4. LITERATURE REVIEW
4.1 Previous research on the Clubhouse programme: outcomes and member experiences
Um total de 08 piezômetros elétricos tipo corda vibrante foram instalados no maciço da barragem da PCH Canoa Quebrada. A Figura 4.30 apresenta a evolução das poropressões registradas por estes piezômetros, durante o período construtivo, enchimento do reservatório e na fase inicial de operação da barragem.
Figura 4.30 – Poropressões medidas pelos piezômetros no maciço da barragem
Os resultados mostram que, a exceção do instrumento PZE-06, não foram registrados acréscimos das poropressões durante o período construtivo. Este não desenvolvimento de poropressões construtivas no maciço da barragem pode estar associado ao fato do aterro argiloso ter sido compactado com umidades inferiores à umidade ótima e sob energias de compactação maiores que aquelas correspondentes às do ensaio Proctor Normal.
4.4.4 Piezômetros instalados na fundação da barragem
Um total de 13 piezômetros elétricos tipo corda vibrante foram instalados na fundação da barragem. A Figura 4.31 e a Figura 4.32 apresentam a evolução das subpressões registradas por estes piezômetros de fundação, respectivamente, sendo 04 localizados a montante e 09 a jusante do sistema de vedação.
No período construtivo, os piezômetros apresentaram leituras bastante estáveis durante toda esta fase. Este comportamento é coerente com a natureza do material da fundação, caracterizando-se uma dissipação imediata das subpressões geradas pela elevação do aterro da barragem.
Com o início do enchimento do reservatório, estes piezômetros apresentaram respostas imediatas, elevando-se sensivelmente as subpressões induzidas e condicionadas pelo regime de fluxo pela fundação, as quais tenderam a uma estabilização progressiva das medições. A análise destes resultados evidencia que o processo de fluxo pela fundação ocorre independentemente do fluxo mobilizado através do maciço da barragem.
Figura 4.32 – Poropressões medidas pelos piezômetros na fundação da barragem (região a jusante do sistema de vedação)
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ANÁLISE NUMÉRICA DO FLUXO ATRAVÉS DA FUNDAÇÃO DA
BARRAGEM DA PCH CANOA QUEBRADA
5.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS
O sítio da barragem é caracterizado por um terraço aluvionar, conformado por um extenso depósito de solos arenosos a areno-argilosos e camadas de pedregulhos, com compacidades crescentes com a profundidade, variando desde fofa a muito compacta, que condicionam e tipificam de forma marcante a natureza e a concepção do projeto da barragem da PCH Canoa Quebrada.
Neste contexto, ênfase especial foi centrada nos processos de fluxo induzidos através das fundações fortemente permeáveis da área do empreendimento. O presente capítulo apresenta, assim, as simulações numéricas realizadas para a análise das condições de fluxo bidimensional da água através das fundações da barragem. As simulações foram baseadas no levantamento, organização e análise dos dados utilizados para o desenvolvimento do projeto em suas diversas fases, dos ensaios de controle de qualidade realizados durante a construção da barragem e das leituras da instrumentação geotécnica da fase inicial de operação.
Nas análises implementadas utilizou-se o programa SEEP/W, desenvolvido pela Geo- Slope International Ltd, licenciado para a Universidade Federal de Ouro Preto. O programa SEEP/W consiste em uma ferramenta numérica, baseada no método dos elementos finitos, que permite a modelação de regimes de fluxo permanente e transiente, em meios saturados e/ou não saturados. O programa possibilita estimar a relação entre a sucção e a condutividade hidráulica de solos em zonas não saturadas, utilizando-se funções de condutividade hidráulica, as quais permitem a obtenção de
Inicialmente foram estabelecidas as características geométricas do modelo, as condições de contorno e as condutividades hidráulicas dos materiais do maciço e da fundação da barragem. A seguir, procedeu-se à validação do modelo adotado e foram, então, implementadas diferentes simulações para o estudo de caso analisado.
No âmbito deste trabalho, a seção de referência adotada foi a seção D da barragem, situada na região do leito do rio, por se tratar da seção de maior altura e indicar uma condição operacional em carga no tapete drenante, além de estar muito bem instrumentada. Nestas abordagens, admitiu-se uma condição de fluxo permanente, reservatório estabilizado na elevação 360,0 m, fundação da barragem isotrópica e o maciço da barragem anisotrópico em relação às condutividades hidráulicas. A partir da análise prévia e integrada das leituras da instrumentação, foi possível reproduzir a condição atual de fluxo e simular o comportamento da barragem.
5.2 DEFINIÇÃO DOS DADOS DE ENTRADA
Os dados de entrada necessários para as análises do regime de fluxo foram obtidos a partir da seção geométrica da barragem, dos resultados das sondagens e dos ensaios geotécnicos realizados para o desenvolvimento do projeto em suas diversas fases, dos resultados dos ensaios de controle de qualidade realizados durante a construção e das medições das cargas piezométricas a partir das leituras da instrumentação coletadas na fase inicial de operação da barragem.
5.2.1 Geometria
A seção de referência adotada, correspondente à Seção Instrumentada D na estaca 25+0,00, é instrumentada com sete piezômetros elétricos tipo corda vibrante (um instalado no tapete horizontal, três no maciço da barragem e três na fundação da barragem). Possui ainda um piezômetro de tubo aberto junto ao tapete horizontal
11
A discretização da seção da barragem em estudo foi realizada com emprego de elementos quadrilaterais e triangulares, sendo composta por 16.807 nós e 17.218 elementos.
As fronteiras da fundação foram definidas através de simulações do estudo de caso analisado, visando estabelecer os limites da discretização. Para as condições do problema real, as dimensões adotadas para o domínio de fundação se estenderam a uma distância 3H (sendo H a altura da barragem) tanto em profundidade como nas extensões das zonas de montante e de jusante (Figura 5.2).
Figura 5.2 – Domínio e fronteiras limites da fundação
5.2.2 Condições de contorno
Para a realização das análises, o programa SEEP/W requer a definição das condições de contorno nas fronteiras da geometria analisada. O programa admite a existência de superfícies com carga ou fluxo prescritos. Neste caso, o valor da carga ou vazão aplicado ao nó pode variar ao longo do tempo (regime transiente), possibilitando a simulação de diferentes intensidades de carga e vazão.
induzidas pelo reservatório. A Figura 5.3 mostra a superfície com carga de pressão prescrita, para o nível do reservatório na elevação 360,0m.
Figura 5.3 – Condição de contorno na face de montante: carga do reservatório
A condição de contorno adotada para a face de jusante também foi de carga prescrita, reproduzindo as pressões de água induzidas pelo remanso do rio. A Figura 5.4 mostra a superfície com carga de pressão prescrita na elevação 335,00 m. Apesar da fundação da barragem admitir a hipótese de semi-espaço infinito, impôs-se uma condição de fluxo nulo ao longo das fronteiras limites da fundação.
5.2.3 Condutividade hidráulica dos materiais de construção e de fundação
Conforme exposto previamente, a barragem da PCH Canoa Quebrada é homogênea de solo argiloso, com ensecadeiras incorporadas e sistema de drenagem interna constituído por filtro vertical e tapete horizontal tipo sanduíche (Figura 5.1). O sistema de vedação e de aumento do caminho de percolação adotado para fundação é representado por uma cortina plástica (diafragma plástico) constituída de uma mistura cimento e lama bentonítica. A fundação é formada por solo arenoso, medianamente compacto a compacto, com compacidade crescente com a profundidade e sem definição local de embasamento rochoso.
Nas simulações foram adotados valores de condutividades hidráulicas pertinentes aos diferentes materiais envolvidos na barragem, obtidos a partir de ensaios realizados ora na fase de projeto, ora na fase de construção. Para os materiais cuja condutividade hidráulica não estava disponível na documentação técnica do projeto, valores foram estimados a partir de bibliografia revisada. A Tabela 5.1 apresenta os valores das condutividades hidráulicas adotadas nas análises numéricas deste estudo.
Tabela 5.1 – Condutividade hidráulica dos materiais
Material Condutividade Hidráulica (m/s)
Solo compactado do maciço da barragem kkh=1,30x10-09 v=1,00x10-09
Coulis da cortina plástica 7,60x10-08
Fundação 5,40x10-06
Areia aplicada no filtro vertical e tapete horizontal 2,40x10-06 Transição fina aplicada no tapete horizontal 4,00x10-02 Transição grossa aplicada no tapete horizontal 1,60x10-01 Solo lançado nas ensecadeiras de montante e jusante 1,00x10-05 Enrocamento aplicado na ensecadeira de montante 1,00
A condutividade hidráulica do solo compactado do aterro da barragem foi obtido a partir da média dos resultados encontrados nos ensaios de permeabilidade realizados em
O valor da condutividade hidráulica da mistura de cimento e lama bentonítica (coulis) foi obtido a partir da média dos resultados apresentados nos ensaios de permeabilidade realizados em 15 amostras coletadas durante a sua execução. Os ensaios também foram realizados em permeâmetros de carga variável, após saturação prévia das amostras.
Na fase de investigações geológico-geotécnicas para elaboração dos projetos Básico e Executivo foram realizados ensaios de infiltração nas perfurações de sondagem com a finalidade de determinar a condutividade hidráulica da fundação. A média dos resultados obtidos em 322 ensaios realizados foi de 2,5x10-6 m/s. Todavia, Corrêa (2006a) apresentou em sua dissertação uma retroanálise da condutividade hidráulica do maciço de fundação da PCH Canoa Quebrada, a partir de dados obtidos no sistema de bombeamento implantado para rebaixamento do lençol freático. O valor obtido foi de 5,4x10-6 m/s, sendo este o valor adotado para as simulações deste estudo.
A condutividade hidráulica das areias utilizadas na construção do filtro vertical e no tapete horizontal, bem como da transição fina (brita zero) e transição grossa (brita 1) aplicadas no tapete horizontal (tipo sanduíche) foram os mesmos adotados quando da elaboração do Projeto Executivo. Segundo MEK (2006a), a condutividade hidráulica da areia foi definida a partir de ensaios de permeabilidade a carga constante, enquanto a condutividade hidráulica das camadas de transição (fina e grossa) foram estimadas a partir de suas faixas granulométricas. A condutividade hidráulica do enrocamento e do solo lançado, materiais de construção que complementam a barragem, foram estimadas pelo autor desta dissertação, com base na literatura técnica consultada (Cruz, 1996).
5.3 CALIBRAÇÃO E VALIDAÇÃO DO MODELO
Com o objetivo de avaliar a eficiência do programa e a validade do modelo proposto, foram realizadas previamente algumas simulações do modelo adotado, visando sua calibração e aferição a partir das condições observadas em campo. Todas as análises de calibração foram implementadas para as condições de entrada expostas anteriormente,
Foram realizadas simulações para as seguintes condições:
• regime de fluxo com função condutividade hidráulica constante e anisotropia do
maciço da barragem igual a kh=1,3kv;
• regime de fluxo com função condutividade hidráulica variável e anisotropia do
maciço da barragem igual a kh=1,3kv;
• regime de fluxo com função condutividade hidráulica variável e anisotropia do
maciço da barragem igual a kh=5kv.
Os valores das poropressões calculadas pelo programa foram, então, comparados com os valores medidos pela instrumentação da seção de referência da barragem. Estas simulações foram, então, calibradas até se obter a melhor concordância entre valores calculados e valores medidos pela instrumentação.
5.3.1 Simulação I: Regime de fluxo com função condutividade hidráulica constante e anisotropia do maciço da barragem tal que kh=1,3kv
A Figura 5.5 e a Figura 5.6 apresentam os resultados desta primeira simulação, em termos da distribuição das poropressões e da distribuição das linhas equipotenciais (perdas de carga) ao longo do maciço e da fundação da barragem, respectivamente, evidenciando sobremaneira a condição operacional do tapete drenante sob carga.
Figura 5.6 – Simulação I: distribuição das equipotenciais
A comparação entre os resultados das poropressões obtidas pela análise numérica e pelas medições de campo está sistematizada na Tabela 5.2.
Tabela 5.2 – Simulação I: Correlações entre poropressões medidas e calculadas Piezômetro Instrumentação u (kPa) Simulação I u (kPa) calculados / medidos (%) Variação dos valores
PZE-04 95 114 20% PZE-05 77 -15 -119% PZE-06 124 109 -12% PZE-08 45 52 16% PZE-07 320 314 -2% PZE-09 245 243 -1% PZE-10 289 211 -27% PZA-03 115 108 -6%
Embora os valores sejam compatíveis no todo, observam-se discrepâncias em relação aos piezômetros PZE-04, PZE-10 e, particularmente, em relação ao PZE-05. Entretanto, ao se tomar piezômetros da Seção Instrumentada E adjacente, os valores discrepantes tendem a serem muito menores. Por exemplo, a leitura de campo do piezômetro PZE- 11, foi de 22 kPa, valor mais próximo ao indicado pela instrumentação, lembrando que o PZE-11 está localizado na mesma elevação do PZE-05, igualmente afastado em
A comparação entre os resultados das cargas piezométricas obtidas pela análise numérica e pelas medições de campo está sistematizada na Tabela 5.3.
Tabela 5.3 – Simulação I: Correlações entre cargas piezométricas medidas e calculadas Piezômetro Instrumentação
(mca)
Simulação I (mca)
Variação dos valores calculados / medidos (mca)
PZE-04 354,7 356,6 -1,9 PZE-05 352,8 343,5 9,3 PZE-06 346,0 344,1 1,9 PZE-08 337,1 338,3 -1,2 PZE-07 350,3 350,0 -0,3 PZE-09 343,0 342,9 -0,1 PZE-10 347,5 339,6 7,9 PZA-03 340,4 338,1 2,3
A correlação dos resultados mostra, mais uma vez, uma discrepância elevada entre valores medidos e calculados com relação aos piezômetros PZE-05 e PZE-10. Tomando-se por base as leituras do medidor PZE-11 equivalente a PZE-05, a sua carga piezométrica de 347,2 mca é apenas 3,7 mca superior à calculada. Estes resultados levam a uma percepção de problemas de inconsistência das leituras dos instrumentos PZE-05 e PZE-10 que serão, então, desconsiderados nas análises subseqüentes. Para fins de correlações adicionais, as leituras do piezômetro PZE-05 serão substituídas pelas leituras do instrumento equivalente PZE-11, localizado na Seção Instrumentada E.
A inconsistência caracterizada no instrumento PZE-10 está relacionada ao acréscimo de carga piezométrica entre os piezômetros PZE-09 e PZE-10, totalmente incompatível com o regime de fluxo através da fundação da barragem. Este acréscimo de carga seria possível no caso da existência de um canal preferencial de percolação que passasse pelo PZE-10 e não tivesse contato com o PZE-09.
Outro ponto a ser considerado é que nas simulações admitiu-se o maciço da fundação como sendo isotrópico à condutividade hidráulica, o que de fato não ocorre.
5.3.2 Simulação II: Regime de fluxo com função condutividade hidráulica variável e anisotropia do maciço da barragem tal que kh=1,3kv
Nestas análises, os procedimentos anteriores de calibração dos modelos numéricos foram retomados mediante a adoção de diferentes funções de condutividade hidráulica disponíveis na biblioteca do programa SEEP/W, com o intuito de melhor representar o fluxo em meios não saturados e com condutividades hidráulicas ajustadas às dos materiais utilizados na barragem.
As Figura 5.7 e Figura 5.8 apresentam os resultados desta segunda simulação, em termos da distribuição das poropressões e da distribuição das linhas equipotenciais respectivamente, ao longo do maciço e da fundação da barragem.
Figura 5.8 – Simulação II: distribuição das equipotenciais
A comparação entre os resultados das poropressões e das cargas piezométricas obtidos pela análise numérica e pelas medições de campo está sistematizada nas Tabela 5.4 e Tabela 5.5, respectivamente.
Tabela 5.4 – Simulação II: Correlações entre poropressões medidas e calculadas Piezômetro Instrumentação
u (kPa)
Simulação II u (kPa)
Variação dos valores calculados / medidos (%) PZE-04 95 121 27% (PZE-11) 22 30 36% PZE-06 124 113 -9% PZE-08 45 51 13% PZE-07 320 314 -2% PZE-09 245 244 0% PZA-03 115 109 -5%
Os resultados mostram boa concordância dos valores, ocorrendo maiores variações das poropressões (Tabela 5.4) para os piezômetros PZE-04 e PZE-11 (da ordem de 27% e 36%, respectivamente), instalados na zona de montante da barragem. Em termos dos
Tabela 5.5 – Simulação II: Correlações entre cargas piezométricas medidas e calculadas
Piezômetro Instrumentação (mca) Simulação I (mca) calculados / medidos (mca) Variação dos valores
PZE-04 354,7 357,3 -2,6 PZE-11 347,2 348,1 -0,9 PZE-06 346,0 344,5 1,5 PZE-08 337,1 338,3 -1,2 PZE-07 350,3 350,0 0,3 PZE-09 343,0 342,8 0,2 PZA-03 340,4 338,1 2,3
5.3.3 Simulação III: Regime de fluxo com função condutividade hidráulica variável e anisotropia do maciço da barragem tal que kh=5kv
Adicionalmente, aplicou-se um critério mais amplo de variação para a anisotropia do maciço da barragem em termos de condutividade hidráulica, visando avaliar a contribuição específica deste parâmetro nas análises de fluxo realizadas pelas simulações numéricas. Para tal, variou-se a relação entre as condutividades hidráulicas do maciço nas direções horizontal e vertical e os resultados para a condição kh=5,0kv estão apresentados na Figura 5.9.
A comparação entre os resultados das poropressões obtidas pela análise numérica e pelas medições de campo neste caso está dada na Tabela 5.6, indicando similaridades muito grandes, com desvios máximos de 10% em relação a todas as medições.
Tabela 5.6 – Simulação III: Correlações entre poropressões medidas e calculadas Piezômetro Instrumentação u (kPa) Simulação II u (kPa) calculados / medidos (%) Variação dos valores
PZE-04 95 101 6% PZE-11 22 21 -5% PZE-06 124 112 -10% PZE-08 45 49 9% PZE-07 320 316 -1% PZE-09 245 243 -1% PZA-03 115 109 -5%
5.3.4 Modelo de fluxo adotado
Com base nas análises prévias e considerando:
• que as leituras realizadas nos instrumentos compreendem um período de apenas
11 meses (01 mês na fase de enchimento do reservatório e 10 meses relativos à fase inicial de operação da barragem);
• que, neste período de 11 meses, a rede de fluxo pode ainda não ter sido
estabelecida de forma definitiva através do corpo do aterro da barragem;
• que, por se tratar de uma fundação arenosa, a rede de fluxo pela fundação
provavelmente já tenha sido estabelecida em termos definitivos;
• que as poropressões calculados pelo SEEP/W no corpo do aterro da barragem
são compatíveis com as poropressões indicadas pela instrumentação, apresentando desvios máximos de 10%;
• que as poropressões calculadas pelo SEEP/W nas zonas de montante e de
Conclui-se, no âmbito desta proposta de dissertação, que para se avaliar a eficiência da cortina plástica implantada na fundação da barragem é consistente e respaldado pelos dados da instrumentação a adoção de um modelo de fluxo em regime permanente, com funções de condutividade hidráulica variável para todos os materiais da barragem (dadas na Tabela 5.4 e com valores ajustados às condutividades hidráulicas medidas dos materiais envolvidos), fundação isotrópica e maciço da barragem com anisotropia à condutividade hidráulica tal que kh=5kv.
Com base neste modelo, foram implementadas, então, várias análises paramétricas relativas às influências distintas da geometria e da posição da cortina de vedação sobre o regime de fluxo estabelecido através da fundação permeável da barragem da PCH Canoa Quebrada.
5.4 ANÁLISES PARAMÉTRICAS DOS MODELOS DE FLUXO
Tendo como base o modelo de fluxo calibrado para as condições da Simulação III anterior, foram realizadas simulações numéricas dos regimes de fluxo para diferentes locações e geometrias da cortina plástica de vedação, nas seguintes hipóteses (sendo H a altura máxima da barragem):
• barragem sem cortina plástica de vedação;
• cortina plástica de vedação implantada no eixo da barragem;
• cortina plástica implantada a uma distância H/2 a montante do eixo da barragem; • cortinas plásticas implantadas no eixo e a uma distância H/2 a montante do eixo
da barragem;
• barragem sem cortina plástica de vedação e maciço das ensecadeiras constituído
por solo compactado.
As análises paramétricas foram complementadas variando-se o comprimento da cortina para penetrações de 0,5H, 1,0H, 1,5H e 2,0H no maciço de fundação, determinando-se,
5.4.1 Barragem sem cortina plástica
A primeira simulação realizada considerou a barragem assentada diretamente sobre o maciço de fundação sem emprego de cortina plástica como elemento adicional para controle da percolação. A relevância de se realizar esta simulação está relacionada à determinação das bases iniciais para posterior verificação dos efeitos obtidos quando da aplicação da cortina plástica.
Na Figura 5.10, estão representados os resultados da análise do regime de fluxo permanente, sendo indicadas as linhas equipotenciais, as linhas de fluxo pela fundação, os vetores das velocidades e a superfície freática. O resultado obtido é o de uma clássica distribuição das equipotenciais e da rede de fluxo. Observa-se que, apesar da fundação ser bastante permeável, o tapete horizontal foi responsável pelo recebimento e condução da maior parte do fluxo presente na fundação.
Figura 5.10 – Barragem sem Cortina: rede de fluxo
Figura 5.11 – Barragem sem Cortina: distribuição das poropressões
A Figura 5.12 apresenta o perfil da distribuição das poropressões na base da barragem e em planos horizontais tomados nas profundidades iguais a 0,25H, 0,5H, H, 1,5H e 2,0H, sendo o Eixo 0 correspondente ao eixo da barragem.
Figura 5.12 – Barragem sem Cortina: perfis de poropressões
Os gradientes hidráulicos gerados no pé de jusante da barragem foram muito baixos e inferiores a 0,1 (Figura 5.13), não apresentando risco de ocorrência de erosão interna (piping), com os gradientes de maior grandeza estando concentrados na porção superior do filtro vertical e no início do tapete horizontal. Analogamente, a Figura 5.14 apresenta a distribuição dos gradientes hidráulicos verticais ao longo da base da barragem e em
Figura 5.13 – Barragem sem Cortina: distribuição dos gradientes hidráulicos