XIII SEMINISRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS

RIO DE JANEIRO

ABRIL 1980

PERSPECTIVAS DE CONSTRUCAO DE BARRAGENS EM ATERRO HIDRAULICO NO BRASIL

TEMA III

SERGE J. C. HSU

- Assessor da Diretoria Operacional- Consultor em Mecenica dos Solos e

ragens de Terra- THEMAG Engenharia Ltda.

Bar

ARSENIO NEGRO JR.

- Professor Adjunto da Fac. Eng. FAAP- THEMAG Engenharia Ltda.

453

PERSPECTIVAS DE CONSTRUCAC UE BARRASENS EM ATERRO HIDRAULICO NO BRASIL

I N D I C E

1 - Introdu4ao

2 - Antecedente Historico

3 - Barragens em Aterro Hidraulico na URSS

4 - Barragens emAterro Hidraulico no Brasil

5 - Bibliografia

SUMAR10

0 desenvolvimento historico de barragens em aterro hidraulico

nos parses ocidentais e na URSS a revisto.

Barragens em aterro hidraulico "homogeneas " e o desenvolvimento

da tecnica a descrito sucintamente.

E demonstrada a viabilidade tecnico - economico destes tipos de

barragens em aproveitamentos hidreletricos em rios de planfcies

sedimentares.

1 INTRODUcAO

1.1 0 trabalho faz uma breve revisto de barragens em aterro

hidraulico, atribuida ao desenvolvimento deste tipode bar

ragens como uma solug5o viavel tecnico - economica na enge-

nharia moderna.

E da opinieo dos autores, que sob certas condicoes o ater

ro hidraulico ou "hidromecanizagio" compara-se favoravel-

mente com o conventional aterro compactado.

A minerag5o ainda usa este processo hidraulico em larga

escala para o transporte de solidos e considera - o como al

tamente economico.

De fato, antes do advento dos grandes equipamentos de ter

raplenagem , barragens de terra com grandes volumes podiam

ser construidas somente por este processo.

455

1.2 A partir de 1930, foram introduzidos os equipamentos de

terraplenagem e rapidamente desenvolvidos nos EEUU e mais

tarde na Europa e Japao. Foi entao possivel construir os

aterros compactados de grande volume.

Hoje em dia, aterros compactados sao comumente usanos emempreendimentos hidreletricos e em estradas comouma tecni

ca bem estabelecida.

1.3 Nos paises menos industrializados, principalmente na URSS,

aterros hidraulicos receberam atenCao e desenvolvimento

extraordinario. Como resultado, durante os ultimos 40 a-

nos os tipos especiais de barragens em aterro hidraulico

e sua tecnica foram desenvolvidas e um grande numero de-

las foi executada.

1.4 Este trabalho avalia a possibilidade de hidromecanizacao,

como solu4ao economica de engenharia em projetos hidrele-

tricos na America, e especialmente no Brasil, onde condi-

roes favorecem este tipo de solurao.

Algumas vantagens do aterro hidraulico, usando a tecnolo-

gia moderna sao tambem sucintamente discutidos,

2 ANTECEDENTE HISTORICO

2.1 Geralmente a palavra aterro hidraulico ou hidromecaniza-

95o a associada com o processo de transporte e separaca-o

de solidos usando agua ou outros liquidos.

Neste sentido este processo pode ser comparado com a sedi

menta45o ou diferencia4ao geoquimica , ou ainda -como pro-

cesso de fracionamento em tempos geologicos (Pre-Cambria-

no).

Acredita-se que este complexo processo a responsevel por

enormes acumulag6es de sodio no mar, celcio e magnesio em

rocha calceria e dolomito , silica em arenito, carbono em

depositos carboniferos, enxofre em sulfato estratificado

e assim por diante.

2.2 A sedimentac5o a tambem responsevel pela formag5o de anti

gas bacias tais como a do Golfo do Mexico, Mares Negro e

456

Baltico, recente acumula4ao deltaica do Rio Amarelo na

China, etc.

2.3 A periodica deposi4ao de silte fertil durante as enchen-

tes no Egito antigo foram favoraveis para agricultura, ao

contrario, o Rio Amarelo na China, carrega uma grande

quantidade de silte (Loess), a qua] a depositada no leito

do rio causando uma elevacao deste rio e apresentando um

considerevel risco do rompimento de diques laterals, sedi

mentacao dos canais de navegacao, reservatorios, etc..

A dragagem rudimentar relacionada com os primeiros traba-

Ihos de engenharia hidreulica foi iniciada provavelmente,

na antiga China e Egito. A partir de 1956, o assoreamento

de estuerios, portos e canais na Holanda resultou em use

de mequinas simples de dragagem que mais tarde evoluiram

para as modernas dragas de hoje.

2.4 As primeiras barragens em aterro hidreulico, 1849, usando

principios empiricos, foram construrdas durante a corrida

do ouro na California, EEUU. Esses foram divididos em zo-

nas de nucleo central de argila e os espaldares externos

de areia e cascalho.

Ate 1940 pelo menos 120 barragens em aterro hidreulico de

10 a 80 metros de altura foram construidas em diferentes

estados de EEUU.

Ate 1930, foram construTdas mais barragens em aterro hi -

dreulico do que em aterro compactado.

2.5 Muitas das novas barragens em aterro hidreulico tiveram

nucleo argiloso no estado liquido, espaldares bastante re

duzidos e pouco controle durante a sua construgao.

Verias dessas barragens, romperam durante a construgaao co

mo foi o caso da barragem de Calaveras perto de San Fran-

cisco, 1918;(Schyler, 1906)e Fort Peck, Rio Missouri,1938,

ambos em EEUU. Na barragem do Rio Grande, Brasil, 1926, a

pressao do nucleo rompeu parte da parede de concreto, cau

sando liquefaga-o e perda do aterro durante a construgao,o

qual foi prontamente reparado.

457

Apesar dos acidentes , alguns aterros hidreulicos estao

ainda em fuhdi6 hbmento nos EEUU. No Brasil , foram cons-

truidas verios aterros hidreulicos, vide Tabela 1, as pri

meiras antes do advento dos principios da mecanica dos so

los, usando tecnicas e controle inadequados , muitas des-

sas barragens em use estao sendo agora investigadas, repa

radas e reforgadas.

2.6 As deficiencies que levaram a numerosos acidentes foram a

pontadas por Allen Hazen, ja em 1920. Citando Hazen "...o

numero de acidentes com barragens em aterro hidraulico

surgiu da fundamental condicao de nucleos fluidos e espal

dares inadequados terem assim tornado claro que essa con-

digao de instabilidade no tem sido reconhecida nos proje

tos ...".

Ele terminou sugerindo: para descartar todas as particu-

las de argila menores que 0,01 mm do nucleo, de forma que

o nucleo possa se consolidar sem dificuldade e ainda ser

razoavelmente impermeavel , para limitar a extenseo da pis

cina e desse modo restringindo a largura do nucleo, para

prover amplos espaldares e para introduzir a superviseo

necesseria e o controle de qualidade adequados durante a

execugeo.

Conclui-se que as recomendagoes de Hazen nao foram sempre

atendidas , e a concepg5o como a construgio de algumas bar

ragens em aterro hidraulico continuava inadequado e execu

tada de modo precario.

2.7 Em 1938 a barragem hidreulica de Fort Peck, com 80 m de

altura rompeu e 3,8 x 106 metros cubicos de nucleo fluido

vazaram. 0 acidente foi atribuido ao "... fato de que a

resistencia ao cisalhamento do xisto decomposto e da jun-

ta de bentonita nas funda^oes foi insuficiente para resis

tir aos esforcos de cisalhamento as quais a fundageo foi

submetida . A exten45o para a qua] o escorregamento progre

diu a montante pode ter sido devida, em parte a uma lique

farao parcial do material ..." Creager et . al, 1944.

Como um resultado de acidentes iniciais e particularmente

apos o rompimento de Fort Peck, a constru45o de barragens

do tipo aterro hidraulico foi interrompida nos EEUU, exce

458

to para barragens de rejeitos utilizados em minera4ao e

industrias,

Por outro lado, o use de equipamento de terraplenagem tor

nou possivel a construc^ao rapida e economica de aterros

compactados de grande volume. A hidromecanizaCao a ainda

aplicada em grande escala nos EEUU, Canada , Holanda e Ja-

pao. Este trabalho sobretudo, a feito em canais de navega

45o, portos, aterro para construgio civil e industrial, re

jeitos de mineracao e diques de contengao ou longo do li-

toral e rios.

2.9 Por outro ]ado, a construCao de barragens em aterro hi-

draulico continua na URSS, onde as condiCoes locals sao

favoreveis, isto e, os grandes e largos rios de planicies

sedimentares, presenra de camadas espessas aluvionares na

fundag5o, etc..

Aperfei4oamento da tecnica, controle rigoroso, e o chama-

do tipo de aterro hidraulico "homogeneo" foram introduzi-

das.

Nas barragens "homogeneas" o traditional nucleo de argila

plastica - a fonte do problema foi substituida pela zona

central contendo principalmente areia fina pouco argilosa,

um tanto mais impermeavel do que o material de espaldares.

As seqoes tTpicas e curvas granulometricas do material u-

sado nessas barragens estao expostos nas Figuras 1 e 2.

3 BARRAGENS EM ATERRO HIDRAULICO EM URSS

3.1 Ate 1939, a URSS seguiu mais ou menos o metodo geral de

hidromecaniza4ao como era usado nessa epoca.

3.2 Como por exemplo, utilizando o nucleo de argila impermea-

vel, e os elementos de vedag5o em forma de estacas pran-

chas, paredes de concreto, etc., para interceptar a infil

trageo de agua tanto atraves da barragem quanto pela fun-

dagao de material aluvionar permeavel.

3.3 Com os acidentes iniciais e a experiencia acumulada foi

reconhecido que barragens mais seguras poderiam ser cons-

459

truidas restringindo o conteudo argiloso dos nucleos para

o minimo, ou inclusive construindo barragens sem nucleos

argilosos resultando dente modo, o to chamado aterro hi-

draulico "homogeneo".

3.4 Uma das primeiras barragens do tipo " homogeneo " e a barra

gem de Sheksninskaya de 33 metros de altura no esquema de

Rhibinsk, 1934/41, usando areia fina com taludes brandos,

colocados sem elementos de veda45o sobre a funda4ao alu-

Vionar,

3.5 Desde entao um grande numero de aterros hidraulicos "homo

geneos" foram construTdos nos rios sedimentares como Vol-

ga, Kama, Dniepr , Don e outros da Russia, sem elementos

de veda45o atraves de espessas formaroes aluvionares.

3.6 A experiencia tem demonstrado que quando propriamente pro

jetado, foi possivel controlar os gradientes de percola-

cao e que a perda d'agua foi inconsequente, quando compa-

rada com as vazoes destes grandes rios, apesar de permea-

bilidades relativamente altas de aterro homogeneo de a-

reia pouco argilosa e do materiais de fundacao.

3.7 Ainda foi verificado que os elementos de vedacao , nucleos

impermeaveis e elementos de veda45o atraves de fundag5o a

luvionar permeavel, injeg6es , etc., foi muitas vezes pou-

co efetivo ou dispensavel.

3.8 Deste modo, a grande economia e a reduCao do tempo foi al

cangada pela elimina4ao de tais medidas, sempre que possi

vel, a troco de um aumento relativamente pequeno no que

diz respeito a perda d'agua por infiltrarao.

3.9 De acordo com o Hidroprojekt - Coyne et Bellier exposto

no seminario de construca' o de barragens em aterro hidrau-

lico, 1973, a partir de 1947, 600 km de barragens, envol-

vendo 800 milhoes de metros cubicos de estruturas de ter-

ra em aterro hidraulico, foram construidas na URSS que

funcionam sat isfatoriamente.

Usando grandes dragas e tubula4o- es acentadas diretamente,

no aterro , foi possTvel alcangar a alta produrao.

460

Na barragem de Volgograd, o volume total de estruturas em

aterro hidraulico, incluindo eclusa de navegacao e canais,

foi de 120 milhoes de m3 dos quais 60 milhoes de m3 foram

usados em barragens e as produgoes atingiram:

producao diaria = 310 x 103 m3

producao mensal = 5.5 x 106 m3

produ45o anual maxima = 35 x 106 m3

Um exemplo tipico de barragem homogenea de Volgograd e

barragem de Mingechuarskaya sao mostradas na Fig. 1.

3.10 Atualmente, regulamentos governamentais de URSS estabele-

ceram a divisao de material de emprestimo de acordo com a

distribuigao granulometrica. Ha 5 tipos principals como

mostra a Fig. 3.

Barragens do tipo homogeneo sa'o construTdas de material

tipo I, enquanto para material tipo II (cascalho arenoso)

6 recomendada uma estrutura com uma zona central de areia

fina.

3.11 A largura da zona central 6 fixada como uma percentagem

da largura total da barragem (num dado nivel). 0 nucleo

argiloso a limitado para entre 10-20% e o nucleo de areia

fina para entre 20-35%.

3.12 Baseado na curva granulometrica do material de emprestimo

6 possrvel prever a distribuica`o granulometrica em varias

zonas no interior da secao como tambem os limites dessas

zonas.

As seguintes propriedades geo-mecanicas do aterro resul-

tante podem ser estimadas baseadas em materials e barra-

gens similares existentes conforme segue:

- 0 peso seco do aterro, dependendo da granulometria, con

sistencia da pulpa, formato dos graos, etc.;

- Consolidag5o e a mudanga com tempo do peso seco do ater

ro e o prognostico da pressao neutra;

461

- Permeabilidade do aterro;

- Estabilidade do aterro submetidos as for4as de infiltra

4ao de aqua;

- Estabilidade de espaldares quando sujeitos a pressao do

nucleo central;

- Estabilidade do talude sobre carga externa;

- Prote45o do talude montante contra a agao de ondas;

- Analises de recalque para o nucleo e os espaldares.

Ensaios de aterros experimentais em laboratorio e no cam-

po (in situ) sao em seguida feitos para confirmar a granu

lometria e outros parametros previstos acima indicados.

Os aterros geralmente estao instrumentados , especialmente

os experimentais de laboratorio e in situ.

As dragas tambem possuem mecani - smos de controle e medi4ao

para medir a vazao de descarga , a consistencia e velocida

de da pulpa, etc..

3.13 Devido a experiencia disponivel, para a construCao de bar

ragens homogineas de areia media e grossa ate 50 metros

de altura na o sao exigidos os calculos especiais.

Entretanto para as barragens do tipo especial de material

diferente ou superior a 50 metros de altura, esta-o dispo-

niveis metodos analiticos para determinar:

- Distribuiqao granulometrica de fracionamento de solo na

seCaa o da barragem;

- Limites de zoneamentos e a granulometria , dentro de ca-

da zona;

- Distribuigao granulometrica otimizada na secao da barra

gem usando varios materials disponrveis;

462

4 CONSTRUcAO DE BARRAGENS EM ATERRO HIDRAULICO NO BRASIL

4.1 Varias barragens em aterro hidraulico foram construidas

no Brasil entre 1906 - 1941 pela antiga Light, usando me-

todos americanos que existiam nessa epoca, A maioria des-

sas barragens tem nucleo argiloso e elementos de vedarao,

ver Tabela n? 1.

Recentemente , uma dessas barragens ( Guarapiranga ) foi in-

vestigada e reforcada devido a modifica45o introduzidas

na operaCao do seu reservatorio . Os dados geotecnicos des

to barragem esteo comparados com aterros compactados e um

aterro lancado dentro d' agua conforme indicados na Tabela

2, (Negro et al, 1979),

4.2 0 aterro hidraulico tem as seguintes vantagens quando usa

do em rios caudalosos:

1) No precisa ensecar o local das obras;

2) Ensecadeiras custosas podem ser dispensadas;

3) Relativamente curtas distancias de bombeamento compara

das com distancias de transporte ate os emprestimos pa

ra o aterro compactado;

4) ProduCao muito grande facilitando o cronograma de obra;

5) Economia em oleo escasso quando usadas dragas eletricas;

6) No sofre interferencia de precipita45o pluviometrica;

7) Possibilidade de baratear o custo unitario comparado

com o aterro compactado de volume equivalente;

8) A compactadoo de espaldares pode ser evitada usando to

ludes brandos.

4.3 0 custo do aterro hidraulico foi estimado por Melentieff

et al em URSS, entre US$ 0,33 a 1,22 dependendo das condi

c6es locais dos materiais e a distancia de transporte,

1973.

Em rela^ao a liquefa4ao , esse a um problema dificil e as

opini6es a respeito variam consideravelmente.

463

A concepca`o da URSS difere consideravelmente da dos EEUU,

e especialmente o que se refere ao indice de vazios crrti

cos.

0 escopo deste trabalho nio permite entrar em detalhes

deste assunto complexo.

Recentemente, virias barragens em aterro hidraulico foram

visitadas por engenheiros da THEMAG e a metodologia e tic

nicas de construg5o discutidas com especialistas da URSS.

Os autores estao confiantes que uma nova tecnica brasilei

ra pode ser desenvolvida na construgio de barragens em a-

terro hidraulico, a partir da tecnica russa integralmente

adotada as condig6es hidrogeologicas e climiticas do Bra-

sil.

Estamos estudando , atualmente , a questio de liquefa4a-o e

a sua possibilidade de ocorrencia podera ser afastada me

diante o melhor controle de densidade de espaldares ou

abrandando os mesmos , conforme o caso.

Barragens de aterro hidraulico serao especialmente promis

soras nos rios das bacias sedimentares correndo sobre

aluvioes espessos que e o caso de um numero de

rios no Brasil como Baixo Parana, Araguaia , Tocantins,

Sao Francisco, Xingu, Amazonas e outros.

464

5 BIBLIOGRAFIA

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465

'm7wpr^

ATE RR O H I DRAULI CO HOMOGENEO TIPICO

VOLGOGRAD - RIO VOLGA (MARGEM ESQUERDA )

XXII PART REUNION

O ATERRO HIDRAULICO COLOCADO ABAIXO D'AGUA

02 ATERRO HIDRAULICO COLOCADO EM CIMA D'AGUA

O3 FERROVIA E TUBULAcOES

® ENSECADEIRAS

ATERRO HIDRAULICO ZONEADO TIPICO

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BARRAGEM DE MIN GHETCHAURSKAYA

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O2 ZONAS DE TRANSIC,AO O5 FILTROS

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Figura 1

467

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TIPOS DE SOLOS ( GRANULOMETRIA)USADOS NAS BARRAGENS EM ATERRO

N

HIDRAULICO COM ESPECIFICAcOESSOVIETICAS, 1973.

Figura 3

469

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470

PROPRIEDADES DE SOLOS DE ALTERAQAO DE GNAISSE

EMPREGADOS EM ATERROS HIDRAULICOSCOMPACTADO E LAN^ADO N'AGUA (16)

ATERRO HIDRAULICO ATERROCOMRACTADOATERRO

LANCADOPROPRIEDADES

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(1) NUCLEO

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( 1)ESPALDAR

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(2)

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ARGILA (%) ( 3) 7 35 5 8 8 5

SILTE (%) ( 3) 25 47 18 37 44 45

AREA (%) ( 3) 69 19 77 55 48 50

(%k 200 40 87 27 51 55 55

L L (%) 43 56 --( 14) 45 42 35

L P (%) 25 34 --( 14) 31 27 22

I P (%) 1 8 22 --( 14) 14 15 11

A c 2,6 0,63 - - 1.75 1,88 2,2

fs MAX ( t/m3) (4) 1,59 1,44 1,87 1,55 1,74 1,68

hot (%) (4) 23 28 14 15,6 15,4 20

1( (1/m ) (5) 1,07 1,38 1 , 55 1,74 1,3 - 1,7

h (%) (5) 55 18 15,6 15 ,4 20-30

- - -- 2,7

1,52

2,7 ---

0,95

- 2,69

0,79

2,77

0,6

2,78

-

-0,89

2,8484- -K (cm / s ) ( 6) 10-6 10 3j 10 4 - 1075- 10"7 --

Po (kg /cm2) 1,0-1.6 0,8 - 1 , 2 - - 6,3

Cc 0,55 0 , 53 - - 0,31 - -

Cv(cm" /s)-VERTICAL 3,5 10 - 2 5,5x10-2 6')n-'

&3 (7) 10 -15 2-10 -- -- 4 -10

(t/m2) (8) 1,5 0,05 6 -- --

(s) ( °) (8) 28 30 28 -- 28

C' (R) (t/m ) (9 ) 1 0,5 5 4,5 2,5 (15)

0 (R) ( °) (9) 30 30 25 27,7 --

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Ed (5 )(k0/cm) (8) (12 ) 40 40 - - -- -

Eu (R)(kg /cm) (9)(12 ) 150 -- L50 --

Af (9)(13 )

-

- 0,8 0,4 '0 0-_

S PT -- 1 -6 2-8 -- -- 2 -15

OS VALORES INDICADOS SAO MEDIAS DE VARIOS ENSAIOS.

OS VALORES INDICADOS REFEREM - SE A AMOSTRAS TIPICAS APENAS.

CLASSIFICAGAO MIT.

ENSAIO PROCTOR NORMAL._

VALORES DE CAMPO , CONDItOES OAS AMOSTRAS ENSAIADAS

PERMEABILIDADE VERTICAL.

DEFORMACAO EDOMETRICA ESPECIFICA PARA UMA PRESSAO DE 3 Kg/cm2

ENSAIO TRIAXIAL LENTO ( CORPO DE PROVA VERTICAL)

ENSAIO ADENSADO RAPIDO ISOTROPICO (CORPO DE PROVA VERTICAL)

PARA 17 3 > Pa

PARA (j3- Po

MODULO DE DEFORMABILIDADE PARA 93 = 2 Kg/Cm2 A 50% DA RUTURA ( CORPO DE PROVA VERTICAL)

PARAMETRO DE PRE SSAO NEUTRA NA RUPTURA PARA T3-PoTIPICAMENTE NiO PLASTICO; PODS APRESENTAR INTERCALAcAO COM LL= 30 50% E IP = L0-20%

C'= 1 a 7 f/m CONFORME MASSAD E OUTROS (1973)CONFORME NEGRO ET AL (1979) T abe l a 2

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