CONSTRUCAO DE FILTROS E TRANSIcOES FINAS EM … DE FILTROS E... · to secundirio no caso de barragens de segao mists, ... filtros tenham uma boa margem de seguranga , ... em gama
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XIII SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS
RIO DE JANEIRO
ABRIL 1980
"ALGUMAS CONSIDERAcOES SOBRE A
CONSTRUC,AO DE FILTROS E TRANSIcOES FINAS EM BARRAGENS"
TEMA IV
Nelson Luis Ferreira Porto
Engenheiro da Divisao de Geotecnia
ENGEVIX S.A.
125
1.INTRODUQAO
Os filtros e transigoes finas de areia compactada,em barragens
de terra (secao "homogenea") ou de terra-enrocamento (segao"mis
to"),constituem-se, com relagao as caracteristicas e comporta -
mento, em descontinuidades interiores ao macigo, separando o nu
cleo de argila dos espaldares de enrocamento ou a zona de mon -
tante ("saturada") e a de jusante ("drenada") de barragens de
terra.
Prop6em-se, com base em conclusoes desse presente trabalho que
se tente revisar as especificacoes construtivas normalmente ado
tadas para esses elementos drenantes, no que se refere a requi-
sitos de compactagao, geralmente simplificadamente estudados,me
recendo, na opiniao do autor, uma analise mais aprofundada, de-
vido a importancia dos filtros e transigoes no comportamento
global do macigo.
2.METODOS E ESPECIFICAcOES CONSTRUTIVAS
E pratica comum adotar-se, na construgao de filtros e transigoes
finas, a compactagao por trator de esteiras, rolo ou placa vi -
bratorios, especificando-se a densidade minima necessaria a equi
valente a compacidade relativa ("relative density"), de 70%(Ref.
1,9,10) sendo a mesma definida como:
eC.R.= max - e
emax - e min
ou
x 100
C.R.= ^ smax ('s "(smin) x 100
^s-max (^ smax-'smin
e = indice de vazios da amostra
emax = indice de vazios no estado mais foto
^emin = indice de vazios no estado mais compacto
Osmax = densidade seca maxima
smin = densidade seca minima
^s = densidade seca de amostra
A limitagao da densidade somente e feita ao valor minimo (C.R.
min), e raramente ao maximo (C.R. max), subestimando-se a redu-
gao de permeabilidade, devido a compactagao, especialmente nos
127
materiais granulares bem graduados (Ref. 3).
Objetivando a determinagao de uma faixa de compacidade relativa
favoravel para o comportamento do macigo , a ser obtida por com-
pactagao , para • a areia, pode-se proceder a uma analise compara-
tiva, ainda que basicamente qualitativa, devido ao numero redu-
zido de ensaios , da influencia da compacidade relativa (C.R.)nas
propriedades de engenharia da areia compactada . Para esse anali
se, utilizaremos ensaios de permeabilidade , em amostras represen
tativas de areias parcialmente usadas na construgao de filtros e
transigoes de uma barragem visando aproveitamento hidroeletrico,
da qual o autor participa da equipe de projeto , alem de dados pu
blicados na bibliografia.
3.INFLUNCIA DA COMPACIDADE RELATIVA
3.1)Permeabilidade
A analise da influencia da C.R. na permeabilidade sera subsidia
da pelos ensaios de laboratorio em amostra de areias citados a
cima, plotados na figura 1, com as faixas granulometricas respec
tivas apresentadas na figura 2.
A areia natural a de granulometria media a grossa , com ocorren-
cia de pedregulhos ( seixos rolados ), constituida mineralogicanen
to por silica amorfa e graos de quartzo , com finos coesivos; a
areia artificial provem da britagem de basalto denso, com ocor-
rencia de pedregulhos ( graos angulosos ), nao desagregiveis duran
to a compactagio , com finos no coesivos . Observa-se, pelo gra
fico da figura 1, que o aumento da C.R. (e consequente redugao
do indice de vazios) de 60 % a 70% e 70 % a 80% reduz a permeabi-
lidade em 28% e 30% respectivamente , ocorrendo na ultima faixa
valores extremos de ate 400 % e 200 % de redugao , na areia artifi
cial e natural, respectivamente, provavelmente devido a major
porcentagem de finos e /ou melhor graduagao do material.
Sendo a capacidade de drenagem do filtro ( notadamente no horizon
tal), fungao exclusiva da permeabilidade da areia ( Ref. 2 ), desde
que garantido o fluxo laminar, podemos concluir, com base nesses
dados e para esse material , que a cada elevagao de 10% da C.R.da
areia, reduz - se em media , de 30% a potencialidade de drenagem
do filtro podendo essa redugao ser mais elevada dependendo da
distribuigao granulometrica do material.
A redugio da capacidade de drenagem a especialmente importante
para filtros de barragem de terra, sendo , geralmente, de aspec-
to secundirio no caso de barragens de segao mists, em que a dre
128
nagem propriamente dita e feita pelos espaldares de enrocamento.
3.2) Resistencia ao Cisalhamento
A resistencia ao cisalhamento de areia, no intervalo de tenses
normalmente ensaiado, e representado pelo coeficiente de atrito
(tan 0). Na fig. 3 estao representados graficamente, relagoes C.
R. x tan 0 para use da analise da influencia da C.R. no angulo
de atrito. Na figura 4, representa-se esquematicamente uma su-
perficie de ruptura, passando pelo filtro horizontal de uma bar
ragem de terra, e o fator de seguranga calculado para diversos
valores de compacidade relativa, influentes no coeficiente de a
trito, supondo-se que o filtro 6 composto de areia media unifor
me (ver fig. 3).Pode-se observar, pelo grafico F.S. x C.R., que
o aumento da C.R. de 60% a 70% e de 70% a 80%, eleva o fator de
seguranga em 6% e 5% respectivamente. Consequentemente, conclui-
-se, com base nesses dados , que a cada 10% de elevagao da C.R.e
leva-se o fator de seguranga em 5% a 6%, percentagem julgada no
significativa, face as simplificagoes de hipoteses normalmente
adotadas na analise de ruptura por equilibrio limite. Note-se
ainda, que esse tipo de ruptura raramente a condicionante da es
tabilidade do talude de jusante, devido as altas pressoes nor-
mais ocorrentes no filtro horizontal, bem Como a (possivelmente)
menor resistencia da argila compactada acima do filtro. No ca-
so de barragens de segao mista, tal analise de ruptura pode ser
normalmente descartada, devido ao confinamento conferido pelos
espaldares de enrocamento e menor resistencia da argila na in-
terface nucleo-transigao.
3.3) Deformabilidade
Em trabalho publicado recentemente (Ref.8), a recomendado o va
for minimo de 70% para a compacidade relativa,para a transigao
nucleo-enrocamento de areia siltosa compactada, indicando como
necessaria uma densidade minima na areia,para que haja expansao
durante o processo de cisalhamento. Tal recomendagao e contra-
ria a exposta por Terzaghi (Ref.13,pag 604-605), que aponta o
excesso de compactagao da areia das transigoes de montante e ju
sante como altamente indesejavel em barragens de enrocamento de
nucleo estreito inclinado, por reduzir a capacidade "auto-selan
te" da areia no caso de eventuais fissuras no nucleo (Fig. 5).
Alem do aspecto de colmatagao de fissuras, o excesso de rigidez
por supercompactagao de filtros-transigoes pode levar a uma dis-
tribuigao desfavorivel de tensoes (Fig.6)em macigos de terra-en
129
rocamento (Ref. 5, 6 e 12).
No caso de barragens de terra ("homogeneas "), o excesso de com-
pactagao da areia do filtro pode torna-lo muito mais rigido que
a argila compactada , forgando o aparecimento de zonas de tragao
(Fig. 7) proximo a crista da barragem e na interface argila-fil-
tro (Ref. 11), podendo ocorrer infiltragao nocivas de agua de
chuvas por trincas abertas por tensoes de tragao.
4. CONCLUSOES
Em vista das analises aqui efetuadas , que embora eminentemente
qualitativas e baseados em numero reduzido de ensaios , sao julga
dos representativas parece ser uma decisao desfavoravel e prejir
dicial, alem de desnecessaria , o excesso de compactagao da areia
em filtros e transigoes, sendo as desvantagens , como a signifi -
cativa redugao da capacidade de drenagem e excesso de rigidez,
julgadas mais importantes que a unica vantagem , o aumento rela-
tivamente pequeno, e geralmente desnecessario , do angulo de atri
to.
Outros fatores que devem ser levados em conta , sao a possibilid3
de de redugao da permeabilidade da areia por colmatagao fisico
-quimica( Ref. 4 ), alem do grau de incerteza na estimativa, em
projeto, do valor real da percolagao pela fundagao, devido a er
raticidade de permeabilidades , dificilmente investigivel e simu
livel em modelos matematicos, sendo aconselhavel pois, que os
filtros tenham uma boa margem de seguranga , no que se refere a
capacidade (ou potencialidade ) de drenagem . Sugere-se , portan-
to, que as especificagoes construtivas de filtros e transigoes
de areia, sejam analisados com maior profundidade , no que diz
respeito a compactagao , reservando -se um numero minimo de ensa-
ios, criteriosamente programados, em amostras representativas ,
que permitam delinear satisfatoriamente o comportamento mecani-
co-hidriulico da areia, em gama ampla de densidades , objetivan-
do determinar uma faixa favorivel de valores de C.R. a ser per-
mitido ao material quando compactado , devendo o metodo constru-
tivo ser cuidadosamente planejado e investigado em aterros expe
rimentais , nao sendo do escopo desse presente trabalho discusses
sobre o melhor metodo de controle de qualidade ( G.C. ou C.R.,ver
Ref. 7 ) a ser adotado.
5.AGRADECIMENTOS
0 autor agradece a ENGEVIX S.A. o apoio necessario a preparagao
do trabalho, e ao Eng9s . Manuel A. Martins e Heitor B. Oliveira
130
que revisaram e fizeram sugestoes ao texto.
6.BIBLIOGRAFIA
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Comitee on Current Practice , in the Design and Construction
of Embankments Dams"
2 )Cedergren, H.R. (1967 ) - " Seepage, Drainage And Flow Nets"Jo
hn Wiley & Sons
3 )De Mello , V.F.B.(1977) - " Reflections on Design decisions of
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ture, Geotechnique, 27, n9 3
4 )Ferreira, R.C. (1978) - "Colmatacao fisico-quimica de filtros
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5 )Marsal, R. (1977) - " Esfuerzo - Deformacion v.s. Estabilidad
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6 )Michels, V.S. and Dickson R.S. (1979) - "Dam-abutment and co
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1979.
7 )Morimoto, S. (1974) - "Compacidade relativa versus grau de
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terra" - 59 COBRAMSEF, Sao Paulo, 1974.
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- 69 COBRAMSEF, Rio de Janeiro, 1978.
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(1963) - "Earth and Earth-Rock Dams" John Wiley & Sons.
10)Souto Silveira, E.B., Pimenta de Avila, L., Eingenheer, L.P.
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1l)Souto Silveira, E.B. e Zagottis, D. (1971) - "Elementos Fini
tos em Barragens de Terra-Construgao por Etapas e Simulagao
do Adensamento" - VII SNGB, Rio de Janeiro, 1971.
12)SRH - C.F.E. - II (1976) - "Comportamento de presas construi
das em Mexico" - 12th ICOLD, Mexico, 1976.
13)Terzaghi, K. and Peck, R.B. (1967) - "Soil Mechanics in Engi
neering Practice" - John Wiley & Sons.
14)U.S. Bureau of Reclamation (1974) - "Earth Manual" 2nd Edi-
tion.
131
7. SUMARIO
No presente trabalho sao apresentados analises de influencia da
compacidade relativa da areia no comportamento geotecnico de fil
tros e transicoes finas em barragens de terra-enrocamento.
Sugere-se, com base nessas analises, que seja evitado, na cons-
trugao de tais elementos, a supercompactacao da areia, julgada
desnecessaria, alem de prejudicial.
132
a-
l00
80
70
60
50
000
0 I-w
50 0
c
10 90
0
PENEIRAS N° 200 40 10 4 3/8" 3/4
/
AREIA NATURAL 1
II
l AREI 4ARTIFICIAL
I-
^I I
^•
0,01 0,l 1
O GRAOS EM mm10 100
100
0a
FIG.2 - FAIXA GRANULOMETRICA DAS AREIAS ENSAIADAS(FIG.1)
2025
FORTE CONCENTRACAO DE ESFOR^OSNA INTERFACE DO NUCLEO.
0 25 50 75 loom
ESCALA GRAFICA
FIG.6 - CURVAS DE IGUAL ESFORQO PRINCIPAL (T i) AO FINAL DECONSTRUcAO (BARRAGEM NETZAHUALCOYOTL, REF. 5)
90
80
70
604-
50^ ^'-
0
0- 30-200
n AREIA SILTOSA ( REF 8)
-6- AREIA MEDIA UNIFORME
-0- AREIA GROSSA UNIFORME
20}- x -' --e- AREIA C/PEDREGULHOS1 20%PEDREGULHO DML1X 3/4"2 20% PEDREGULHO DMgx . 11/2 ' i
10 8 35% PEDREGULHO DMAX 3/4"4 50 %PEDREGULHO D mixMAX 3/4
OS 50%PEDREGULHO DM4x 3
-X- © 82%ROCHA BRITADA DMtix.3"
0.4 0.5 0 .6 0.7 0 .8 6.9 60
COEFICIENTE DE ATRITO, TAN 0
FIG.3-EFEITO DA COMPACIDADE RELATIVA NO COEFICIENTEDE ATRITO PARA SOLOS GRANULARES(REF 14)
135
W tan f
90
80
60
50
ROTURA PELO FILTRO -' F. S. = E + U(NAO CONDICIONANTE)
0 10 20 30 40 50 60 70m
ESCALA GRAFICA
ROTURA CIRC(INOEPENDENTE
ULAR F.S.:1.,44DA C.R. DO FILTRO)
ilooo,
ROTURA PLANA PELO FILTRO
1,0 1,5F.S.
2,0 2,2
FIG.4 - INFLUENCIA DA COMPACIDADE RELATIVA NAESTABILIDADE DO MACICO DE UMA BARRAGEMDE TERRA
136
ARRASTE DE AREIA PARADENTRO DA FISSURA DE-VIDO A FORA DE PERCO-LAcAO.
0 5 10
ESCALA GRAFICA
O NUCLEO ARGILOSO
O TRANSIcAO FINA ( AREIA)
O3 TRANSIcAO GROSSA (6RITA)
4O ENROCAMENTO
15m
FIG.5 - IMPORTANCIA DA SUPOSTA CAPACIDADE "CICATRIZANTE"DAS TRANSIQOES DE MONTANTE E JUSANTE
90
80
0
70
U
60
50
AMOSTRA COM 8% <#4 AMOSTRA COM 17% <#4
-•
AREIA ARTIFICIAL
•- AREIA NATURAL
4x10-3 10-2 k (cm /s ) 10-1
FIG. 1 - EFEITO DA COM PACI DADE RELATIVA NOCOEFICIENTE DE PERMEABILIDADE
4x10-1
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