo evidentemente as mesmas condigoes hidraulicos egeomecanicas.


I

Esses autores introduziram parametros relativos ao Angulo de impacto em suas formulas. Mason [61 analisouseus efeitos nos calculos de profundidade e concluiu que os parametros reduzem o coeficiente de variag5oem apenas 0,5% sendo a redugdo mais significativa de 3%.Desta forma , no presente trabalho nao se fara corregao devido ao angulo de impacto . Entretanto como amaioria dos dados analisados ate o momento referem -se a vertedouros em salto de esqui espera-se que paraos de queda livre os resultados previstos estejam abaixo do valor real (provavelmente entre 10% e 20%) en-quanto para as bacias de dissipagoo as profundidades reais serao menores (talvez na faixa de 20% a 40%).

10. SELEcAO DO TIPO DE VERTEDOURO

Um dos problemas basicos na selegao do tipo de vertedouro e a possivel interferencia da fossa de erosaocom as demais estruturas do projeto . Torna -se portanto necesserio prever o tamanho e a forma da fossa oque Como vimos nem sempre a uma tarefa facil.

A vantagem do vertedouro com dissipador em salto de esqui a permitir langar o jato a distancias seguras ad-mitindo portanto, fossas de erosao bern grandes. A associagao de vertedouros com salto de esqui e caihaslateriais nas ombreiras pode tornar a situagao mais segura ainda.

Assim a existencia de um macigo erodivel, seja por baixa resistencia ou por excessivo fraturamento nao a umimpedimento por si sb a adogao de qualquer tipo de vertedouro, desde que nao ocorra interferenciaindesejevel com estrututras do projeto.

Macigos homogeneos e isbtropos sao de analise mais simples e muitas vezes podem ser representados comrazoevel precisao nos modelos hidraulicos. A presenga de anisotropias fortes ou grandes heterogeneidadese a major responsavel por anomalias na forma das erosoes e quando necessario devern ser evitadas. Fossaspre-escavadas, mesmo parcialmente, podem orientar a erosao e diminuir o efeito dessas feigoes.

0 grande risco da erosao e o seu desenvolvimento regressivo vindo a comprometer a estabilidade da propriaestrutura vertedoura. Neste aspecto o vertedouro em calha nao revestida a aquele com maiores restrigoes.As velocidades, em geral muito altas (dezenas de metros por segundo), mesmo aplicadas paralelamente asuperficie da rocha, podem causar grandes danos imediatamente a jusante do concreto colocando-o emperigo. Apenas macigos I e possivelmente II podem ser considerados.

Na alternativa de bacia de dissipagao a profundidade da fossa de erosao a menor, aceitando-se macigos depior qualidade. Entretanto a fossa em geral se desenvolve muito proxima da estrutura e o risco a mesma emuito grande. E possivel admitir-se macigos ate classe III. Entretanto o problema mais frequente observadoneste tipo de estrutura e o carreamento de rocha pelas correntes de retorno para dentro da bacia levando adanos consideraveis. A formagao de uma fossa assimetrica, por causa de anisotropias ou heterogeneidadesdo macigo , a uma causa frequente deste problema . Deve-se tentar sempre avaliar de que maneira a erosaoevoluiria "removendo" os materiais mais erodiveis sequencialmente.

Os vertedouros em salto de esqui sao aqueles que major energia transmitem ao macigo e portanto sao osmaiores responsAveis pelas erosoes mais impressionantes observadas e este e o motivo porque representarno objeto principal deste trabalho, sendo o vertedouro de queda livre um caso particular, com menorcapacidade de langamento. Estes ultimos exigem portanto macigos de melhor qualidade devido a maiorproximidade da zona de impacto a estrutura.

11. CONCLUSOES

Este trabalho deve ser encarado como uma tentativa ainda inicial de estudos da erosao a jusante de ver-tedouros, dentro de um enfoque eminentemente de geologia de engenharia, contando com o devido suportehidraulico e geomecanico. Outros enfoques certamente existern e serao abordados neste Congresso e suadiscussao permitira sem duvida grande desenvolvimento para o Tema.

0 Autor agradece aos varios colegas geotecnicos e hidraulicos com os quais vem discutindo nestes ultimostempos o que certamente contribui para um melhor entendimento do fenomeno.

12. REFERENCIAS

[1] Akhmedov, T.K. - "Calculation of the Depth of Scour in Rock Downstream of a Spillway". WaterPower and Dam Construction, Dec/1988.

[2] Andrade, R.M. - "Propriedades Hidraulicas de Macigos Fraturados e Sua Aplicagao em Projetos". IISimposio Sul Americano de Mecanica das Rochas. Porto Alegre, 1986.

[3] Antunes Sobrinho, J. e Infanti N. - "Erosion of Rock Masses Subject to Flows Action ' SomeGeomechanical and Hydraulic Aspects". 5° Congresso International de Geologia de Engenharia,Buenos Aires, 1986.

[4] Laubscher, D.H. - "Design Aspects and Effectiveness of Support Systems in Different Mining Condi-tions". Trans. Instn. Min. Metallurgy - South Africa - Apr/1984.


[5] Martins, R. - "Acgao Erosiva de Jactos Livres a Jusante de Estruturas Hidraulicas". Membrla no 424 -LNEC, Lisboa, 1973.

[6] Mason, P.J. and Arumugan, L. - "Free Jet Scour Below Dams and Flip Buckets. ASCE - Journal ofHydraulic Engineering, Vol. III, no 2, Feb/1985.

[7] Mason, P.J. and Spurr, K.J.W. - "Estimating Plunge Poll Scour. Water Power and Dam Construction,Feb/1986. 7-8 Discussion.

[8] Pereira, G.M., Brito, S.N.A. e Gongalves, E.S. - Consideragoes Sobre a Utilizagao de Dissipador deEnergia em Salto de Esqui em Macigos Rochosos Saos Muito Fraturados - 0 Caso da UHE deJaguara - XIX Seminario Nacional de Grandes Barragens - Aracaju - Margo/1991.

[9] Silva, R.F. - "Ensaios com a Sonda Hidraulica Multiteste na Barragem Jurua da Usina Hidroelatricade KararaS - 50 Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia - Sao Paulo - out/1987.

[10] Souza Pinto, N. - "Dissipagao de Energia e Erosao a Jusante de Barragens". Simpbsio sobre aGeotecnia da Bacia do Alto Parana - ABGE, vol IA, Sao Paulo - Set./1983.

[11] Spurr, K.J.W. - "Energy Approach to Estimating Scurr Downs tream of a Large Dam". Water Powerand Dam Construction - Jul/1985.

[12] Yudstikii, G.A. - "Accao Hidrodinamica de uma Lamina Descarregadora Sobre Fragmentos de umLeito Rochoso e Condigoes de Rotura deste. LNEC, Tradugao no 442, Lisboa, 1983.

10

an

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ZONA / O ZONARELAXADA - /,W^COMPRIMIDA_

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12 CASO - NIVEL DA ROCHA INICIAL (NRi) ACIMA DO NIVEL DE AGUA DA JUSANTE (NAj)

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H= NAm - NAj (AP6S A EROSAO ATINGIR 0 NA)

E= NRi - NRf (EROSAO REAL)

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22 CASO - NIVEL DA ROCHA INICIAL (NRi) ABAIXO DO NIVEL DE AGUA DA JUSANTE (NAj)

H= NAm - NAj

E = NRi - NRf (EROSAO REAL)de= NAj - NRf (EROSAO ABAIXO DO NAj)

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FIG 2

- 276 • - XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS -

I

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(E MOVIMENTACAC'

+ESALOJAME NTO

MOVIMENTAcA0

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- XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS - - 277

I

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Class of * erosion Icsist:utcc (iovelniII physical

(icological characlcfiwtics

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intact uniawi.rl comlm.."ii r :rr:• 'r!;oC of the Iuednroin:url lock :J•:>s

condition of jrrinlc will fall:l.

anl;Ic (n ) heIwwet•n line of jel i trr•utand lie of main faults and brcuiaf'planes

estiusttcd cll,clive unia\ialcolnpfe.'IV, 'rrrrl!tli 0, of filepredonrin :ut rock type

.Set n duty chat in Ierisricc

hardness

degree of wc;nhcr ing

I 11

p1occsscs in tclalioltIn the p.colol:ical

Owl aclcriwtics

>80 50 - so <50 3111dIx•r cent per etM per cent out by hydraulic Iflucking,>1.2. in 0.3- 1.2 in <0.3 fir Iluid shear and drag

(massive) (blocky) (Iiacturcd) Iorccs

>120 MI'a 50--120 MI'a <50 P11'a 113-d fall lirrlly inducedwwedr: inr , hlucf.intt, shearand conyucssiwc forcesacting on lire lock mass

1i1-h1 and disttnbed ahered, open hydrofracturc, hydraulicmostly and pattially and usually plucking lorces and rateundistur bed ahcred and infilled of Washout

open

>700 70°>o>3S° <35° hydrofracturc and/or(steep) (modelale ) (shallow) exfoliation

>5 MPa I -- 5 MI'a <I MPa hydraulically inducedwwcdcing, pluck jug, shearand compressive Iorccsacting on the lock mass

predomin • moderately mostly soft abrasion and ball milling

-filly h:11d, hard non - rock by time tinbulent swach load

hcurogcncous tnfilormr•;ck rock

ecccmially weathered highly file of W.01-0111umwcdlhcrcd wcell beyond wwc.thcred

$u'I1tce throughout

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OcYGRANDE

GRANDEPEQUENO

PEGUENO PEQUENO

0f5 EXCELENTE

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6ow II

NAZOAVEL Z

axa PODRE Sm

04

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basic mechanical clrar;,•_tcrislic ofintact lock, not :Iccoulilllug for t h e

clfecl oI diseontill flit ics.

physical processes act mole rapidlythe molc open and altered thejoints

the greater a, the more likelyexfoliation will Occur. The smallero, the more likely hydrofracturcwwill occur.

o. (predominant rock mass) -( • o^.) is uwcrall measure ofplunl;c pool's erosion I sill auCC,a^iuuntinr^, Ior the bedrockdrecontinuiticc.

the hurter the prcdominrut rock type,the longer the last stages ofdevelopment take lo rcact; equilihriunf

the mote wwe•athocd file rc•.k, the nwrtrapidly if wishes out.

ac : RESISTENCIA A COMPRESSAO SIMPLES

•ESPACAMENTO DAS FRATURAS

CLASSIFICAC,AO OE MACIC,OS ROCHOSOS DE ACORDO

CON A RESISTENCIA A EROSAO ( ANTUNES E IN-

FANTI, 1996)

- 278 - - XID( SEMfINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS -

QUADRO PARA CLASSIFICAC,AO GEOMECANICA APLICADA A EROSAO A JUSANTE

DE VERTEDOUROS COM DISSIPACAO EM SALTO DE ESQUI

DESCO NTINUIDADES

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PE 6 > 3 m IQ

103 m m Y

IV v .5a1 IQ Y

< .5 Y Y

1) PE = PADRAO ESTRUTURAL

PE 2 COLUNAR

PE 3 CUBICOPE 4 TABULAR

PE 5 PIRAMIDAL

PE 6 CAOTICO

2) D = DIAMETRO MEDIO DO BLOCO DE ROCHA

3) MACIcOS COM R3 = MV

R1 /R2 e PE 1 = M I

FIG. 7


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