Tratamentos de maciços de fundação de barragens com injeção de caldas de cimento. Análises de percolação. Aplicação a um caso de estudo : Barragem da Gorongosa

TRATAMENTO DE MACIÇOS DE FUNDAÇÃO DE BARRAGENS COM INJEÇÃO DE CALDAS DE CIMENTO. ANÁLISES DE PERCOLAÇÃO APLICAÇÃO A UM CASO DE ESTUDO: BARRAGEM DA GORONGOSA LUÍS MANUEL DA ROCHA MOREIRA DISSERTAÇÃO DE MESTRADO APRESENTADA À FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO EM ÁREA CIENTÍFICA: ENGENHARIA CIVIL – ESPECIALIZAÇÃO EM GEOTECNIA M 2015 TRATAMENTO DE MACIÇOS DE FUNDAÇÃO DE BARRAGENS COM INJEÇÃO DE CALDAS DE CIMENTO. ANÁLISES DE PERCOLAÇÃO Aplicação a um Caso de Estudo Barragem da Gorongosa LUÍS MANUEL DA ROCHA MOREIRA Dissertação submetida para satisfação parcial dos requisitos do grau de MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL — ESPECIALIZAÇÃO EM GEOTECNIA Orientador: Professor António Manuel Barbot Campos e Matos Coorientador: Engenheiro Sérgio Pedro Serra da Cunha JULHO DE 2015 MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL 2014/2015 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL Tel. +351-22-508 1901 Fax. +351-22-508 1446  [email protected] Editado por: FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO Rua Dr. Roberto Frias 4200-465 PORTO Portugal Tel. +351-22-508 1400 Fax. +351-22-508 1440  [email protected]  http://www.fe.up.pt Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição que seja mencionado o Autor e feita referência a Mestrado Integrado em Engenharia Civil - 2014/2015 - Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal, 2015. As opiniões e informações incluídas neste documento representam unicamente o ponto de vista do respectivo Autor, não podendo o Editor aceitar qualquer responsabilidade legal ou outra em relação a erros ou omissões que possam existir. Este documento foi produzido a partir de versão electrónica fornecida pelo respectivo Autor. Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa À minha família Quanto mais aumenta nosso conhecimento, mais evidente fica nossa ignorância John F. Kennedy Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa i AGRADECIMENTOS Esta dissertação é o desfecho de um percurso académico de muitos anos, que ocupou muitas horas da minha vida. Teve momentos bons e momentos maus, e que não estaria concluído sem o apoio de várias pessoas a quem deixo aqui os meus agradecimentos. Aos meus pais, que sempre me apoiaram, pela paciência que tiveram e pelos sacrifícios que fizeram para que eu pudesse acabar o curso. À minha irmã, que sempre me apoiou à sua maneira e esteve sempre presente ao longo de todo o percurso. À minha namorada, pela paciência que teve em me motivar e aturar os meus desabafos nos momentos menos bons e pela colaboração na realização desta dissertação. Aos meus amigos e colegas de caminhada pelo apoio incondicional e por todos os momentos partilhados ao longo destes anos. Ao meu orientador, Professor António Campos e Matos, pela orientação, os conhecimentos transmitidos, a paciência necessária para me auxiliar e receber no seu local de trabalho. Ao Engenheiro Sérgio Cunha, meu coorientador, a quem agradeço toda a disponibilidade e apoio prestados com o fornecimento de informações e elementos essenciais para o desenvolvimento deste trabalho. À empresa GEG pela colaboração na consulta do projeto. À empresa TOVISI S.A., pela amabilidade em me receber nas suas instalações e elucidar-me sobre o projeto da barragem da Gorongosa. A todos o meu obrigado! Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa ii Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa iii RESUMO As fundações das barragens constituem uma peça fundamental para o desempenho e segurança deste tipo de estruturas. Devem então ser escolhidos elementos definidores das caraterísticas geométricas e físicas (mecânicas, hidráulicas, etc.) do maciço de fundação programando, caso necessário, operações para melhorar o seu comportamento. Nestes casos, o procedimento utilizado com maior frequência no tratamento das fundações, é a injeção de caldas de cimento. Nesta dissertação pretendia-se que se fizesse uma abordagem ao aspeto do tratamento de maciços de fundações aplicado a um caso concreto: Barragem da Gorongosa – Moçambique. Para o melhor desenrolar deste trabalho, foi delineada uma estratégia inicial. Numa primeira fase, pretendia-se perceber todo o processo que está por trás de um projeto deste género e aprofundar conhecimentos acerca de dois aspetos estruturantes neste estudo como são a caraterização dos maciços rochosos e as injeções de calda de cimento. Posteriormente, aplicaram-se alguns desses conhecimentos à análise do caso de estudo. Nesta última fase foram consultados os elementos de projeto, a fim de realizar quer uma caraterização em termos de geologia, quer uma caraterização em termos de permeabilidade do local de implantação da barragem. Visto que, a barragem da Gorongosa se encontra no momento em construção, não foi possível obter dados reais da execução do tratamento da fundação. Portanto, e como forma de complementar este trabalho, decidiu-se fazer uma aplicação mais prática com a realização de estudos de sensibilidade. Para o efeito foi utilizado o Método dos Elementos Finitos (MEF) através do programa de análise de percolação Phase2. Estes estudos permitiram discutir algumas decisões tomadas em projeto, no que diz respeito ao tratamento de impermeabilização da fundação com a construção de uma cortina de injeções. O principal objetivo desta dissertação, que passava por ficar a conhecer de uma forma mais integrada esta questão do tratamento de fundações de barragens e as suas fases de desenvolvimento, foi atingido. Permitiu também que o seu autor desenvolvesse o sentido crítico e a capacidade de tomada de decisão que é necessário apresentar neste tipo de projeto, em que o grau de incerteza permanece até ao momento da execução dos trabalhos. PALAVRAS-CHAVE: Barragens, Tratamento de fundação, Caraterização geológica/geotécnica, Injeções de calda de cimento, Impermeabilização. Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa x 3.7.4. CIRCUITOS DE INJEÇÃO ............................................................................................................. 62 3.7.4.1 Válvulas ........................................................................................................................... 62 3.7.4.2 Manómetros..................................................................................................................... 63 3.7.4.3 Tubos de Sustentação .................................................................................................... 63 3.8. METODOLOGIAS DE DIMENSIONAMENTO DE CORTINAS DE INJEÇÕES ...................................... 64 3.8.1. METODOLOGIA DE HOUSLBY ..................................................................................................... 64 3.8.1.1 Definição da necessidade de tratamento ........................................................................ 64 3.8.1.2 Pressão de injeção a utilizar ........................................................................................... 65 3.8.2. METODOLOGIA GIN ................................................................................................................... 67 3.8.2.1 Definição do valor GIN .................................................................................................... 68 3.8.2.2 Pressão de injeção a utilizar ........................................................................................... 69 3.8.2.3 Volumes de calda a injetar e sua razão A/C ................................................................... 69 3.8.2.4 Relação entre GIN e as caraterísticas da calda .............................................................. 69 3.8.2.5 Controlo do processo de injeção ..................................................................................... 70 3.8.3. METODOLOGIA DE WILSON E DREESE ....................................................................................... 70 3.9. ALGUNS E ASPETOS A CONTEMPLAR NO DIMENSIONAMENTO.................................................. 73 3.9.1. PROFUNDIDADE DA CORTINA ..................................................................................................... 73 3.9.2. EXTENSÃO DA CORTINA ............................................................................................................ 74 3.9.3. ORIENTAÇÃO E ESPAÇAMENTO DOS FUROS ............................................................................... 74 3.9.3.1 Orientação ....................................................................................................................... 74 3.9.3.2 Espaçamento dos furos da cortina .................................................................................. 75 3.10. MÉTODOS E TÉCNICAS DE INJEÇÃO .......................................................................................... 76 3.10.1. TÉCNICAS DE INJEÇÃO ............................................................................................................ 77 3.10.1.1 Injeção de todo o comprimento do furo ......................................................................... 77 3.10.1.2 Injeção por troços ascendentes .................................................................................... 78 3.10.1.3 Injeção por troços descendentes .................................................................................. 78 3.10.2. METODOLOGIAS DE INJEÇÃO ................................................................................................... 80 3.11. CONTROLO DE QUALIDADE DO TRATAMENTO POR INJEÇÕES ................................................ 81 3.11.1. ANTES DA INJEÇÃO ................................................................................................................. 82 3.11.2. DURANTE A INJEÇÃO ............................................................................................................... 82 3.11.3. APÓS A INJEÇÃO ..................................................................................................................... 83 3.12. INTEGRAÇÃO DOS TRABALHOS DE TRATAMENTO DA FUNDAÇÃO NO PLANO GERAL DE ATIVIDADES DA OBRA .......................................................................................................................... 83 Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa xi 4. APLICAÇÃO A UM CASO DE ESTUDO: BARRAGEM DA GORONGOSA ......................................................................................................................... 85 4.1. ENQUADRAMENTO GERAL ............................................................................................................ 85 4.2. CARATERIZAÇÃO GEOLÓGICA/GEOTÉCNICA .............................................................................. 86 4.2.1. CARATERIZAÇÃO EM FASE DE ESTUDO PRÉVIO ........................................................................... 86 4.2.2. CARATERIZAÇÃO EM FASE DE PROJETO DE EXECUÇÃO ............................................................... 88 4.2.2.1 Sondagens Mecânicas ..................................................................................................... 88 4.2.2.2 Ensaios de absorção de água do tipo Lugeon ................................................................ 94 4.2.2.3 Ensaios laboratoriais ........................................................................................................ 95 4.3. ESTUDO DA PERCOLAÇÃO ............................................................................................................ 97 4.3.1. GENERALIDADES ....................................................................................................................... 97 4.3.2. PROCESSO/IDEIA PARA INCREMENTAR SEGURANÇA A UMA BARRAGEM....................................... 100 4.3.3. ESTUDO E DEFINIÇÃO DO COEFICIENTE DE PERMEABILIDADE .................................................... 100 4.3.4. DEFINIÇÃO DA CORTINA DE IMPERMEABILIZAÇÃO ....................................................................... 101 4.4. MODELO DE CÁLCULO ................................................................................................................ 104 4.5. ANÁLISES DE PERCOLAÇÃO ....................................................................................................... 106 4.5.1. RESULTADOS SLIDE 5.0 VS. PHASE 2 ....................................................................................... 106 4.5.1.1 Sem cortina de impermeabilização ................................................................................ 107 4.5.1.2 Com cortina de impermeabilização................................................................................ 109 4.5.2. ESTUDOS DE SENSIBILIDADE .................................................................................................... 111 4.5.2.1 Dimensionamento da profundidade da cortina de impermeabilização .......................... 111 4.5.2.2 Dimensionamento da espessura da cortina de impermeabilização .............................. 115 4.5.2.3 Posicionamento da cortina de impermeabilização ........................................................ 116 4.5.2.4 Maior ou menor permeabilidade da cortina de impermeabilização ............................... 118 4.5.2.5 Isotropia/Anisotropia de Permeabilidade ....................................................................... 119 4.5.2.6 Condições de fronteira do problema .............................................................................. 123 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................... 127 Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa xii BIBLIOGRAFIA.....................................................................................................................................129 ANEXOS....................................................................................................................................... 133 ANEXO AI........................................................................................................................................... 135 ANEXO AII.......................................................................................................................................... 139 ANEXO AIII......................................................................................................................................... 143 ANEXO AIV.........................................................................................................................................149 Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa xiii ÍNDICE DE FIGURAS Fig. 2.1 – Falha maciço rochoso. [1] ........................................................................................................ 4 Fig. 2.2 – Superfície de estratificação. [2] ................................................................................................ 4 Fig. 2.3 – Diaclases. [3] ............................................................................................................................ 5 Fig. 2.4 – Xistosidade. [4] ......................................................................................................................... 5 Fig. 2.5 – Blocos-diagrama. [5] ................................................................................................................ 6 Fig. 2.6 – Definição da orientação do plano duma descontinuidade: (a) vista isométrica; (b) vista em planta. [5] .................................................................................................................................................. 8 Fig. 2.7 – Representação esquemática da relação entre sistema 1 e sistema 2. ................................... 8 Fig. 2.8 – Círculo maior e polos definidores da orientação dum plano. [5] .............................................. 9 Fig. 2.9 – Projeção igual ângulo (Wulff) dum círculo maior: a) representação tridimensional; b) representação em corte. [5] ................................................................................................................... 10 Fig. 2.10 – Projeção igual área (representação em corte). [5] ............................................................... 10 Fig. 2.11 – Curvas de isodensidades de concentração de polos: a) projeção igual ângulo (Wulff); (b) projeção igual área (Schmidt). [5] .......................................................................................................... 11 Fig. 2.12 – Representação esquemática curvatura e asperidades (Adaptado de Martins de Lima et al.) [5] ............................................................................................................................................................ 12 Fig. 2.13 – Perfis tipo de rugosidade e correspondentes valores de JRC. [5] ....................................... 13 Fig. 2.14 – Correlação entre amplitude das asperidades e comprimento do perfil com o valor de JRC. [5] ............................................................................................................................................................ 14 Fig. 2.15 – Correlação do recuo obtido com o martelo de Schmidt e a resistência à compressão uniaxial [5]. ............................................................................................................................................. 15 Fig. 2.16 – Representação esquemática de descontinuidade aberta com preenchimento (Adaptado de Martins de Lima et al.). [5] ...................................................................................................................... 16 Fig. 2.17 – Equipamento do ensaio de slake durability test. [5] ............................................................. 19 Fig. 2.18 – Classificação geomecânica de Bieniawski (1989). [5] ......................................................... 25 Fig. 2.19 – Classificação da condição das descontinuidades - RMR (1989). [5] ................................... 25 Fig. 2.20 – Efeito da orientação das descontinuidades - RMR (1989). [5] ............................................ 26 Fig. 2.21 – Classes de maciços - RMR (1989). [5] ................................................................................ 26 Fig. 2.22 – RQD - Designação da qualidade da rocha. [5] .................................................................... 27 Fig. 2.23 – Jn - Índice das famílias de juntas. [5] ................................................................................... 27 Fig. 2.24 – Jr - Índice de rugosidade das juntas. [5] .............................................................................. 28 Fig. 2.25 – Ja - Grau de alteração das paredes das descontinuidades. [5] .......................................... 28 Fig. 2.26 – Jw - Índice das condições hidrogeológicas. [5] .................................................................... 29 Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa xiv Fig. 2.27 – SRF - Fator de redução de tensões. [5] .............................................................................. 29 Fig. 2.28 – Classificação GSI. [5] .......................................................................................................... 30 Fig. 2.29 – Correlação valores de VP e VS com diversos tipos de terrenos. [5] .................................. 32 Fig. 2.30 – a) Trados manuais. [5]; b) Trado mecânico. [10] ................................................................ 34 Fig. 2.31 – a) Equipamento para executar as sondagens de furação [11]; b) Coroas para sondagens de furação por rotação. [5] .................................................................................................................... 34 Fig. 2.32 – Representação esquemática do método sísmico direto. [5] ............................................... 35 Fig. 2.33 – Representação esquemática do método sísmico direto. [5] ............................................... 35 Fig. 2.34 – Curvas típicas obtidas através de ensaios Lugeon. [5] ....................................................... 36 Fig. 2.35 – Ensaio de Lugeon: a) Obturador simples; b) Obturador Duplo. [5] ..................................... 37 Fig. 2.36 – Ensaio de carga em placa aplicada nas paredes de uma galeria [5].................................. 38 Fig. 2.37 – Macaco plano de grande área (LFJ). [5] ............................................................................. 38 Fig. 2.38 – Dilatómetro BHD. [5] ............................................................................................................ 39 Fig. 3.1 – Cortina de impermeabilização na redução de caudais. [12] ................................................ 42 Fig. 3.2 – Tipos de Injeções realizadas em fundações de barragens. [12] ........................................... 42 Fig. 3.3 – Esquema inicial de injeções da fundação de uma barragem: a) vista em corte [12] ............ 44 Fig. 3.4 – Tipos de caldas normalmente utilizadas em função do tipo de descontinuidades presentes no maciço. [6] ........................................................................................................................................ 45 Fig. 3.5 – Modelos reológico: (a) fluidos Newtonianos; (b) fluidos Binghamianos. [12] ........................ 45 Fig. 3.6 – Comportamento reológico dos diferentes tipos de calda: a) Suspensões particuladas; b) Soluções coloidais e soluções puras. [12] ............................................................................................. 47 Fig. 3.7 – Influência do método de mistura na velocidade de decantação de suspensões de cimento (Nonveiller, 1989). [6] ............................................................................................................................ 50 Fig. 3.8 – Equipamento utilizado para a avaliação da massa volúmica das caldas: a) Equipamento real; b) Esquema do aparelho utilizado. [18] ......................................................................................... 52 Fig. 3.9 – Cone para a execução do ensaio de fluidez: cone de Marsh. [19] ....................................... 53 Fig. 3.10 – Esquema de um molde e de uma mesa para o ensaio de espalhamento da calda. [19] ... 53 Fig. 3.11 – Esquema exemplificativo do aerómetro. [18] ...................................................................... 54 Fig. 3.12 – Moldes de aço para moldagem de provetes paralelepipédicos. [18] .................................. 55 Fig. 3.13 – a) Agulhas para determinação do início e fim de presa; b) Aparelho de Vicat. [18] ........... 56 Fig. 3.14 – Desenho esquemático do ensaio de exsudação e variação de volume. ............................ 57 Fig. 3.15 – Equipamento para avaliação da velocidade de propagação de ondas ultrassónicas. [18] 58 Fig. 3.16 – Dispositivo de carga para a determinação da resistência à flexão. [21] ............................. 59 Fig. 3.17 – Exemplo de dispositivo para ensaios de resistência à compressão. [21] ........................... 60 Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa xv Fig. 3.18 – Exemplo de misturadora. [23] .............................................................................................. 61 Fig. 3.19 – Exemplo de agitador. [24] .................................................................................................... 61 Fig. 3.20 – Bombas utilizadas na injeção de caldas de cimento: a) Primeiros tipos de bomba utilizados [22]; b) Bombas Utilizadas atualmente [25] ........................................................................................... 62 Fig. 3.21 – Exemplo de manómetro e válvula [26]. ................................................................................ 63 Fig. 3.22 – Tubos de sustentação [27]. .................................................................................................. 63 Fig. 3.23 – Fluxograma para definição da necessidade de execução de cortina de impermeabilização (adaptado de Houlsby, 1990). [12] ......................................................................................................... 64 Fig. 3.24 – Variação das pressões de ensaio com a profundidade segundo Houlsby (Silva Gomes, 1991). [6] ................................................................................................................................................ 66 Fig. 3.25 – Pressões máximas admissíveis para condições normais de injeção (adaptado de Houlsby,1990). [6] .................................................................................................................................. 66 Fig. 3.26 – Limite imposto ao processo de injeção pelo método GIN. [12]............................................ 68 Fig. 3.27 – Conjunto de curvas GIN padrão (adaptado de Gama, 2012). [12] ...................................... 69 Fig. 3.28 – Relação entre pressão (p), volume de calda injetado (V), abertura das descontinuidades (e) e penetrabilidade de uma calda (R) (adaptado de Gama, 2012). [12] ............................................. 70 Fig. 3.29 – Orientação proposta para os furos de injeção segundo a metodologia de QEGC. [12] ...... 72 Fig. 3.30 – Fase inicial de dimensionamento de uma cortina de impermeabilização. [12].................... 74 Fig. 3.31 – Algumas orientações possíveis para furos em função de diversas atitudes das famílias de descontinuidades. [12] ........................................................................................................................... 75 Fig. 3.32 – Representação esquemática de uma sequência de furos realizada segundo o método split spacing. [12] ........................................................................................................................................... 76 Fig. 3.33 – Critérios para fixação da permeabilidade máxima admissível (adaptado de Manuela M. Carvalho) [6]. .......................................................................................................................................... 77 Fig. 3.34 – Injeção por troços ascendentes. [28] ................................................................................... 78 Fig. 3.35 – Injeção pela técnica descendente com ligação permanente ao nível da boca do furo [28].79 Fig. 3.36 – Injeção pela técnica descendente com obturação no extremo superior de cada novo troço a injetar. [28] ........................................................................................................................................... 79 Fig. 3.37 – Fluxograma para a definição dos traços iniciais das caldas. [12] ........................................ 80 Fig. 4.1 – Localização da Barragem da Gorongosa. [30] ...................................................................... 85 Fig. 4.2 – Caraterização ao longo do eixo da barragem: a) planta geológica; b) perfil geológico. [31] . 86 Fig. 4.3 – Plano de prospeção geológica/geotécnica: quantidades estimadas em estudo prévio. [31] 87 Fig. 4.4 – Localização das sondagens: a) em planta; b) em perfil. [31]................................................. 88 Fig. 4.5 – Equipamento de execução das sondagens (ROLATEC RL48). [33] ..................................... 89 Fig. 4.6 – Sonda de Terzaghi. [33] ......................................................................................................... 89 Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa xvi Fig. 4.7 – Distribuição das diferentes litologias intersetadas pelos metros de perfuração. [31]. .......... 90 Fig. 4.8 – Percentagens dos diferentes estados de alteração. [31] ...................................................... 91 Fig. 4.9 – Percentagens dos diferentes estados de alteração de cada litologia intersetada. [31] ........ 91 Fig. 4.10 – Distribuição percentual das diferentes categorias de RQD ao longo do maciço intersetado. [31] ......................................................................................................................................................... 92 Fig. 4.11 – Distribuição dos diferentes estados de fracturação pelos metros de perfuração. [31] ....... 93 Fig. 4.12 – Distribuição das percentagens dos diferentes estados de fracturação intersectados. [31] 93 Fig. 4.13 – Execução de um ensaio de absorção de água. [33] ........................................................... 94 Fig. 4.14 – Ensaios de dispersividade: localização da recolha de amostras [33] ................................. 95 Fig. 4.15 – Rede de escoamento [35] ................................................................................................... 98 Fig. 4.16 – Zonamento hidráulico interpretativo [31] ........................................................................... 100 Fig. 4.17 – Disposição dos furos de injeção e furos de controlo [31]. ................................................. 102 Fig. 4.18 – Critério para os furos secundários. [31] ............................................................................ 103 Fig. 4.19 – Critério para os furos secundários. [31] ............................................................................ 103 Fig. 4.20 – Divisão do maciço de fundação em duas zonas hidráulicas distintas. ............................. 105 Fig. 4.21 – Representação do modelo utilizado: condições de fronteira e malha de elementos finitos. a)Slide 5.0; b) Phase2. .............................................................................................................. 106 e 107 Fig. 4.22 – Linhas equipotenciais e caudal percolado. a) Slide 5.0; b) Phase2........................ 107 e 108 Fig. 4.23 – Rede de Escoamento - linhas equipotenciais e fluxo. a) Slide 5.0; b) Phase2. ...... 108 e 109 Fig. 4.24 – Linhas equipotenciais e caudal percolado. a) Slide 5.0; b) Phase2.................................. 109 Fig. 4.25 – Rede de Escoamento - linhas equipotenciais e fluxo. a) Slide 5.0; b) Phase2. ................ 110 Fig. 4.26 – Resultados obtidos no modelo de projeto: a) fronteiras laterais com carga constante; b) fronteiras laterais sem carga constante. .............................................................................................. 112 Fig. 4.27 – Definição das distâncias A e B aos limites da barragem. ................................................. 112 Fig. 4.28 – Evolução do caudal percolado em função da distância A. ................................................ 113 Fig. 4.29 – Evolução do caudal percolado em função da distância B. ................................................ 114 Fig. 4.30 – Evolução do caudal percolado em função da profundidade da cortina de impermeabilização ............................................................................................................................... 115 Fig. 4.31 – Impulsos/Impulsões/Pesos hidrostáticos na combinação usual. [37] ............................... 116 Fig. 4.32 – Representação dos valores da pressão de água no contorno da barragem. ................... 116 Fig. 4.33 – Evolução das pressões na base da fundação da barragem com o aumento da profundidade da cortina. ...................................................................................................................... 117 Fig. 4.34 – Evolução do caudal percolado em função da largura da cortina de impermeabilização. . 118 Fig. 4.35 – Possíveis localizações da cortina de impermeabilização. ................................................ 119 Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa xvii Fig. 4.36 – Evolução das pressões na base da fundação da barragem com a variação da posição da cortina. .................................................................................................................................................. 120 Fig. 4.37 – Evolução do caudal percolado com o aumento da permeabilidade da cortina de impermeabilização. .............................................................................................................................. 122 Fig. 4.38 – Caudal percolado para a situação com relação kh/kv=0.05: a) domínio de percolação de projeto; b) domínio de percolação truncado para metade. .................................................................. 123 Fig. 4.39 – Caudal percolado para a situação com relação kh/kv=20: a) domínio de percolação de projeto; b) domínio de percolação truncado. ........................................................................................ 124 Fig. 4.40 – Evolução do caudal percolado com a relação kh/kv. .......................................................... 125 Figura AI.1 – Técnica para a execução de um furo pelo método ascendente com obturador. [31]. ... 136 Figura AI.2 – Técnica para a execução de um furo pelo método descendente com obturador. [31]. . 137 Figura AII.1 – Diagrama Sondagem 1. [33]. ......................................................................................... 140 Figura AII.2 – Diagrama Sondagem 1 (continuação). [33]. .................................................................. 141 Figura AIII.1 – Resultado do ensaio de Lugeon - Sondagem 1 (4,70 – 7,70 m). [33]. ........................ 141 Figura AIII.2 - Resultado do ensaio de Lugeon - Sondagem 1 (9,00 – 12,00 m). [33]. ....................... 145 Figura AIII.3 - Resultado do ensaio de Lugeon - Sondagem 1 (12,00 – 15,00 m). [33] ...................... 146 Figura AIII.4 – Quadro resumo ensaios de Lugeon. [31] ..................................................................... 147 Figura AIII.5 – Quadro resumo ensaios de Lugeon (continuação). [31] .............................................. 148 Figura AIV.1 – Resultado gráfico do modelo sem cortina de impermeabilização. .............................. 150 Figura AIV.2 – Resultado gráfico do modelo com cortina de impermeabilização com 2.5 m de profundidade......................................................................................................................................... 150 Figura AIV.3 – Resultado gráfico do modelo com cortina de impermeabilização com 5.0 m de profundidade......................................................................................................................................... 150 Figura AIV.4 – Resultado gráfico do modelo com cortina de impermeabilização com 7.5 m de profundidade......................................................................................................................................... 151 Figura AIV.5 – Resultado gráfico do modelo com cortina de impermeabilização com 10.0 m de profundidade......................................................................................................................................... 151 Figura AIV.6 – Resultado gráfico do modelo com cortina de impermeabilização com 12.5 m de profundidade......................................................................................................................................... 151 Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa xviii Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa xix ÍNDICE DE QUADROS Quadro 2.1 – Caraterização da persistência de uma família de descontinuidades. [5] ........................... 6 Quadro 2.2 - Caraterização do espaçamento de uma família de descontinuidades. [5] ......................... 7 Quadro 2.3 - Caraterização da abertura de uma descontinuidade. [5] .................................................. 13 Quadro 2.4 - Caraterização da abertura de uma descontinuidade. [5] .................................................. 16 Quadro 2.5 - Coeficientes de permeabilidade do material rocha e condutividade hidráulica de maciços rochosos [6] ............................................................................................................................................ 17 Quadro 2.6 - Graus de alteração de maciços rochosos. [5] .................................................................. 21 Quadro 2.7 - Caraterização do estado de alteração de um maciço rochoso em função da taxa de recuperação (Adaptado de Martins de Lima et al.). [5] .......................................................................... 21 Quadro 2.8 - Graus de fraturação de maciços rochosos. [5] ................................................................. 22 Quadro 2.9 - Graus de fraturação de maciços rochosos. [5] ................................................................. 22 Quadro 2.10 - Espessura das camadas. [5] ........................................................................................... 23 Quadro 2.11 - Resistência à compressão simples. [5] ........................................................................... 23 Quadro 2.12 - Ângulo de atrito das fraturas. [5] ..................................................................................... 23 Quadro 2.13 - Exemplo de classificação para fins de engenharia. [5] .................................................. 24 Quadro 2.14 - Velocidades de propagação ondas P e S. [5] ................................................................. 32 Quadro 3.1 – Protocolo de moldagem, desmoldagem e cura de provetes com caldas preparadas no laboratório e in situ.). [18] ....................................................................................................................... 55 Quadro 3.2 – Equipamentos utilizados na monitorização. ..................................................................... 82 Quadro 3.3 – Vantagens e inconvenientes da execução do tratamento da fundação antes da construção da superestrutura (baseado em Manuela Carvalho, 1993). [6] ........................................... 83 Quadro 3.4 – Vantagens e inconvenientes da execução do tratamento da fundação durante e após a construção da superestrutura (baseado em Manuela Carvalho, 1993). [6] ........................................... 84 Quadro 4.1 – Resumo das sondagens realizadas. [31] ......................................................................... 90 Quadro 4.2 - Quantificação dos comprimentos ao longo da mesma sondagem com RQD diferentes . 92 Quadro 4.3 - Percentagens de solo intersetado de cada categoria ....................................................... 92 Quadro 4.4 - Resumo dos ensaios de dispersividade. [33] ................................................................... 96 Quadro 4.5 - Resumo dos ensaios de compressão uniaxial. [33] ......................................................... 97 Quadro 4.6 - Zonas hidráulicas consideradas. [31] ............................................................................. 100 Quadro 4.7 - Resultados dos ensaios de absorção de água. .............................................................. 104 Quadro 4.8 - Caraterísticas da cortina de impermeabilização. ............................................................ 107 Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 2 Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 3 2 MACIÇOS ROCHOSOS 2.1. ENQUADRAMENTO GERAL Por forma a compreender melhor o funcionamento/resposta da fundação à necessidade de suporte de uma estrutura, neste capítulo serão abordados assuntos referentes aos maciços de fundação de barragens (maciços rochosos) tais como:  Interação maciço/estrutura;  Condicionantes ao comportamento do maciço;  Caraterísticas das descontinuidades  Propriedades dos maciços;  Classificação dos maciços;  Caraterização geotécnica dos maciços. 2.2. INTERAÇÃO MACIÇO/ESTRUTURA A interação maciço/estrutura é muito importante pois a fundação é parte integrante de qualquer obra de engenharia civil uma vez que funciona como elo de ligação entre o maciço rochoso e a estrutura que se situa acima deste. Um bom desempenho da mesma tem um papel fundamental no que respeita a verificação dos estados limite a que a estrutura poderá estar sujeita (ELU e ELS). Portanto, caso as condições adequadas da fundação não sejam verificadas, ter-se-á que proceder a tratamentos da fundação de forma a melhorar as suas caraterísticas físicas e mecânicas para garantir o funcionamento adequado do conjunto. 2.3. CONDICIONANTES AO COMPORTAMENTO DO MACIÇO ROCHOSO O comportamento dos maciços rochosos em termos de deformabilidade, de resistência ao corte e permeabilidade apenas é controlado pelas caraterísticas intrínsecas do material que constitui o maciço, caso este esteja intacto. No entanto, o que se verifica na generalidade dos casos é que os maciços não se apresentam como meios contínuos, apresentam-se compartimentados. Assim, o comportamento do maciço passa a ser controlado por estas superfícies de compartimentação que se designam por descontinuidades. Este tipo de entidade geológica, que por definição é qualquer elemento que interrompa a descontinuidade física de uma dada formação rochosa, pode ter vários tipos de acordo com o modo de formação. Falhas, superfícies de estratificação, diáclases e foliação são alguns dos principais tipos de descontinuidades. Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 4 2.3.1. FALHAS Neste tipo de fratura existe um deslocamento significativo ao longo da superfície de separação das partes que se designa vulgarmente por plano de falha. As superfícies dos blocos que delimitam a falha designam-se por paredes de falha e o espaço compreendido entre elas designa-se por caixa de falha. As falhas (figura 2.1) ocorrem em conjuntos de descontinuidades praticamente paralelas formando famílias contudo, por vezes, podem apresentar-se como unidades singulares. Fig.2.1 – Falha maciço rochoso [1] 2.3.2. SUPERFÍCIES DE ESTRATIFICAÇÃO Uma superfície de estratificação (figura 2.2) é uma descontinuidade associada ao processo de formação das rochas sedimentares com orientação paralela à superfície de deposição dos sedimentos. No entanto, as superfícies de estratificação podem, na configuração atual, não se apresentar na horizontal tal como ocorre no processo de formação. Devido a fenómenos naturais, como a tectónica de placas, as mesmas podem adquirir outra orientação, sendo que quanto mais vertical for essa orientação, maior será o potencial de risco de deslizamento aquando de uma escavação. Esta situação tem de ser considerada durante a preparação da fundação de uma barragem. Fig.2.2 – Superfície de estratificação [2] Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 5 2.3.3. DIÁCLASES As diáclases (figura 2.3) são descontinuidades que separam os maciços em blocos de menor dimensão. Geralmente, estas apresentam uma extensão reduzida visto que se formam entre superfícies primárias tais como superfícies de estratificação, de clivagem e de xistosidade. Este tipo de descontinuidades pode resultar de esforços de tração, compressão ou esforços de corte atuantes no maciço aquando da sua formação. Quando surgem conjuntos de diáclases com a mesma origem e aproximadamente paralelas está-se perante uma família de diáclases. Fig.2.3 – Diaclases [3] 2.3.4. FOLIAÇÃO A foliação surge por enfraquecimento das ligações químicas entre superfícies, essencialmente lamelares, pelas quais são constituídos certos tipos de rochas como o caso do xisto (xistosidade - figura 2.4). A xistosidade é uma caraterística que decorre da ação dos agentes de metamorfismo (temperatura e pressão) em rochas pré-existentes. Os minerais presentes nas rochas orientam-se segundo uma determinada direção de modo a originar superfícies de fraqueza sensivelmente paralelas entre si. Fig.2.4 – Xistosidade [4] Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 6 2.4. CARACTERÍSTICAS DAS DESCONTINUIDADES A descrição da qualidade de um maciço rochoso inclui a análise das caraterísticas das descontinuidades que se verificam nesse local. A grande problemática que ocorre frequentemente no tratamento de fundações rochosas é a estabilidade de blocos. A análise desta estabilidade requer o conhecimento de informação credível de dois tipos de características das descontinuidades:  Caraterísticas que definem a forma e grandeza dos blocos, e a direção segundo a qual o bloco pode deslizar (persistência, espaçamento e orientação);  Caraterísticas que definem a resistência ao deslizamento de blocos (abertura, preenchimento, resistência das paredes e rugosidade). 2.4.1. CARATERÍSTICAS QUE DEFINEM A FORMA E GRANDEZA DOS BLOCOS 2.4.1.1. Persistência A persistência define-se como a extensão em área de uma descontinuidade e afigura-se como sendo um dos parâmetros que tem maior influência no comportamento dos maciços rochosos mas também como um dos mais difíceis de determinar. A dificuldade na avaliação da persistência leva a que se recorra à representação gráfica através de blocos-diagrama (figura 2.5) com os quais se pretende representar a importância relativa das várias famílias de descontinuidades em termos de persistência. Fig.2.5 – Blocos-diagrama. [5] Pode-se obter uma quantificação da persistência de uma dada família de descontinuidades através da determinação do valor modal do comprimento do traço da superfície das descontinuidades que constituem essa família. A partir desse valor, e utilizando a classificação do quadro 2.1, caraterizase a persistência de forma qualitativa como: muito pequena, pequena, média, elevada e muito elevada. Quadro 2.1 – Caraterização da persistência de uma família de descontinuidades. [5] Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 7 2.4.1.2. Espaçamento O espaçamento é a distância entre descontinuidades adjacentes de uma mesma família. Este espaçamento pode ser medido ao longo de uma linha de observação na face de um talude, da parede de um túnel ou de um furo de sondagem (utilizando pequenas câmaras de filmar). A metodologia mais recorrente para estudar o espaçamento de diferentes famílias de descontinuidades consiste em realizar medições segundo linhas de observação com diferentes orientações, preferencialmente com uma linha de observação normal a cada família. Tal como outras caraterísticas dos maciços rochosos cujos parâmetros que as representam assumem valores com alguma dispersão, quando se procede ao estudo do espaçamento é comum estudar a distribuição dos valores obtidos para os espaçamentos entre descontinuidades da mesma família e adotar como valor representativo o valor modal dos espaçamentos. Em função desse valor modal é usual utilizar a terminologia do quadro 2.2 para descrever esta caraterística das descontinuidades. Quadro 2.2 – Caraterização do espaçamento de uma família de descontinuidades. [5] 2.4.1.3. Orientação O primeiro passo na investigação das descontinuidades de uma fundação consiste na análise da orientação (ou atitude) e identificação das famílias de descontinuidades. A informação sobre a orientação das descontinuidades pode ser obtida a partir de diferentes fontes como por exemplo mapeamento de superfície e subterrâneos, amostras e furos de sondagem, sendo necessário combinar os dados recolhidos das diferentes fontes e proceder a respetiva análise. Essa análise só é conseguida se existir uma forma única de expressar a orientação das descontinuidades. Desta forma, a orientação de uma descontinuidade no espaço é definida pelo pendor ou mergulho da linha de maior declive (dip) do respetivo plano que a contem, através do ângulo medido no sentido descendente a partir da horizontal (ψ), e pelo azimute da direção dessa mesma linha (dip direction) sendo este ângulo medido a partir do norte no sentido horário (α) – ver figura 2.6. Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 8 Fig.2.6 – Definição da orientação do plano duma descontinuidade: (a) vista isométrica; (b) vista em planta. [5] Nas aplicações práticas é usual representar os dados da orientação das descontinuidades na forma de azimute da direção (3 dígitos) /pendor (2 dígitos), como por exemplo 150/40 – sistema 1. Para outros profissionais desta área, como por exemplo os geólogos, é preferível representar a orientação das descontinuidades pelos valores do azimute da reta de nível (strike), medido a partir do Norte para Este ou Oeste por forma a não ultrapassar 90º, e pelo pendor da reta de maior declive – sistema 2. É usual indicarem na representação o sentido em que é medido o strike (por exemplo N strike E) e o sentido do mergulho (em função do quadrante para o qual se dá, por exemplo SE). No entanto, pode-se passar de um sistema de representação da orientação das descontinuidades para o outro recorrendo às equações 2.1 e 2.2. º90 12  AzimuteStrike (equação 2.1) 12 PendorPendor  (equação 2.2) Retomando o exemplo dado anteriormente (150/40) faz-se uma demonstração de como esta passagem se efetua, auxiliada palas equações 2.1 e 2.2 e por uma representação esquemática (ver figura 2.7). Fig.2.7 – Representação esquemática da relação entre sistema 1 e sistema 2. Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 9 º90 AzimuteStrike º90º150 Strike º60Strike 12 PendorPendor  º40Pendor No final a orientação da descontinuidade na classificação de geólogo ficaria N60ºE /40ºSE. No que se refere aos dados da orientação das descontinuidades há que considerar uma dualidade de critérios de tratamento em função do tipo de descontinuidade em causa. As falhas ou filões, dada a sua importância, têm um tratamento individual sendo estudadas em pormenor com a realização de trabalhos de prospeção e representando-as em cartas geológicas, perfis geológicos e blocosdiagrama. No caso de descontinuidades que ocorrem em grande número é praticamente impossível representa-las na totalidade, pelo que se recorre com frequência à análise estatística das suas caraterísticas sobretudo das orientações medidas com o objetivo de obter uma imagem do tipo de compartimentação. Existem diferentes métodos para fazer a representação e análise das relações tridimensionais entre planos e retas num diagrama bidimensional. O método que tem sido largamente utilizada no campo da geologia estrutural e nos últimos anos na resolução de problemas de engenharia é a Projeção Hemisférica. Para melhor perceber as bases do método e como resulta a sua aplicação, apresenta-se de seguida um exemplo. Considere-se uma esfera livre de se mover no espaço que é intersetada por um plano, sendo a esfera colocada de forma a que o plano passe pelo seu centro. Essa interseção do plano com a superfície da esfera é designada por círculo maior e corresponde ao perímetro da zona sombreada dentro da esfera que se observa na figura 2.8. A reta perpendicular ao plano que passa pelo centro da esfera interseta esta em dois pontos diametralmente opostos designados por polos do plano, também eles representados na figura 2.8. Fig.2.8 – Círculo maior e polos definidores da orientação dum plano. [5] Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 10 Visto que o círculo maior e os polos surgem na parte superior e inferior da esfera, apenas se terá que representar e trabalhar os dados do plano num dos hemisférios. Em engenharia usualmente utiliza-se o hemisfério inferior. A projeção hemisférica permite a representação do círculo maior e dos polos no plano equatorial. Esta projeção pode ser conseguida recorrendo a dois métodos: projeção igual ângulo (Wulff) ou projeção igual área (Lambert e Schmidt). A projeção igual ângulo, tal como mostra a figura 2.9, consegue-se ligando todos os pontos do círculo maior situados sobre a esfera de referência e dos polos com o zénite 1 . As projeções hemisféricas do círculo maior e dos polos são dadas pelas interseções das respetivas linhas de projeção com o plano equatorial. Fig.2.9 – Projeção igual ângulo (Wulff) dum círculo maior: a) representação tridimensional; b) representação em corte. [5] Na projeção igual área, alternativa à anterior, qualquer ponto P’ situado na superfície do hemisfério inferior, representativo de uma reta que passa pelo centro da esfera, é representado no plano equatorial de projeção por um ponto P (figura 2.10) situado no alinhamento do plano vertical que contem aquela reta e se situa a uma distância do centro da área de projeção igual ao quociente da distância entre B e P’ por 2 . Fig.2.10 – Projeção igual área (representação em corte). [5] 1 Ponto de interseção da reta vertical que passa pelo centro da esfera com a superfície do hemisfério superior. a) b) Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 11 Quando se recorre ao tratamento e representação dos dados de orientação de descontinuidades manualmente é preferível utilizar a projeção igual ângulo dada a facilidade de representação. Nas aplicações práticas de engenharia em que o número de descontinuidades a analisar é elevado impõe-se recorrer a meios informáticos para o tratamento dos dados. Nestes casos, em que com menos esforço se conseguem obter as representações gráficas das descontinuidades, é preferível recorrer ao método de projeção de igual área, uma vez que com este se obtêm menores distorções na representação. Atualmente existem no mercado diversos softwares que permitem tratamento informático dos dados e, através destes, é possível obter layouts gráficos que facilitam a interpretação dos resultados. Na figura 2.11 apresenta-se um exemplo do resultado que se pode obter através do software DIPS (Rocscience). Fig.2.11 – Curvas de isodensidades de concentração de polos: a)projeção igual ângulo (Wulff); (b) projeção igual área (Schmidt). [5] Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 18 Sendo: k = coeficiente de permeabilidade hidráulica equivalente (cm/s); g = aceleração da gravidade (981 cm/s2); e = abertura das fissuras (cm); ν = viscosidade dinâmica do fluido (0.0101 cm2/s para a água a 20ºC); b = espaçamento entre as descontinuidades (cm). O tipo de ensaio a realizar depende das condições geológicas do maciço e da exigência de precisão do valor obtido para a permeabilidade numa determinada obra. Normalmente a permeabilidade é determinada “in situ” realizando ensaios de injeção de água. Estes ensaios serão abordados com mais pormenor na secção 2.7.3.2. 2.5.2. PROPAGAÇÃO DAS ONDAS SÍSMICAS As propriedades elásticas das rochas são determinadas por um lado pela composição mineralógica e por outro pela importância e pela morfologia das descontinuidades. Em particular, a velocidade de propagação das ondas longitudinais (Vp) e das ondas transversais (Vs) variam muito com a presença de descontinuidades. Portanto, a velocidade de propagação das ondas sísmicas pode ser utilizada para detetar a presença de fissuras e descontinuidades nas rochas e mesmo quantificá-las através da razão entre o valor da velocidade de propagação medido numa rocha sã (em laboratório) e o correspondente medido no maciço rochoso compartimentado (in situ). Os ensaios de caraterização através da propagação das ondas sísmicas serão tratados na secção 2.7.3.1 do presente trabalho. O facto de este método não ser destrutivo e a facilidade de aplicação e obtenção de resultados no terreno, afiguram-se como as principais vantagens que levam em muitos estudos preliminares a adotar este método. 2.5.3. DURABILIDADE A durabilidade é a resistência da rocha aos processos de alteração e fragmentação, podendo também ser designada por alterabilidade. Esta é caraterística do material rocha e não tanto do material rochoso (compartimentado), uma vez que está associada à ação dos agentes de meteorização tais como a água, o ar e a temperatura que provocam a degradação das rochas e consequentemente a alteração das suas propriedades. O estudo da durabilidade da rocha tem particular interesse na caraterização da fundação de uma barragem pois poderá indicar o risco de ocorrência de arraste de material devido à presença e percolação de água ao longo da mesma. Este arraste tenderá a abrir as fissuras e descontinuidades presentes na rocha, aumentando a permeabilidade da fundação e pondo em causa a funcionalidade e segurança da barragem. O ensaio slake durability test (figura 2.17) é o ensaio utilizado para determinar esta caraterística das rochas e consiste em submeter a rocha, previamente fragmentada, a ciclos normalizados de secagem, humidificação e ação mecânica. Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 19 Fig.2.17 – Equipamento do ensaio de slake durability test. [5] O parâmetro que permite quantificar esta durabilidade é o índice de durabilidade (ID) que representa a percentagem de rocha seca que fica retida numa rede metálica (que faz parte do equipamento de ensaio) após 1 ou 2 ciclos completos, é dado pela equação 2.5. amostradainicialPeso ciclosdoisouumdedepoisoPeso ID___ ______sec_ (%)  (equação 2.5) 2.5.4. DEFORMABILIDADE Deformabilidade significa a capacidade que o maciço apresenta para suportar esforços sob cargas aplicadas ou em resposta à descarga (por exemplo numa escavação). O estudo da deformabilidade dos maciços rochosos foi sendo imposto sobretudo pelo projeto das grandes barragens de betão. Quando se pretende avaliar a influência da deformabilidade no estado de tensão e nos deslocamentos de barragens pode-se recorrer a métodos analíticos. No entanto, mesmo os métodos mais evoluídos, não conduzem a resultados com precisão satisfatória (Rocha, 1981) [7]. Com o decorrer dos anos foi-se tornando cada vez mais importante a modelação física e numérica das barragens, tendo sofrido constantes evoluções fruto da sua crescente aplicação. Para se fazer uma análise por modelos analíticos, físicos ou numéricos é necessário a obtenção de parâmetros que caraterizem a deformabilidade. Nos primeiros estudos de caraterização da deformabilidade dos maciços rochosos, a obtenção de valores corretos para o módulo de deformabilidade da fundação constituía um desafio que enfrentava grandes dificuldades. Contudo o reconhecimento de que os valores obtidos em ensaios de laboratório de amostras de rocha não podiam ser considerados representativos da deformabilidade da fundação, devido à influência das descontinuidades e da alteração da rocha, levou ao desenvolvimento de métodos de ensaio que envolvem grandes volumes de maciço rochoso, representando o comportamento global deste. Os principais ensaios para caraterizar a deformabilidade serão abordados mais à frente na secção 2.7.3.3. Peso seco depois de um ou dois ciclos Peso inicial da amostra Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 20 2.6. CLASSIFICAÇÃO DOS MACIÇOS ROCHOSOS Um dos aspetos mais importantes no que diz respeito ao estudo de terrenos para fins de engenharia civil é o da respetiva classificação. Nas aplicações práticas, tende-se a basear a classificação sempre nos mesmos parâmetros para a tornar numa classificação universal. Relativamente aos solos, existem já critérios de classificação universalmente aceites. Pelo contrário, no que diz respeito aos maciços rochosos, não há ainda nenhuma classificação universal embora existam propostas de vários autores com muitos pontos semelhantes. Do ponto de vista da Geologia de Engenharia, a classificação dos terrenos deverá basear-se em critérios geológicos mas também em parâmetros que visem as aplicações práticas de engenharia civil. Surgiram então diversas classificações que permitiram contemplar estes aspetos e das quais se salientam:  Classificações geológicas;  Classificações para fins de engenharia;  Classificações geomecânicas. 2.6.1. CLASSIFICAÇÕES GEOLÓGICAS É corrente iniciar-se um estudo de uma dada formação rochosa pela classificação geológica. Apesar de esta não ser uma classificação absoluta, é certo que continua a utilizar-se sistematicamente nos trabalhos de caraterização em virtude da informação implícita que acarreta. Por exemplo, o facto de se dizer que se está perante uma rocha solúvel em água, cria de certa forma um alerta para problemas que essa dissolução possa implicar. No entanto uma classificação baseada apenas na designação litológica não é suficiente para caraterizar o maciço. O estado de alteração e fracturação, a presença ou ausência de material de enchimento das descontinuidades e a sua qualidade, ou mesmo as condições hidrológicas fazem variar muito as caraterísticas do maciço. É por isso que nesta classificação, realizada pelos geólogos, a descrição do material contempla estes aspetos. Tais descrições, embora muito informativas, tem o inconveniente de poderem ser subjetivas, por se basearem normalmente na opinião do autor. Daqui surge a necessidade de fazer acompanhar a classificação de um dado material de grandezas quantitativas que mantenham o seu valor, independentemente da pessoa que faz a classificação. 2.6.1.1. Classificação tendo em conta o estado de alteração das rochas e a estrutura geológica dos maciços rochosos. O estado de alteração e o grau de fraturação são os dois primeiros parâmetros a ter em conta. O estado de alteração é vulgarmente indicado à custa da sua descrição baseada em métodos expeditos de observação. O número de graus de alteração a considerar varia com o tipo de problema e consequentemente com a necessidade de pormenorizar a informação respetiva. Em grande parte dos casos é suficiente considerar cinco graus de alteração dos maciços rochosos, conforme se expõem no quadro 2.6. Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 21 Quadro 2.6 – Graus de alteração de maciços rochosos. [5] Outro método para caraterizar o estado de alteração é a taxa de recuperação (TR). Esta pode ser determinada quando se realizam sondagens com recuperação contínua da amostra através da equação 2.6. 100(%)   L li TR (equação 2.6) Sendo: li = Soma de todos os tarolos obtidos numa manobra de sondagem; L = Comprimento total da manobra de sondagem. O valor obtido para a taxa de recuperação depende muito da qualidade do equipamento utilizado na furação. Apesar de não haver nenhuma publicação nem estudo que demonstre que assim o é, na prática é vulgar considerar a seguinte classificação em função da taxa de recuperação (quadro 2.7). Quadro 2.7 – Caraterização do estado de alteração de um maciço rochoso em função da taxa de recuperação (Adaptado de Martins de Lima et al.). [5] No que diz respeito ao estado de fraturação de um maciço há vários métodos, razoavelmente semelhantes entre si, que caraterizam o espaçamento entre diaclases. Apresenta-se no quadro 2.8 a classificação elaborada por uma comissão da ISRM. Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 22 Quadro 2.8 – Graus de fraturação de maciços rochosos. [5] Em 1967, Deere desenvolveu um sistema de classificação que relaciona o estado de alteração e o estado de fraturação. Este baseia-se num índice que designou por RQD (Rock Quality Designation) que é definido a partir de testemunhos de sondagens com recuperação contínua, podendo ser obtido pela equação 2.7. 100 )10(   L cmli RQD (equação 2.7) Sendo: )10(cmli   = Soma dos troços de amostras com comprimento superior a 10 cm numa manobra de sondagem; L = Comprimento total furado em cada manobra de sondagem. Em função do valor de RQD, são apresentados no quadro 2.9 as designações propostas por Deere para classificar a qualidade dos maciços rochosos. Quadro 2.9 – Classificação do maciço em função do valor de RQD. [5] A classificação dos maciços rochosos, baseada nos valores de RQD, apesar de ser muito útil e de fácil aplicação é bastante limitada pois o valor de RQD não é representativo da ação de todas as descontinuidades na estabilidade da estrutura geológica. As superfícies de estratificação e de xistosidade são exemplos de estruturas que não têm representação neste sistema de classificação pois não são detetáveis por muitas vezes apresentarem comprimentos inferiores aos 10 centímetros, definido como limite inferior das amostras a considerar. Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 23 2.6.1.2. Descrição geotécnica básica (Basic Geotechnical Description – BGD) A descrição geotécnica básica foi proposta pela ISRM e constitui um passo importante no sentido de estruturar a informação tendo em vista as aplicações em engenharia civil. Numa primeira abordagem deve-se realizar um zonamento prévio em função da identificação de zonas em que haja uniformidade de caraterísticas (baseado em variações de litologia, estado de alteração e grau de alteração). Posteriormente devem fazer parte da “descrição básica” aspetos como:  Caraterização geológica (tipo de rocha, grau de alteração (W) – quadro 2.6, natureza das descontinuidades e das estruturas geológicas);  Caraterísticas estruturais (espaçamentos das fraturas (F) – quadro 2.8, e espessura das camadas – ver quadro 2.10); Quadro 2.10 – Espessura das camadas. [5]  Caraterísticas mecânicas (resistência à compressão simples (S) – quadro 2.11, e ângulo de atrito das descontinuidades (A) – quadro 2.12). Quadro 2.11 – Resistência à compressão simples. [5] Quadro 2.12 – Ângulo de atrito das fraturas. [5] Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 24 2.6.2. CLASSIFICAÇÕES PARA FINS DE ENGENHARIA Nas classificações geológicas apresentadas anteriormente construía-se a classificação do material rochoso através da observação macroscópica de amostras ou afloramentos. Nas classificações para fins de engenharia abordam-se outros critérios, nos quais os ensaios físicos ganham outra importância. Os critérios mais correntes de classificação do material rocha baseiam-se nos parâmetros seguintes:  Módulo de elasticidade (E);  Resistência à compressão simples;  Velocidade de propagação das ondas sísmicas (Vp e Vs). No quadro 2.13 apresenta-se um exemplo de classificação da qualidade dos maciços rochosos, baseada nos valores do quociente das velocidades de propagação in situ e em laboratório (Vp,m/Vp,l), bem como da relação entre os módulos de elasticidade (Ed,m/Ed,l), e apresenta-se a correlação destes quocientes com valores de RQD e com a frequência das fraturas no maciço. Quadro 2.13 – Exemplo de classificação para fins de engenharia. [5] 2.6.3. CLASSIFICAÇÕES GEOMECÂNICAS As classificações geomecânicas são utilizadas para caraterizar os maciços rochosos através de um conjunto de propriedades identificadas por observação direta e ensaios realizados in situ. Não existe uma proposta unificada para proceder a esta classificação e por isso apresentam-se três propostas distintas de classificação: Bieniawski, Barton e a classificação GSI. 2.6.3.1. Classificação de Bieniawski (Sistema RMR) Em 1976, Bieniawski publicou a sua proposta, baseado numa vasta experiência em obras subterrâneas. Anos mais tarde, em 1989, esta proposta foi revista e será essa proposta que será apresentada neste trabalho. Portanto, a classificação baseia-se no princípio de atribuição de pesos a seis parâmetros que Bieniawski considerou contribuírem significativamente para o comportamento dos maciços rochosos: 1. Resistência à compressão uniaxial da rocha intacta; 2. RQD (Rock Quality Designation); 3. Espaçamento das descontinuidades; 4. Condição das descontinuidades; 5. Influência da água; 6. Orientação das descontinuidades. Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 25 A aplicação desta classificação a um maciço rochoso implica a divisão deste em várias zonas onde as caraterísticas sejam semelhantes de modo a que sejam tratadas separadamente. A tabela presente na figura 2.18 permite determinar os pesos relativos às cinco primeiras caraterísticas, sendo que o quarto parâmetro (condição das descontinuidades) pode ser melhor detalhada através da tabela representada na figura 2.19. Fig.2.18 – Classificação geomecânica de Bieniawski (1989). [5] Fig.2.19 – Classificação da condição das descontinuidades - RMR (1989). [5] (ver figura 2.19) Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 26 A orientação das descontinuidades em relação à orientação da escavação, constitui um corretor ao somatório dos pesos atrás atribuídos e pode ser determinado através do quadro presente na figura 2.20. Fig.2.20 – Efeito da orientação das descontinuidades - RMR (1989). [5] No final, com o valor obtido para o RMR pode-se classificar o maciço rochoso de acordo com cinco classes, tal como se pode ver na tabela presente na figura 2.21. Fig.2.21 – Classes de maciços - RMR (1989). [5] Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 27 2.6.3.2. Classificação de Barton (Sistema Q) Com base num grande número de escavações subterrâneas, Barton, Lien e Lund propuseram, em 1974, uma classificação que assenta na definição do índice Q (equação 2.8) baseado na análise também de seis fatores considerados relevantes para a caraterização do comportamento dos maciços rochosos. SRF J J J J RQD Qw a r n  (equação 2.8) É de salientar que os três quocientes que compõem a expressão correspondem a três aspetos relativos ao maciço rochoso:  n J RQD Carateriza a estrutura do maciço (dá uma ideia genérica da dimensão dos blocos);  a r J J Caracteriza as descontinuidades e/ou o seu enchimento sob o aspeto da rugosidade e do grau de alteração;  SRF Jw Representa o estado de tensão no maciço rochoso. Os parâmetros da equação 2.5 têm o significado indicado nos quadros das figuras 2.22 a 2.27. Fig.2.22 – RQD - Designação da qualidade da rocha. [5] Fig.2.23 – Jn - Índice das famílias de juntas. [5] Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 34 sondagens de furação), com ou sem recuperação de amostras e acompanhadas ou não da realização de ensaios. A realização de sondagens mecânicas com trado é usual em terrenos brandos quando se pretende atingir profundidades pouco elevadas, permitindo recolher amostras remexidas. Fig.2.30 – a)Trados manuais. [5]; b)Trado mecânico. [10] As sondagens por penetração não permitem a recolha de amostras. São utilizadas em maciços até profundidades médias (da ordem das dezenas de metros) para avaliar as caraterísticas de resistência. As sondagens de furação podem atingir algumas dezenas de metros de profundidade e permitem a colheita de amostras remexidas ou intactas. A cravação das varas de sondagem pode ser realizada utilizando a energia de percussão (em solos ou rochas brandas) ou a energia de rotação (em solos ou rochas duras). Nas fundações das barragens, quando o objetivo é caraterizar os maciços, utilizam-se correntemente sondagens de furação por rotação, pois os maciços são em geral de boa qualidade e pretende-se obter amostras para analisar e testar em laboratório. A ferramenta de furação é uma coroa (figura 2.31). Fig.2.31 – a)Equipamento para executar as sondagens de furação [11]; b)Coroas para sondagens de furação por rotação. [5] a) b) a) b) Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 35 Na execução de furos para o tratamento por injeções de cimento de fundações de maciços rochosos é frequente a utilização de furação destrutiva. A localização e orientação das sondagens deve ser condicionada pelas informações disponíveis no momento da sua execução e pela natureza da informação exigida. Dada a importância da compartimentação no comportamento dos maciços, deve ser escolhida uma orientação por forma a intersetar o maior número de famílias que se prevê que ocorram. 2.7.3. ENSAIOS IN SITU ALIADOS ÀS FORMAS DE PROSPEÇÃO GEOTÉCNICA No interior de furos de sondagem, das galerias e poços podem realizar-se vários ensaios, nomeadamente: ensaios sísmicos, ensaios de permeabilidade e ensaios de deformabilidade. 2.7.3.1. Ensaio sísmico entre furos (cross hole seismic test, CHT) O ensaio sísmico entre furos (figura 2.32) consiste em gerar ondas de corte (ondas P e/ou S) no terreno a determinada profundidade, por meio de um impacto no interior de um furo de sondagem, registando-se a sua chegada a recetores colocados num furo próximo deste (entre 4 a 5 m). Fig.2.32 – Representação esquemática do método sísmico direto. [5] A figura 2.33 ilustra a representação dos resultados de uma campanha sísmica recorrendo a leques sísmicos e o resultado da interpretação dos valores medidos através de linhas de iso-velocidade. Fig.2.33 – Representação esquemática do método sísmico direto. [5] Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 36 2.7.3.2. Ensaio de permeabilidade tipo Lugeon Os ensaios de injeção de água sob pressão permitem caraterizar a permeabilidade equivalente do maciço à custa da percolação forçada de água num troço de um furo de sondagem. Fornece resultados sobre a contribuição conjunta de todas as fraturas atravessadas, não fazendo a distinção no que respeita à anisotropia típica desta propriedade. O ensaio de Lugeon é o ensaio mais frequentemente utilizado. Este consiste na injeção radial de água sob pressão num certo trecho de um furo de sondagem, previamente realizado, e na medição da quantidade de água que entra no maciço rochoso durante um determinado intervalo de tempo. Este é realizado em vários patamares de pressão crescentes ou decrescentes (correntemente segundo a sequência P1, P2=2*P1, P3=2*P2, P2, P1) que permitem traçar curvas de caudal (Q) vs pressão (P) (ver figura 2.34) e tirar conclusões quanto ao regime de percolação instalado no maciço e estado e tipo de fracturação do local na vizinhança do ensaio. Fig.2.34 – Curvas típicas obtidas através de ensaios Lugeon. [5] Em regra, estes ensaios vão sendo realizados à medida que o furo vai prosseguindo, em trechos de comprimento variável (vulgarmente 5 ou 3 m). Neste caso, o limite inferior do trecho é o fundo do furo e o limite superior é definido pela posição de um obturador (figura 2.35a). Quando o ensaio é realizado num trecho intermédio do furo de sondagem utiliza-se um obturador duplo (figura 2.35b) ou mesmo quádruplo. a) Laminar b) Colmatagem c) Desobstrução d) Turbulento e) “Claquage” Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 37 Fig.2.35 – Ensaio de Lugeon: a) Obturador simples; b) Obturador Duplo. [5] A tendência de normalização levou a que o ensaio fosse feito sempre nas mesmas condições, o que conduziu a que se passasse a utilizar uma unidade típica para este ensaio – o Lugeon. Esta unidade corresponde ao valor médio de absorção de um 1 litro de água por minuto e por metro de furo para um patamar de injeção com a duração de 10 minutos em que a pressão se estabilizada no valor de 1 MPa. A uma unidade Lugeon corresponde um valor de k de 1.0*10-5 a 2.0*10-5 cm/s (para sondagens de diâmetros entre 5 e 10 cm). 2.7.3.3. Ensaios de deformabilidade Na caraterização da deformabilidade dos maciços rochosos interessa que esta seja o mais representativa possível, tornando-se essencial afetar volumes mais significativos de maciço aquando da realização do ensaio, para ter em conta a influência das heterogeneidades e descontinuidades. A forma de se conseguir aceder a estes volumes de material passa por realizar os ensaios dentro do próprio maciço, utilizando galerias, poços e furos de sondagem. Um exemplo de ensaio em que se utilizam as galerias e poços para a sua realização é o chamado Ensaio de Placa (figura 2.36) e consiste aplicar carga nas paredes destes elementos de prospeção e medir deslocamentos. O módulo de deformabilidade do terreno pode obter-se a partir da equação 2.11.   r P E2 )1( 2   (equação 2.11) Sendo: P – pressão de ensaio aplicada ao maciço; ν – coeficiente de Poisson; r – raio da placa (no caso de ser circular); δ – assentamento verificado para a pressão P. a) b) Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 38 Fig.2.36 – Ensaio de carga em placa aplicada nas paredes de uma galeria [5] Naturalmente neste tipo de ensaio, quanto maior for a área de contacto da placa que transmite as pressões ao maciço rochoso, maior será o volume de terreno envolvido e mais representativo serão os resultados obtidos. Outro método para a determinação da deformabilidade dos maciços rochosos baseia-se na medição dos deslocamentos relativos das faces duma fenda aberta por meio de um disco de um metro de diâmetro (ver figura 2.37), sujeita a uma pressão uniforme aplicada por um macaco de paredes finas. O ensaio designa-se tipicamente por LFJ (Large Flat Jack) e apresenta-se como um meio pouco utilizado dado o seu elevado custo e tempo de execução, apesar de permitir caraterizar muito bem a deformabilidade dos maciços. Fig.2.37 – Macaco plano de grande área (LFJ). [5] Medidor de deslocamentos Placa de carga Estrutura de reação Macaco hidráulico Deformómetros Ligações dos extensómetros Entrada de óleo Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 39 Em qualquer dos ensaios referidos é necessário aceder aos locais de ensaio (tipicamente galerias e poços) e proceder à preparação das superfícies, tendo todos os cuidados necessários para que este decorra da melhor forma. Só quando perante um projeto de uma obra importante, e depois de bem definidas as caraterísticas geotécnicas das diferentes zonas do maciço, se justifica a adoção destes métodos. Daí que se tenham desenvolvido métodos que tiram partido dos furos de sondagem realizados em qualquer campanha de prospeção de maciços. Um desses métodos utiliza o dilatómetro BHD desenvolvido pelo LNEC (ver figura 2.38). Fig.2.38 – Dilatómetro BHD. [5] Da aplicação deste ensaio obtém-se o módulo dilatométrico através da expressão representada na equação 2.12:   p Edil   )1( (equação 2.12) Sendo: Edil – módulo dilatométrico (MPa); ν – coeficiente de Poisson; ϕ – diâmetro do furo (m); Δp – variação entre a pressão mínima e máxima aplicada nas paredes do furo (MPa); δ – deformação das paredes do furo (m). O módulo dilatométrico é correlacionável com o módulo de deformabilidade. Deste modo, como o ensaio é realizado a várias profundidades e daí decorre a obtenção do módulo dilatométrico ao longo da profundidade do furo de sondagem, é possível efetuar um zonamento do maciço tendo módulo de deformabilidade como referência. Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 40 Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 41 3 INJEÇÕES DE CALDA DE CIMENTO 3.1. ENQUADRAMENTO GERAL A descoberta de um local com as características ideais para a implementação de qualquer obra geotécnica é um dos passos mais importantes em todo o processo. É cada vez mais complicada a descoberta de tais locais devido ao constante aumento de ocupação do território para as mais variadas atividades. Como tal, a ocupação e tratamento de zonas previamente consideradas menos adequadas para a construção de barragens tem vindo a ganhar importância. Já em 1802 o conceito de injetar uma mistura auto-endurecedora à base de cimento em profundidade tinha sido explorada por Charles Bérigny em Dieppe - França, com o objetivo de aumentar a capacidade portante de uma eclusa. Ao longo dos 40 anos subsequentes, vários engenheiros franceses continuaram a explorar este conceito. Desde então, o desenvolvimento das técnicas de tratamento de maciços rochosos por injeção de caldas de cimento tem mantido um ritmo acelerado, sendo que esta área continua a ser um tema dinâmico e desafiante. Neste capítulo apresentam-se alguns conceitos ligados ao tratamento de terrenos recorrendo a injeções e caldas de cimento tais como:  Objetivos da execução de injeções;  Tipos de injeções na fundação de barragens;  Tipos de caldas;  Caraterísticas das caldas;  Métodos de ensaio de caldas de injeção;  Equipamentos associados à injeção;  Metodologias de dimensionamento de cortinas de injeções;  Alguns aspetos a contemplar no dimensionamento;  Métodos e técnicas de injeção;  Controlo de qualidade do tratamento por injeções;  Integração dos trabalhos de tratamento da fundação no plano geral de atividades da obra. 3.2. OBJETIVOS DAS INJEÇÕES DE CALDA DE CIMENTO Qualquer maciço de fundação apresenta as suas particularidades geotécnicas que lhe conferem um comportamento único, quer em termos de permeabilidade quer em termos de resistência. É então que surge a necessidade de tratar esses maciços por forma a melhorar e adequar as caraterísticas destes às necessidades que a construção de uma barragem implica. Portanto, com a injeção de caldas de cimento pretende-se atingir essencialmente dois objetivos:  Redução de caudais (caraterísticas hidráulicas);  Maior capacidade resistente e menor deformabilidade (caraterísticas mecânicas). Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 42 3.2.1. REDUÇÃO DE CAUDAIS A redução de caudais continua a ser o principal motivo para o recurso às injeções nos maciços rochosos. Em muitos casos é pretendida uma redução permanente, como no caso da construção de cortinas de impermeabilização sob barragens (figura 3.1). Fig.3.1 – Cortina de impermeabilização na redução de caudais. [12] 3.2.2. MAIOR CAPACIDADE RESISTENTE E MENOR DEFORMABILIDADE Um tratamento por injeção de caldas à base de cimento para preenchimento das fraturas de um maciço pode devolver-lhe praticamente as características geotécnicas que este apresentava antes de sofrer fracturação e como tal, ao aproximar o maciço do seu estado inicial (maciço são), conseguese recuperar as caraterísticas de resistência e deformabilidade. 3.3. TIPOS DE INJEÇÕES NAS FUNDAÇÕES DE BARRAGENS Existem essencialmente dois tipos de injeções (figura 3.2) que podem ser realizados em barragens com fundações em maciços rochosos:  Injeções de consolidação;  Injeções de impermeabilização. Fig.3.2 – Tipos de Injeções realizadas em fundações de barragens. [12] Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 43 3.3.1. INJEÇÕES DE CONSOLIDAÇÃO As injeções de consolidação têm como principal objetivo aumentar a compacidade das rochas, melhorando a sua resistência mecânica e seu módulo de elasticidade. Emprega-se em rochas fraturadas de baixa resistência e refletem-se na sua impermeabilização. Os termos anglo-saxónicos blanket grouting e consolidation grouting são utilizados em português como sinónimos em relação ao tratamento de fundações de barragens em maciços rochosos. Apesar de ambos serem realizados a profundidades relativamente pequenas ao longo de áreas a montante e a jusante da cortina de impermeabilização, os seus objetivos são distintos (Weaver e Bruce, 2007). 3.3.1.1. Blanket grouting Este tipo de injeções não ultrapassa em geral mais do que 6-9 m de profundidade (dependendo da espessura da zona permeável) e são destinados a reparar falhas na fundação, tal como rocha fraturada [14]. Este termo deve ser reservado para definir injeções superficiais realizadas sob barragens em aterro, cujos objetivos são:  Reduzir as perdas de água por percolação;  Reduzir a infiltração;  Limitar a velocidade de percolação em zonas relativamente permeáveis a pequena profundidade. Com a execução deste tratamento, essencialmente debaixo do núcleo da barragem, pretende-se que a probabilidade de arraste e perda de material do núcleo seja a mais reduzida possível. A execução deste tratamento, quando considerado apropriado, deve ser concluída antes da construção de uma barragem. 3.3.1.2. Consolidation grouting O preenchimento de grandes fraturas para o ganho de resistência de uma grande zona de maciço rochoso é comumente referido como consolidation grouting. Neste caso, a designação em inglês deve ser utilizada quando se pretende referir a injeções realizadas sob barragens de betão, onde a perda de materiais constituintes do núcleo não é um problema (Weaver e Bruce, 2007). O principal objetivo deste tratamento é o melhoramento da resistência mecânica da fundação, diminuindo a sua deformabilidade, fazendo com que a probabilidade de ocorrência de assentamentos, muito prejudiciais para as estruturas rígidas como são as barragens de betão, seja a mais reduzida possível. Ambos os tipos de tratamento são geralmente realizados num padrão geométrico (figura 3.3) dependendo no entanto, das condições geológicas. Pode ser mais apropriado dispor os furos em fiadas paralelas à cortina de impermeabilização. Na maioria dos casos, será aconselhável realizar os furos em direções opostas de modo a aumentar a probabilidade de certas entidades geológicas paralelas, como falhas e descontinuidades, serem intersectadas por furos. Este tipo de injeção é realizado em toda a área de fundação da barragem, geralmente com uma grelha de furos primários espaçados 3 m entre si, exceto em zonas onde as características geológicas locais exigem um tratamento especial (Gama, 2012). Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 50 3.5.2.1. Viscosidade [6] A viscosidade é a resistência interna de um fluido à tendência de circular, sendo controlada pela relação A/C da calda, pelas características do cimento e dos aditivos presentes na mistura. As características de hidratação do cimento bem como o tempo, a energia e a temperatura durante o processo de mistura também influenciam a viscosidade 3.5.2.2. Coesão e tixotropia [6] O termo coesão, no comportamento de fluidos, é utilizado como indicador da tixotropia. A tixotropia é a propriedade de um material que causa endurecimento num curto espaço de tempo quando em repouso, adquirindo uma resistência a fluir que pode ser reduzida quando é agitado mecanicamente. Esta é uma característica dominante no comportamento da calda de cimento e que pode criar grandes complicações no caso de um processo de injeção ter que ser interrompido, para mais tarde ser retomado. 3.5.2.3. Decantação [6] Segundo Nonveiller (1989) a finura das suspensões de cimento aumenta quando se utilizam misturadoras de alta turbulência. Tal como se pode verificar na figura 3.7, a decantação é muito menor quando a suspensão é preparada com misturador de alta turbulência. Figura 3.7 – Influência do método de mistura na velocidade de decantação de suspensões de cimento (Nonveiller, 1989). [6] A influência do método de mistura na velocidade de decantação é mais evidente em caldas espessas (razão A/C – 0.8:1) e repercute-se na decantação apresentada pela suspensão. Esta ocorre por ação da gravidade, que faz com que as partículas sólidas da calda assentem, tendo um efeito prejudicial no tratamento da fundação, pois afeta a homogeneidade final da mistura. Um bom tratamento terá necessariamente que passar por um nível bastante baixo de decantação, idealmente inferior que 2% (Gama, 2012). Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 51 3.5.2.4. Pressofiltração [6] A injeção de caldas à base de cimento em descontinuidades com aberturas reduzidas é semelhante a pressionar a calda contra um material filtrante. Assim, dependendo da formulação da calda, a água pode ser expelida desta, levando ao desenvolvimento da sedimentação da argamassa de cimento nas paredes do furo. Com o passar do tempo, esta argamassa irá bloquear a entrada nas descontinuidades, obturando injeções futuras. A tendência da calda para perder água durante a injeção é quantificada pelos termos coeficiente de pressofiltração - (Kpf), e coeficiente de crescimento do cake 2 - (Kpc), podendo estes coeficientes ser obtidos pelas equações 3.1 e 3.2. 2 1   t V V k i f pf (equação 3.1) 2 1   thkpc (equação 3.2) Sendo: Vf = Volume do filtrado (ml); Vi = Volume inicial da amostra (ml); h = Espessura do cake (mm); t = Duração do ensaio (min). De modo a aumentar a penetrabilidade de uma determinada calda é necessário que esta apresente um baixo Kpc de modo a minimizar o aumento da viscosidade aparente (coesão e viscosidade real) associada. A coesão de uma calda pode ser reduzida através da adoção de relações A/C elevadas. No entanto, a mistura resultante irá apresentar um elevado Kpf, o que significa que essa mistura apresentará uma penetrabilidade reduzida. Portanto, terá que se encontrar uma combinação ideal para a razão A/C de forma a apresentarem-se valores de coesão adequados sem que a penetrabilidade seja afetada. 3.6. MÉTODOS DE ENSAIO DE CALDAS DE INJEÇÃO Quando se junta cimento e água iniciam-se imediatamente uma série de reações químicas que, transformam progressivamente a suspensão água-cimento numa matriz sólida. Este processo tem associado a perda de plasticidade da mistura até atingir a “presa”. Esta consiste na rigidificação do material tornando-o praticamente não deformável, ainda que a sua resistência à compressão possa ser pouco significativa. Os métodos de ensaio para avaliar algumas caraterísticas das caldas de cimento podem então dividir-se em três categorias:  Ensaios no estado fresco;  Ensaios durante o endurecimento;  Ensaios no estado endurecido. 2 Coeficiente de crescimento do cake – reflete a forma como se dá o crescimento do “bolo” que resulta da mistura de cimento e água (calda de cimento). Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 52 3.6.1. ENSAIOS DE CALDAS NO ESTADO FRESCO Considera-se que os materiais à base de cimento estão no “estado fresco” quando ainda apresentam comportamento plástico. A caracterização deste estado deve ocorrer logo após a conclusão da mistura e como critério uniformizador de reprodutibilidade das condições da calda tende-se sempre a adotar a mesma sequência na realização dos ensaios. 3.6.1.1. Peneiração Este ensaio consiste em verter um litro de calda fresca para um peneiro (dimensão máxima da abertura do peneiro ≤ 2mm) e verificar se ficam retidos grumos. Este ensaio pode ser utilizado para retirar uma amostra de calda para determinar a sua massa volúmica, por forma a obter um valor desta o mais representativo possível e pode também ser feito enquanto se enche o cone do ensaio de fluidez. 3.6.1.2. Massa Volúmica Segundo a norma NP EN 445:2008 [19], esta propriedade nas caldas de injeção para armaduras de pré-esforço é estimada pelo quociente entre a massa e o volume da calda no estado fluído. No entanto, a mesma norma, refere que uma “balança para lama” constitui um equipamento aceitável para a determinação da massa volúmica. Um exemplo de equipamento que se pode utilizar para a determinação desta propriedade é um aparelho de equilíbrio (figura 3.8). Figura 3.8 – Equipamento utilizado para a avaliação da massa volúmica das caldas: a) Equipamento real; b) Esquema do aparelho utilizado. [18] Este aparelho permite a leitura direta da massa volúmica da calda, uma vez que dispõe de uma escala graduada em g/cm3 – não sendo necessário qualquer cálculo para a determinação da massa volúmica. 3.6.1.3. Fluidez A fluidez de uma calda pode ser determinada utilizando o método do cone de Marsh ou o método do espalhamento de calda. A determinação da viscosidade aparente com o cone de Marsh (figura 3.9) é feita segundo o seguinte procedimento (NP EN 445:2008): a) b) Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 53  Introduz-se no cone 1500 ml de água;  Mede-se o tempo de escoamento de 947 ml de água;  Introduz-se no cone 1500 ml de calda;  Mede-se o tempo de escoamento de 947 ml de calda. A comparação dos resultados obtidos dá uma ideia da viscosidade da calda em relação à viscosidade da água. Figura 3.9 – Cone para a execução do ensaio de fluidez: cone de Marsh. [19] O método de espalhamento da calda é um método apropriado para caldas tixotrópicas e que, segundo a norma NP EN 445:2008, consiste:  Encher um molde com calda (figura 3.10);  Levantar uniformemente o molde e mantê-lo trinta segundos sobre a calda;  Medir o espalhamento em duas direções perpendiculares; Obtém-se como resultado o diâmetro de espalhamento como sendo a média das duas medições. Figura 3.10 – Esquema de um molde e de uma mesa para o ensaio de espalhamento da calda. [19] 3.6.1.4. Teor em ar O teor em ar pode ser determinado utilizando o aerómetro. Na Figura 3.11 apresenta-se um exemplo real do equipamento de ensaio utilizado para a sua determinação. Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 54 Figura 3.11 – Esquema exemplificativo do aerómetro. [18] Para a realização do ensaio deve seguir-se o seguinte procedimento [18]:  Introduzir a calda na base do aerómetro;  Retirar o excesso com auxílio de uma régua metálica através de movimentos transversais e com lenta progressão – “movimento de serra”;  Limpar a extremidade da base para que o aerómetro encoste diretamente na parte metálica da base, livre de calda, permitindo assim uma vedação perfeita do conjunto;  Posicionar o aerómetro sobre a base e garantir que as válvulas estão fechadas (posição para baixo);  Saturar a amostra de calda com água, abrindo as duas válvulas (posição para cima) do aerómetro;  Fechar imediatamente e em simultâneo as duas válvulas no instante em que começar a sair calda em fluxo contínuo pela válvula de saída – momento de saturação da amostra;  Comprimir a amostra através do manípulo localizado na parte superior do aerómetro até que o ponteiro ultrapasse a marca vermelha;  Corrigir o ponteiro ao valor “zero” através do botão de descompressão;  Registar o valor do teor em ar da amostra, indicado pelo ponteiro do aerómetro; 3.6.1.5. Moldagem, Desmoldagem e Cura de Provetes Paralelepipédicos Este tópico não se refere propriamente a um ensaio, mas sim à preparação de provetes paralepipédicos, para posteriormente determinar a resistência à compressão de caldas de injeção. Seguindo a recomendação da norma NP EN 445:2008 [19], os provetes paralelepipédicos são preparados em moldes de aço (figura 3.12) de três prismas de dimensões 160 x 40 x 40 [mm3]. Esta norma prevê que a moldagem seja feita de acordo com o protocolo apresentado na norma NP EN 196-1:2006 [21] com as necessárias adaptações por se tratar de uma calda em vez de argamassa. Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 55 Figura 3.12 – Moldes de aço para moldagem de provetes paralelepipédicos. [18] A diferença entre a preparação de provetes paralepipédicos de caldas preparadas no laboratório e preparadas in situ consiste no acondicionamento dos moldes preenchidos com calda nas primeiras 24 horas de cura. Os moldes preenchidos com as caldas preparadas no laboratório, são colocados em câmaras de cura em condições controladas de temperatura e humidade, enquanto os moldes preenchidos com calda preparada in situ são deixados ao ar livre, à sombra e protegidos com uma placa de vidro e um pano húmido. Ao fim das 24 horas procede-se à desmoldagem cuidada dos provetes de acordo com o procedimento descrito na Norma NP EN 196-1:2006 [21]. Os moldes utilizados são desmontáveis, permitindo uma desmoldagem que evita que as amostras fiquem danificadas. Os provetes de caldas preparadas no laboratório são identificados e mergulhados em água na câmara de cura onde permaneceram até à data de ensaio e os provetes de caldas preparadas in situ são levados para o laboratório e colocados nas mesmas condições. No quadro 3.1 está sistematizado o protocolo de moldagem, desmoldagem e cura dos provetes paralelepipédicos de caldas preparadas no laboratório e in situ. Quadro 3.1 – Protocolo de moldagem, desmoldagem e cura de provetes com caldas preparadas no laboratório e in situ.). [18] Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 56 3.6.2. ENSAIOS DE CALDAS DURANTE O ENDURECIMENTO 3.6.2.1. Início e fim de presa Nos materiais à base de cimento, o instante em que o material rigidifica, isto é, passa do estado líquido para o estado sólido designa-se “presa”, sendo a sua determinação exata difícil. Tipicamente, distinguem-se dois momentos: início de presa, que consiste no tempo decorrido entre a amassadura e a perda de plasticidade e fim de presa que consiste no tempo necessário para que a pasta adquira a firmeza suficiente para resistir a certa pressão. Neste trabalho adotou-se como referência o disposto na norma NP EN 447:2008 [21] que prevê a determinação do início e do fim de presa de caldas de injeção para armaduras de pré-esforço. Neste ensaio utiliza-se uma agulha (figura 3.13 a)) de 1 mm2 de secção, sob acão de um peso de 300 g, fazendo leituras de profundidade de penetração da agulha, em intervalos de tempo periódicos. Assume-se como início de presa o momento em que a agulha já não atravessa a calda até ao fundo, ficando a 4±1 mm da base. A seguir, substitui-se a agulha por outra semelhante com um anel de 5 mm de diâmetro, colocado a 0,5 mm da sua extremidade. Periodicamente, pousa-se esta agulha na superfície da calda e considera-se que se atingiu o fim de presa quando a agulha deixa a sua marca sem que o anel imprima qualquer sinal, isto é, quando a agulha penetra menos que 0,5 mm. Na figura 3.13 b) apresenta-se uma imagem do equipamento utilizado neste ensaio que se denomina aparelho de Vicat. Figura 3.13 – a) Agulhas para determinação do início e fim de presa; b) Aparelho de Vicat. [18] a) b) Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 57 3.6.2.2. Exsudação e Variação de volume Para a determinação da exsudação e da variação de volume de caldas de cimento para injeções de armaduras de préesforço, recorrendo a norma NP EN 447:2008 [20], pode utilizar-se o ensaio com mecha (figura 3.14). Figura 3.14 – Desenho esquemático do ensaio de exsudação e variação de volume. O ensaio consiste em:  Encher o tubo (transparente) com calda a partir do fundo ou utilizando um tubo interior, até 10 mm acima dos cordões de aço - ho;  Medir a altura da calda hg e a altura da água exsudada hw nos seguintes períodos de tempo após o enchimento: 15 mim, 30 min, 45 min, 1 h, 2h, 3h, 24h. Como resultado deste ensaio obtêm-se dois valores: um valor para a exsudação e outro para a variação de volume dados, respetivamente, pelas equações 3.3 e 3.4. (%)100 o w h h Exsudação (equação 3.3) (%)100__    o og h hh volumedeVariação (equação 3.4) Variação de Volume Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 58 3.6.3. ENSAIOS DE CALDAS NO ESTADO ENDURECIDO Considera-se que os materiais à base de cimento estão no “estado endurecido” quando já não apresentam comportamento plástico. A caracterização neste estado faz-se determinando a velocidade de propagação de ondas sísmicas e as resistências mecânicas à compressão e à flexão em diferentes fases do desenvolvimento do fenómeno de endurecimento das caldas nomeadamente, aos 2, 7 e 28 dias de idade. 3.6.3.1. Velocidade de propagação de ondas ultrassónicas Este ensaio consiste na emissão de um impulso elétrico de frequência ultrassónica (50 kHz) que é conduzido a um transdutor emissor (Tx) colocado em contacto com a superfície do provete a analisar. A onda atravessa o provete sendo captada por outro transdutor recetor (Rx), também em contacto com a superfície do provete, onde é transformado novamente num impulso elétrico e conduzido de volta ao equipamento que mede diretamente o tempo gasto no percurso (figura 3.15). Figura 3.15 – Equipamento para avaliação da velocidade de propagação de ondas ultrassónicas. [18] Dado que o equipamento em causa permite introduzir a informação sobre a distância percorrida entre os transdutores, dispõe também de um software que calcula a velocidade aparente de propagação da onda naquele percurso, recorrendo à equação 3.5. t d Vaparente  (equação 3.5) Sendo: Vaparente = velocidade aparente de propagação das ondas ultrassónicas (m/s); d = distância percorrida pela onda (entre os transdutores) (m); t = tempo gasto pela onda a percorrer a distância entre os transdutores (μs). Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 59 O ensaio é realizado três vezes sobre o mesmo provete, registando-se três velocidades de propagação distintas, tomando-se o valor máximo obtido como o valor representativo. Esse valor poderia ser utilizado para comparar com velocidades de propagação padrão para as caldas de cimento. Como estas correlações não existem, pode-se aferir de forma indireta a qualidade da calda através da medição da velocidade de propagação entre diversos pontos do provete. Comparando esses valores entre si é possível detetar locais ou direções onde a calda não se apresente, por exemplo homogénea, com a presença de vazios ou grumos que alteram as suas caraterísticas intrínsecas. 3.6.3.2. Resistência mecânica A resistência mecânica das caldas de cimento é avaliada segundo o método indicado na norma NP EN 196-1:2006. Este método consiste na determinação da resistência à compressão e, em complemento, a resistência à flexão de provetes de forma prismática com dimensões 40 mm x 40 mm x 160 mm, cujo método de preparação já foi referido no ponto 3.7.1.6. Para determinar a resistência à flexão utiliza-se o método de aplicação de uma carga concentrada a meio vão, através do equipamento que se demonstra na figura 3.16. Figura 3.16 – Dispositivo de carga para a determinação da resistência à flexão. [21] O método consiste em colocar o prisma no dispositivo da figura 3.16 com uma face lateral de moldagem sobre os cilindros de apoio e o seu eixo longitudinal perpendicular aos apoios. De seguida aplicar a carga verticalmente por meio de um cilindro de carga sobre a face lateral oposta do prisma e aumentá-la uniformemente à velocidade de (50±10) N/s até à rotura, registando o valor que levou à mesma (Ff). Deve conservar-se os prismas que resultam cobertos com um pano húmido até ao momento do ensaio à compressão. Calcula-se a resistência à flexão Rf, em MPa, através da equação 3.6: 3 5.1 b lF Rf f   (equação 3.6) Dimensões em milímetros Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 66 Fig.3.24 – Variação das pressões de ensaio com a profundidade segundo Houlsby (adaptado de Silva Gomes, 1991). [6] Houslby apresentou também critérios para a determinação da pressão máxima de injeção em função da profundidade e da qualidade do maciço que se pretende tratar. Assim sendo, propôs critérios que fazem a fronteira entre as rochas sãs, rochas em condições médias e rochas brandas (figura 3.25). Fig.3.25 – Pressões máximas admissíveis para condições normais de injeção (adaptado de Houlsby,1990). [6] Na mesma figura encontram-se representada a regra europeia (1bar/m), que constitui o limite superior da gama de critérios apresentados e normalmente utilizados, e a regra americana (1psi/pé) que se apresenta como sendo praticamente o limite inferior. É também representada outra regra Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 67 utilizada, que compara as pressões máximas de injeção com o valor das cargas sobrejacentes considerando um fator de majoração de 1.5 e uma massa específica média de 2.3 t/m3, obtendo a reta “1.5*carga sobrejacente”. No entanto, as regras apresentadas deverão ser sempre ajustadas em face dos resultados obtidos nos ensaios de permeabilidade e de injetabilidade executados no maciço a tratar. Deverá utilizar-se a pressão mais elevada de injeção possível. No entanto, deve ter-se em consideração os valores das pressões críticas de forma a acautelar a ocorrência do fenómeno de fraturação hidráulica. Este fenómeno provoca a abertura das descontinuidades já existentes e eventualmente a abertura de novas fendas, enfraquecendo o maciço e provocando deslocamentos superficiais. A utilização das pressões máximas possíveis tem como objetivo o melhor aproveitamento dos furos e a obtenção de maior continuidade da cortina através da máxima penetração de calda. Durante o processo de injeção verificam-se deformações no maciço que está a ser tratado, logo desde o início. Isto deve-se ao facto da circulação de calda no maciço provocar variações no estado de tensão instalado. Há medida que as pressões de injeção sobem, as tensões instaladas reduzem-se até se anularem, sendo este processo de deformação a causa dos movimentos superficiais. A definição da pressão de injeção apropriada, considerando a finalidade do tratamento, as propriedades do maciço e o tipo de calda que vai ser utilizado é muito importante não só do ponto de vista económico mas também da qualidade final do tratamento. 3.8.2. METODOLOGIA GIN Baseados na ideia que, a ocorrência de fenómenos como levantamento e fraturação hidráulica, empolamento do terreno, alcance de penetração de uma calda, correspondem a uma determinada combinação de propriedades da calda utilizada, da pressão aplicada e dos volumes injetados, Lombardi e Deere (1993) introduziram o conceito de intensidade de injeção. Pode afirmar-se que a probabilidade de ocorrência de danos estruturais num determinado maciço será mais elevada quando for adotada uma combinação de pressão de injeção e volume injetados elevados. Por outro lado, a utilização de volumes de injeção elevados a pressões reduzidas raramente provocam problemas. Baseado nestas considerações, o GIN foi definido como (equação 3.8): VpGIN  (equação 3.8) Sendo: p = pressão de injeção (KPa); V = volume de calda injetado num trecho de 1 m (l/m). O principal objetivo do GIN passa pela limitação da pressão de injeção segundo um determinado GIN (figura 3.26). Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 68 Fig.3.26 – Limite imposto ao processo de injeção pelo método GIN. [12] Deve ter-se em conta que, para além do limite correspondente à curva GIN, e tal como nos métodos convencionais de injeção, é necessária a imposição de limites máximos de pressão e de volume de calda a injetar, bem como a razão A/C. 3.8.2.1. Definição do valor GIN A definição do valor teórico GIN é praticamente impossível dado o grande número de variáveis desconhecidas acerca do maciço de fundação a tratar. Por esta razão Lombardi (1996) propôs dois métodos possíveis para definir o valor GIN apropriado: um método experimental e um método observacional. O método experimental passa por realizar ensaios de injetabilidade em diferentes zonas do maciço, consideradas como homogéneas, medindo a penetrabilidade da calda injetada em função dos valores GIN. Depois de determinada uma penetrabilidade de teste (Rt) e aplicando as equações 3.9 e 3.10 é possível obter um valor de GIN. 3)/( ttt GINcRK  (equação 3.9) t tt GIN Rc Rc GIN    3 3 (equação 3.10) Sendo: K = Fator de injetabilidade; Rt = Penetrabilidade de teste; ct = coesão de teste da calda utilizada; GINt = Valor GIN de teste; R = Penetrabilidade da calda utilizada; c = coesão da calda utilizada; GIN = Valor GIN. Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 69 O método observacional passa por iniciar o processo de injeção com a definição empírica de um GIN com base em experiencias anteriores ou em dados bibliográficos e posteriormente ir adaptando esse valor em função dos resultados obtidos. Na figura 3.27 apresentam-se alguns valores GIN de referência, definidos através da experiência obtida por Lombardi ao longo de várias obras. Fig.3.27 – Conjunto de curvas GIN padrão (adaptado de Gama, 2012). [12] 3.8.2.2. Pressão de injeção a utilizar O valor da pressão de injeção máxima é, em principio independente do valor GIN selecionado, e deve ser função dos objetivos que se pretende atingir para a obra. 3.8.2.3. Volumes de calda a injetar e sua razão A/C Na definição do volume de calda a injetar deve também ter-se em atenção as condições locais do maciço. No entanto, este limite não pode ser visto como uma barreira, mas sim como uma indicação da necessidade de tomada de uma decisão, que poderá ser:  Continuar a injeção;  Parar definitivamente ou temporariamente a injeção;  Abandonar o furo e realizar um novo;  Adicionar um produto à calda (geralmente adjuvantes);  Qualquer outra medida adequada. No que diz respeito à definição do tipo de calda a utilizar, Lombardi e Deere (1993) dão preferência à utilização de caldas estáveis e diferentes misturas com relações A/C entre 0.7:1 e 1:1. 3.8.2.4. Relação entre GIN e as caraterísticas da calda A viscosidade de uma calda controla a velocidade de circulação desta, enquanto a coesão influencia a distância máxima de penetração, para determinadas pressões aplicadas e aberturas de descontinuidades. Também se sabe que o GIN é referente ao final da injeção e portanto, nesta altura, já não há efeitos dinâmicos sendo a velocidade nula. É possível então dizer que o GIN se Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 70 encontra apenas relacionado com a coesão e portanto com a penetrabilidade. Através da análise do ábaco da figura 3.28 pode facilmente concluir-se que o GIN é proporcional à potência de terceira ordem da penetrabilidade. Como o GIN será um valor aproximadamente constante então a distância máxima de penetração da calda também o será. Fig.3.28 – Relação entre pressão (p), volume de calda injetado (V), abertura das descontinuidades (e) e penetrabilidade de uma calda (R) (adaptado de Gama, 2012). [12] 3.8.2.5. Controlo do processo de injeção Todo o processo de injeção de furos através do método GIN é realizado em tempo real por computadores e outros equipamentos automatizados que registam os parâmetros de injeção mais importantes em cada trecho. Para além disso, estes equipamentos conseguem também traçar gráficos referentes a relações entre vários parâmetros:  Pressão - tempo;  Caudal - tempo;  Absorção – tempo;  Pressão – absorção;  Penetrabilidade – absorção. A interpretação destes gráficos permite a caracterização do processo de injeção e a deteção atempada da ocorrência de fenómenos de fracturação ou levantamento hidráulico, sendo assim possível a adaptar a injeção às características reais do maciço rochoso. 3.8.3. METODOLOGIA DE WILSON E DREESE Wilson e Dreese (1998) descreveram um processo de dimensionamento que incluía os efeitos das várias configurações possíveis de cortinas de impermeabilização no seu desempenho e custos. Posteriormente (2003), os mesmos autores refinaram este processo apresentando o conceito de cortinas de impermeabilização quantificadas (Quantitatively Engineered Grout Curtain – QEGC). Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 71 Este conceito implica que todos os elementos de projeto sejam baseados numa análise quantitativa e em diversas considerações, tais como:  Implicações na segurança da barragem;  O valor da água perdida por percolação (através de uma análise custo/beneficio);  A aceitação pública e política da percolação de águas residuais. Quando em 1998, Wilson e Dreese propuseram esta forma de dimensionamento, afirmaram que o método QEGC podia facilmente ser integrado nos procedimentos de construção de qualquer obra de modo a assegurar que a quantidade certa de calda é injetada de forma a garantir o desempenho esperado para a cortina de impermeabilização. Para se poder aplicar este método há uma série de pré-requisitos, definidos por Wilson e Dreese em 1998, a que se deve obedecer (Gama, 2012):  Prospeção geotécnica e ensaios de absorção de água em quantidade suficiente de modo a determinar, minuciosamente, a sequência litológica, estrutura e características do sistema de fraturas e condutividade hidráulica do maciço e o grau de meteorização. Os resultados obtidos através destes ensaios deverão ser sempre os mesmos, independentemente da metodologia escolhida:  Perfis geológicos, geotécnicos e hidráulicos;  Orientações de famílias de descontinuidades e outras características físicas e mecânicas;  Valor de condutividade hidráulica para cada unidade geotécnica, baseada em ensaios realizados segundo as orientações mais adversas;  Diagramas de comportamento de descontinuidades, realizados a partir de ensaios de absorção com patamares de pressão ascendentes e descendentes;  Incluir os seguintes aspetos no relatório de projeto:  Identificação de zonas com potencial para servirem de base “impermeável” da cortina;  Determinação das orientações mais vantajosas para os furos de injeção;  Identificação de zonas críticas ou que necessitem de cuidados especiais;  Seleção de condutividades hidráulicas para o dimensionamento;  Determinação preliminar de pressões de injeção máximas.  Análise detalhada da rede de percolação existente no maciço, nomeadamente:  A quantidade de água percolada e a sua pressão, de modo a averiguar a necessidade de tratamento;  Determinar a intensidade de injeção necessária;  Avaliar locais e configurações alternativas para a cortina.  Uma análise custo/benefício de modo a comparar o custo do tratamento ao valor da água perdida por percolação;  Uso dos melhores procedimentos de execução em todos os aspetos da operação de injeção;  Execução de ensaios de absorção de água em cada trecho de cada furo durante o programa de injeções para garantir que os requisitos de projeto foram atingidos;  Ferramentas analíticas e de monitorização com exatidão, velocidade e utilidade suficientes que promovam uma compreensão e controlo dos resultados do processo de injeção conforme a informação é obtida. Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 72 Para a apreciação preliminar da necessidade de injeção ou das velocidades de percolação na fase de anteprojeto, Wilson e Dreese (1998) dizem ser suficiente recorrer a uma análise da percolação pela Lei de Darcy ou pela construção de redes de percolação simples. O recurso ao uso de modelação por computador e a análise pelo método dos elementos finitos também é apropriado nas fases preliminares e finais de dimensionamento, onde estes procedimentos podem ser utilizados para determinar a necessidade de executar uma ou mais fiadas de injeção para o tratamento do maciço. Os principais objetivos da utilização dos métodos referidos passam por:  Avaliar os efeitos de possíveis mudanças de localização das cortinas no que toca à sua facilidade de construção e eficácia;  Avaliar os efeitos da configuração definida para uma determinada cortina nos seus custos de execução;  Selecionar a localização e profundidade final da cortina;  Finalizar a seleção de variáveis, como a orientação dos furos, o seu espaçamento inicial, a sua profundidade e a técnica de injeção utilizada. Em 1998, Wilson e Dreese concluíram que em condições ideais, com a construção de uma única fiada de injeções de impermeabilização se conseguiam obter permeabilidades da ordem de 3 a 8 Lu e que com a construção de uma tripla fiada se obtinham permeabilidades da ordem de 0.1 Lu. No entanto, na realidade está-se longe de se ter as condições ideais, muitas vezes preconizadas em projeto. Como tal, em casos práticos correntes com a construção de uma cortina de uma fiada resultariam permeabilidades próximas de 80 Lu, enquanto com cortinas triplas essa permeabilidade seria reduzida para 8 Lu. Mais recentemente (2009) os autores já citados em colaboração com Bruce atualizaram o método, visto que muitos aspetos relacionados com a construção de cortinas tinha sofrido avanços importantes. Apresentam-se aqui algumas das atualizações mais importantes:  Embora se mantenha a utilização da técnica de split spacing para a execução da cortina, agora são realizadas duas fiadas, com os respetivos furos inclinados em direções opostas, como é possível observar na figura 3.29;  São utilizadas caldas à base de cimento estáveis com aditivos e adjuvantes que lhes permitem obter as propriedades reológicas desejadas, sendo a utilização de caldas à base de cimento puras com relações A/C elevadas e quantidades nominais de bentonite ou outro superplastificante não mais aceitável;  O controlo de qualidade do tratamento é efetuado atualmente por equipamentos de monitorização automática; Fig.3.29 – Orientação proposta para os furos de injeção segundo a metodologia de QEGC. [12] Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 73 3.9. ALGUNS E ASPETOS A CONTEMPLAR NO DIMENSIONAMENTO O custo da água armazenada tem vindo a tornar-se uma consideração cada vez mais importante no que se refere ao projeto de medidas que minimizam as probabilidades de perda de água. Portanto, é cada vez mais importante, que o processo de dimensionamento da cortina e de todo o programa de injeções leve em consideração as características geológicas e hidrológicas do maciço e que a melhor tecnologia disponível seja utilizada. Existem parâmetros que são fundamentais contemplar no dimensionamento de uma cortina de impermeabilização:  Profundidade da cortina;  Extensão da cortina;  Espaçamento e orientação dos furos. 3.9.1. PROFUNDIDADE DA CORTINA O tipo e profundidade da cortina de injeções dependem dos resultados obtidos nos estudos e ensaios prévios de caraterização do maciço interessado. Mesmo durante a execução do tratamento é normalmente necessário proceder a alterações e adaptações resultado da sucessiva informação complementar que se obtém. Pode considerar-se uma grande variedade de tipos de cortina, podendo estas ser constituídas por uma ou várias fiadas de furos, verticais ou inclinados para montante ou jusante e com profundidade também ela muito variável. A profundidade dos furos de impermeabilização depende de vários fatores tais como (Manuela Carvalho, 1993):  Tipo e altura da barragem;  Gradiente de percolação;  Caraterísticas hidrogeológicas do maciço de fundação;  Perdas de água admissíveis para a albufeira;  Alteração das caraterísticas mecânicas do maciço devido à percolação;  Caraterísticas de fraturação do maciço. Quando se está a realizar o projeto, as informações ainda são escassas e como tal é comum adotar algumas regras para fixar a profundidade do tratamento. As mais usuais são (Silva Gomes, 1991):  A profundidade da cortina é constante ao longo de toda a barragem; Este critério não é o mais correto pois não toma em consideração o facto de nas zonas da fundação correspondentes às maiores alturas da barragem ocorrerem maiores cargas.  A profundidade do tratamento é definida com base na carga hidráulica máxima em cada ponto; Neste critério já se consideram as diferentes cargas que ocorrem ao longo da barragem, ignorando-se no entanto as maiores absorções que normalmente ocorrem à medida que se sobe nos encontros.  A profundidade é definida em função da carga hidráulica máxima (H) em cada ponto, à qual se adiciona um valor fixo (por exemplo: H/3 +10 m); Este critério é o mais aconselhável pois considera as diferentes cargas ao longo da barragem e as maiores absorções previstas para os encontros. Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 74 Apesar disto em 2003, Ewert diz a respeito da definição da profundidade da cortina que devem ser as condições geológicas, e não considerações geométricas, o principal fator na determinação da profundidade a atingir pelo tratamento, mesmo que leve à construção de uma cortina assimétrica (Gama 2012). Independentemente do método seguido, com a obtenção de informação mais detalhada e condizente com a realidade da obra em estudo ao longo da execução da cortina, há que fazer os devidos ajustes. 3.9.2. EXTENSÃO DA CORTINA [12] De modo a prevenir que a água consiga circular à volta da cortina através de maciço não tratado, (mais permeável) a cortina deve ser alargada para o interior do maciço. Ewert sugere que ela seja estendida até ao ponto em que a altura de água do reservatório intercete o nível freático natural (Gama, 2012). Refere ainda que maciços permeáveis criam uma inclinação no nível freático, estendendo-o potencialmente para o interior dos encontros, requerendo uma ampliação da cortina. Se as inclinações dos encontros acima do coroamento da barragem forem relativamente suaves, basta continuar a cortina ao longo destes. No caso de encontros íngremes, é habitual recorrer ao uso de furos em leque de modo a finalizar a cortina. Os furos em leque são geralmente realizados muito próximos uns dos outros, mas com inclinações sucessivamente menores o que, assumindo que não existe nenhum desvio, coloca o seu nível mais profundo à distância máxima permitida entre furos normais quando estes atingem a distância pretendida para além do final da cortina. No entanto, é necessário ter em conta que sempre existirão desvios nos eixos dos furos e que eles tenderão a ser maiores, quanto mais inclinados for o seu eixo. Portanto, o espaçamento real entre furos na base da cortina pode ser muito diferente do que o indicado pelo dimensionamento. 3.9.3. ORIENTAÇÃO E ESPAÇAMENTO DOS FUROS 3.9.3.1. Orientação Em termos da orientação, é comum a execução de todos os furos perpendiculares em relação à inclinação da superfície do terreno (figura 3.30), com o objetivo de se obter uma cortina com uma profundidade igual à dos furos. Fig.3.30 – Fase inicial de dimensionamento de uma cortina de impermeabilização. [12] Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 75 No entanto, existe a possibilidade de que descontinuidades com uma inclinação idêntica à dos furos não sejam intersectadas por estes e, portanto, não sejam tratadas. Idealmente, os furos devem ser realizados com orientações que lhes permitam intersectar o maior número descontinuidades possível (figura 3.31). Fig.3.31 – Algumas orientações possíveis para furos em função de diversas atitudes das famílias de descontinuidades. [12] 3.9.3.2. Espaçamento dos furos da cortina No que diz respeito à definição do espaçamento dos furos na cortina, este depende das dimensões e da importância da barragem. Podem referir-se três métodos:  Método livre; Neste método, os furos são posicionados sem qualquer ordem específica, geralmente em zonas do maciço que apresentem valores de condutividade hidráulica acima dos pretendidos. Este método é geralmente utilizado para barragens pequenas, oscilando o espaçamento dos furos entre 6 e 12 m.  Método de espaçamento fixo; Os furos são espaçados a uma distância pré-definida, geralmente entre 1 a 5 m, sem qualquer outra organização. Este método é utilizado em barragens onde a perda de água não tem uma importância elevada e portanto os limites de permeabilidade impostos são mais flexíveis; Os dois métodos apresentados, apesar de ainda serem utilizados, não permitem a obtenção de cortinas de impermeabilização eficazes, essenciais em obras de grande importância e onde perdas de água elevadas não são toleradas. Para o tratamento desses casos existe o método de split spacing.  Método de split spacing. O conceito de split spacing foi proposto por Nonveiller (1970). Neste, o espaçamento inicial entre os furos constituintes da cortina deve ser escolhido de modo a que as áreas de penetração da calda que se esperam obter não se sobreponham inicialmente. Geralmente esse espaçamento é da ordem dos 12 m, podendo ser reduzido até 6 m em casos onde a permeabilidade seja baixa o suficiente que garanta a impossibilidade de contacto entre os furos. Esses furos, denominados de primários, são então executados, realizados ensaios de permeabilidade e posteriormente injetados até uma profundidade ou permeabilidade prédefinida (geralmente na ordem de 1 a 10 Lu). O espaçamento entre furos é então reduzido para metade e o processo repetido quantas vezes forem necessárias até ser atingida a permeabilidade pretendida ao longo de toda a cortina. Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 82 3.11.1. ANTES DA INJEÇÃO Nesta fase, o controlo de qualidade é focado na avaliação das caraterísticas das caldas que serão utilizadas, bem como do comportamento do maciço a tratar. No que diz respeito ao controle da qualidade da calda existem certos requisitos que se devem cumprir. Embora a resistência seja um dos parâmetros mais importantes na maioria das caldas de cimento, no que se refere às caldas para injeções de permeação, este parâmetro não é decisivo. Existem outros parâmetros, como a resistência à retração e a exsudação, bem mais decisivos para o correto desempenho das caldas. Os métodos de ensaio para a caraterização das caldas e controle de qualidade já foram abordados na secção 3.7 do presente trabalho. Quanto ao controle da qualidade dos maciços é realizado através de diagrafias durante a furação. O conceito de execução de diagrafias durante a furação (MWD – Measurement While Drilling) é simples na sua filosofia, relativamente direto na sua aplicação e de um valor inestimável para o projetista (Bruce, 2003). Baseia-se no facto que cada furo realizado no maciço ser uma fonte de informação geotécnica sobre a resposta do maciço ao tratamento. Este conceito é aplicável aos furos de ensaio mas também aos furos de injeção. 3.11.2. DURANTE A INJEÇÃO O objetivo da monitorização de qualquer obra durante a execução passa pela verificação de que as especificações impostas pelo projetista estão a ser cumpridas e, na maioria das obras geotécnicas, ter em conta eventuais perturbações que se irão introduzir nas áreas envolventes podendo provocar danos de diversas ordens. Têm-se verificado um desenvolvimento significativo no número e tipo de equipamentos de monitorização, quer manuais quer automáticos. No que diz respeito à injeção de maciços rochosos, têm-se verificado que o recurso a sistemas de monitorização automáticos permite a execução de tratamentos mais efetivos, a preços mais reduzidos e em menos tempo. A monitorização, tal como foi referido, pode ser executada manualmente ou automaticamente. No quadro 3.2 apresentam-se alguns exemplos de equipamentos utilizados: Quadro 3.2 – Equipamentos utilizados na monitorização. Para além da constante monitorização de parâmetros de injeção, é também conveniente implementar uma observação contínua (através, por exemplo, de extensómetros, inclinómetros e fios de prumo) da superfície do terreno e das estruturas adjacentes pois todo o processo de execução dos furos e injeção de calda impõe pressões elevadas no maciço que podem dar origem a fenómenos de empolamentos da superfície. Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 83 3.11.3. APÓS A INJEÇÃO Após a injeção deve ser analisado o comportamento da obra e dos seus elementos, nomeadamente, procedendo à avaliação da segurança da estrutura e na fase de serviço à sua funcionalidade, antes de dar por concluídos os trabalhos. O tratamento por injeções de calda não é um processo exato, pois o meio de trabalho são maciços rochosos, que já por si introduzem incerteza, e dado que este tratamento é feito no subsolo, não há visualização direta do que está realmente a acontecer. Assim, é de enorme relevância monitorizar as injeções, pois deste modo pode-se poupar tempo e dinheiro. Pode no entanto verificar-se a eficiência das injeções por métodos indiretos como sejam ensaios sísmicos, medindo a velocidade de propagação de ondas sísmicas P e S (ver secção 2.7.3) antes e depois das injeções de consolidação e impermeabilização e posteriormente comparar a diferença das velocidades por colmatação dos vazios do maciço. Também é possível a avaliação dos caudais realmente drenados pela fundação, bem como as pressões neutras registadas. Mediante o controlo efetuado após a injeção, tomam-se decisões relativamente ao processo executado. Quando, através dos furos de verificação (já atrás mencionados) surge problemas quanto às caraterísticas pretendidas para a fundação, levantam-se dúvidas relativamente à qualidade do tratamento efetuado, sendo necessário proceder à resolução destas situações. A resolução passa muitas vezes por fazer o reforço do tratamento, com a execução de furos mais próximos e utilização de caldas mais fluidas para preencher as fissuras mais finas. 3.12. INTEGRAÇÃO DOS TRABALHOS DE TRATAMENTO DA FUNDAÇÃO NO PLANO GERAL DE ATIVIDADES DA OBRA O tratamento da fundação de uma barragem pode ser executado antes, durante ou após a construção da superestrutura. A realização do tratamento antes da construção apresenta como principais vantagens e inconvenientes (quadro 3.3): Quadro 3.3 – Vantagens e inconvenientes da execução do tratamento da fundação antes da construção da superestrutura (baseado em Manuela Carvalho, 1993). [6] Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 84 A execução do tratamento durante ou após a construção pode ser feito a partir de galerias de injeção no caso de barragens de betão ou, no caso de barragens de aterro, a partir da superfície dos aterros. No presente texto irá ser focado apenas o caso das barragens de betão uma vez que é o que interessa para o caso em estudo. Tal como o caso anterior, este tipo de tratamento, apresenta vantagens e inconvenientes (quadro 3.4): Quadro 3.4 – Vantagens e inconvenientes da execução do tratamento da fundação durante e após a construção da superestrutura (baseado em Manuela Carvalho, 1993). [6] Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 85 4 APLICAÇÃO A UM CASO DE ESTUDO BARRAGEM DA GORONGOSA 4.1. ENQUADRAMENTO GERAL O aproveitamento Hídrico da Gorongosa localiza-se na província de Sofala, em Moçambique, e tem como principal objetivo melhorar a fiabilidade de abastecimento de água à povoação da Gorongosa. O empreendimento pretende melhorar a vida dos mais de 75 mil munícipes da vila de Gorongosa [29]. Assim, a albufeira serve principalmente como reserva para o abastecimento de água, podendo também servir de captação para a agricultura e dinamização de projetos de criação do peixe de qualidade na albufeira. Nesta medida, prevê-se a construção de uma barragem no rio Nhandare, numa secção do rio que se desenvolve junto à povoação da Gorongosa (figura 4.1). Fig.4.1 – Localização da Barragem da Gorongosa. [30] Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 86 4.2. CARATERIZAÇÃO GEOLÓGICA/GEOTÉCNICA A caraterização geológica/geotécnica foi realizada ao longo de duas fases: estudo prévio e projeto de execução. 4.2.1. CARATERIZAÇÃO EM FASE DE ESTUDO PRÉVIO Numa primeira fase (2011), o trabalho desenvolvido no estudo prévio foi responsabilidade da entidade SMEC INTERNATIONAL PTY LIMITED, sendo posteriormente analisado e complementado por um estudo levado a cabo pelo consórcio GEG e TOVISI SA, em 2014. Neste último trabalho foram realizados alguns ajustes à proposta apresentada inicialmente, desde logo começando por ajustar a localização do eixo da barragem e definindo um novo perfil interpretativo da geologia do local (figura 4.2), onde constam informações tais como o tipo de solo interessado e a localização de trabalhos de prospeção propostos. Fig.4.2 – Caraterização ao longo do eixo da barragem: a) planta geológica; b) perfil geológico. [31] a) b) Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 87 Conforme se pode observar no perfil, a barragem localiza-se numa zona caracterizada por um maciço rochoso gnaissico, sobre o qual existem depósitos de terraço, solos residuais e aluviões. A barragem interseta, na zona dos encontros da barragem, solos residuais e maciço gnaissico muito alterado a decomposto, traduzido por um silte areno-cascalhento. No encontro esquerdo para além do gnaisse é provável que apareça o dolerito também muito alterado a decomposto. Para além destes materiais com comportamento de solo, os encontros intersectarão a cotas mais baixas, o gnaisse medianamente alterado a são. Na zona do rio, o maciço de fundação caracterizou-se pela existência de um gnaisse foliado, medianamente alterado a são, e de resistência média a elevada. O gnaisse apresentava quatro famílias de diaclases, todas sub-verticais a verticais. Apenas a foliação se apresentava subhorizontal [31]. O perfil de alteração do maciço é de um modo geral horizontal, pelo que é expectável que aproximadamente à cota 330 apareça o gnaisse medianamente alterado. Acima desta cota o maciço apresentar-se-á mais alterado, passando gradualmente para o solo residual. Relativamente à permeabilidade do maciço, embora não existam dados nesta fase, é de prever que sejam necessárias injeções para consolidação/impermeabilização do maciço, uma vez que foram observadas zonas mais fraturadas com diaclases muito próximas. A informação aqui apresentada vai de encontro ao que já tinha sido referido no documento produzido pela SMEC [32]. No final desta fase foram definidos uma serie de trabalhos de prospeção a executar, de acordo com o plano apresentado na figura 4.3. Fig.4.3 – Plano de prospeção geológica/geotécnica: quantidades estimadas em estudo prévio. [31] Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 88 4.2.2. CARATERIZAÇÃO EM FASE DE PROJETO DE EXECUÇÃO Esta fase esteve sob o alçado da empresa portuguesa TOVISI SA, que por sua vez delegou à empresa GEOMA Moçambique a realização da caraterização geológica e geotécnica do local, com a execução de uma campanha de prospeção que contemplou:  Sondagens mecânicas (sondagens com profundidades máximas entre 14.5 e 16.1 m);  Ensaios de absorção de água do tipo Lugeon;  Ensaios laboratoriais. 4.2.2.1. Sondagens Mecânicas A opção pela localização das sondagens efetuadas (figura 4.4) seguiu as recomendações dadas pela entidade que realizou o estudo prévio. Fig.4.4 – Localização das sondagens: a) em planta; b) em perfil. [31] a) b) Margem Esquerda Margem Direita Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 89 As sondagens foram executadas após a escavação e limpeza do fundo do leito do rio. Para a execução das mesmas a GEOMA Moçambique mobilizou para o local o equipamento ROLATEC RL48 (figura 4.5), de funcionamento hidráulico. Fig.4.5 – Equipamento de execução das sondagens (ROLATEC RL48). [33] A furação foi realizada maioritariamente à rotação, tendo-se recorrido a um carotador duplo T2 de diâmetro igual a 86mm equipado com coroa diamantada arrefecida com água sob pressão. Nas sondagens S1 e S6, dado que se encontraram zonas terrosas superficiais algo instáveis, recorreu-se a revestimento metálico para suster as paredes do furo. Nestas zonas, a furação foi acompanhada pela realização de ensaios SPT para avaliação da consistência e/ou compacidade dos terrenos. Os ensaios SPT foram efetuados de 1,50 em 1,50 metros com sonda Terzaghi normalizada (figura 4.6) acionada por pilão de queda automática. Fig.4.6 – Sonda de Terzaghi. [33] As sondagens foram realizadas com o intuito de caracterizar a fundação da barragem e avaliar a sua permeabilidade, de forma a avaliar a necessidade de injeções de consolidação e pregagens na fundação. Apresentam-se, no quadro 4.1, o resumo de algumas informações relevantes retiradas da execução das sondagens. Legenda: 1Boquilha 2Cilindro de divisão 3União 4Respirador Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 90 Quadro 4.1 – Resumo das sondagens realizadas. [31] Através da análise e tratamento dos dados retirados dos diagramas de sondagem (ver exemplo de diagrama relativo à sondagem S1 presente no Anexo II) podem-se tirar certas conclusões sobre:  Litologia da zona interessada;  Estado de alteração, estado de fraturação e RQD. As sondagens permitiram identificar de forma mais consistente os materiais interessados na zona de implantação da barragem. Procedeu-se então ao tratamento estatístico dos dados retirados das sondagens, o que permitiu chegar à distribuição das diferentes litologias pelos metros de perfuração (figura 4.7). Tal como se tinha previsto em fase de estudo prévio, o gnaisse (rocha de origem metamórfica) é a que domina em quase toda a extensão da barragem. Foram também detetados gabros (sondagem S6), diques doleríticos (sondagem S5) e alguns filões de quartzo. Fig.4.7 – Distribuição das diferentes litologias intersetadas pelos metros de perfuração. [31] Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 91 O tratamento estatístico dos resultados das seis sondagens realizadas permitiram obter também a distribuição, em termos de percentagens, dos diferentes estados de alteração intersetados (figura 4.8). Fig.4.8 – Percentagens dos diferentes estados de alteração. [31] Os resultados obtidos revelaram um maciço dominantemente são a pouco alterado. No entanto, em algumas sondagens foi intersectado maciço rochoso com estados de alteração diferentes. As sondagens S1 e S2 detetaram na parte inicial (sob o aterro) gnaisse muito alterado a decomposto (W4-5), típico de uma camada de alteração superficial. De igual modo na sondagem S6, o gabro apresenta-se muito alterado a decomposto (W4-5) até próximo dos 5m de profundidade. Nestes casos o maciço vai ficando cada vez menos alterado à medida que se vai aumentando a profundidade. No entanto, existe um caso em que este facto se inverte. Na sondagem S4 os primeiros 12 m são de maciço são a pouco alterado, piorando o grau de alteração a partir deste ponto. Para melhor ilustrar esta questão do grau de alterabilidade do maciço presente no perfil estudado, representaram-se a percentagens de cada material em função do grau de alterabilidade (figura 4.9). 0,0 4,0 2,4 0,0 6,1 7,0 0,0 80,3 0 0 0 0 0 0 0 100 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 100,0 0,0 0,0 27,4 0,0 0,0 0,0 0,0 72,6 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0 Solo residual (W6) Maciço decomposto (W5) Maciço muito alterado (W4-5) Maciço muito alterado (W4) Maciço medianamente alterado (W3) Maciço medianamente alterado (W3-2) Maciço pouco alterado (W2) Maciço pouco alterado (W1-2) % Gnaisse Dique dolerítico Filão de Quartzo Gabro Fig.4.9 – Percentagens dos diferentes estados de alteração de cada litologia intersetada. [31] Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 98 A lei de Darcy (equação 4.1) é a lei que rege o movimento da água num meio. Segundo esta, a velocidade de percolação (razão entre o caudal e a secção atravessada) é igual ao produto do coeficiente de permeabilidade (k) pelo gradiente hidráulico (i). Por sua vez, o gradiente hidráulico é a razão entre a perda de carga entre dois pontos e a distância que os separa (equação 4.2). ik S Q v (equação 4.1) l h i  (equação 4.2) A lei de Darcy foi inicialmente desenvolvida para solos saturados, mas através de estudos desenvolvidos posteriormente, pode também ser aplicada a solos não saturados/parcialmente saturados mediante a equação de Richard, em 1931 (equação 4.3). A única diferença é que em condições de não saturação o coeficiente de permeabilidade (anteriormente constante) passa a variar com a variação do teor de água e indiretamente com a variação da pressão neutra (Krahn, 2004). [35] 0   ww t j  (equação 4.3) Associada á Lei de Darcy encontra-se uma rede de escoamento (figura 4.15), formada por dois conjuntos de linhas. As linhas de corrente ou fluxo (representativas das trajetórias de partículas da água) e as equipotenciais (linhas de igual carga hidráulica). Figura 4.15 – Rede de escoamento [35] Se considerarmos uma malha aproximadamente quadrada pode considerar-se duas propriedades que melhor permitem interpretar o escoamento:  A perda de carga (Δh) entre duas quaisquer equipotenciais vizinhas é constante (equação 4.3); 21 hh  (equação 4.3)  O caudal (ΔQ) é igual em qualquer tubo de fluxo 3 (equação 4.4). 21 QQ  (equação 4.4) Estas propriedades são importantes pois simplificam muito o cálculo da carga hidráulica, do caudal, do gradiente hidráulico e da pressão de água nos poros através da rede de escoamento. 3 Tubo de fluxo - limite entre duas quaisquer linhas de fluxo consecutivas Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 99 Considerando as propriedades atras referidas, o gradiente hidráulico pode ser escrito como se apresenta na equação 4.5, em que é a perda de carga total entre montante e jusante, “Ne” é o número de quedas de potencial e “a” uma das dimensões do quadrado da malha (sendo a outra dimensão b). aN totalh i e  )( (equação 4.5) O caudal por metro linear pode então ser definido através da equação 4.6 e como os elementos da malha são aproximadamente quadrados (a=b) pode escrever-se a equação 4.7. 1 )(     b aN totalh kQ e (equação 4.6) e N totalh kQ )(  (equação 4.7) Sendo: Nf = número de tubos de fluxo. Pode ainda escrever-se a equação 4.8. e f N N totalhkQ  )( (equação 4.8) Para calcular a pressão da água nos poros de um qualquer ponto P no meio percolado, escolhe-se um ponto M na equipotencial de montante (ver figura 4.14), pertencente à mesma linha de fluxo, podendo escrever-se a equação 4.9: )( )( PMN N totalh hh e e PM    (equação 4.9) Sendo: hM = pressão da água no ponto M; hP = pressão da água no ponto P; Ne (M-P) = número de quedas de potencial entre o ponto M e o ponto P. Como a pressão da água do ponto M geralmente é conhecida (o ponto é escolhido por forma a ser determinável) podemos tirar a pressão em qualquer ponto da rede de escoamento (hw). Com a pressão de água (ou cota piezométrica) podemos determinar a carga hidráulica (H) como sendo a soma entre a cota geométrica (z) e a cota piezométrica (hw) do ponto em causa (equação 4.10): w hzH  (equação 4.10) Feito este breve enquadramento ao fenómeno da percolação e ao modelo que geralmente se utiliza para o caraterizar e calcular, passa-se a apresentar alguns assuntos específicos do caso de estudo aqui tratado como sejam:  O processo/ideia seguido(a) para incrementar segurança na construção da barragem, através do tratamento da fundação; Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 100  Estudo e definição do coeficiente de permeabilidade;  Definição da cortina de impermeabilização. 4.3.2. PROCESSO/IDEIA PARA INCREMENTAR SEGURANÇA A UMA BARRAGEM No caso se estudo, devido às questões relacionadas com a permeabilidade do maciço, um dos processos de incremento da segurança de uma barragem está associado ao aumento do caminho de percolação, que é conseguido através da construção e aumento da altura enterrada de uma cortina de impermeabilização. Teoricamente, a construção de uma cortina impermeável permite criar uma barreira e por isso diminuir o caudal, controlar o gradiente hidráulico na fronteira a jusante e as subpressões que influenciam as tensões efetivas no contacto fundação/barragem. 4.3.3. ESTUDO E DEFINIÇÃO DO COEFICIENTE DE PERMEABILIDADE O estudo das condições de percolação através do maciço rochoso foi realizado através do tratamento dos resultados dos ensaios de permeabilidade de Lugeon realizados ao longo das seis sondagens mecânicas executadas. Para melhor perceber como evolui a permeabilidade ao longo do maciço estudado, optou-se por considerar três zonas hidráulicas distintas, função dos valores de absorção de água registados. Assim, em projeto de execução foram consideradas as seguintes zonas hidráulicas presentes no quadro 4.6. Quadro 4.6 – Zonas hidráulicas consideradas. [31] Em função dos valores de absorção de água obtidos para as diferentes zonas das sondagens (Anexo III) foi feito um zonamento hidráulico interpretativo através do traçado qualitativo de isolinhas de valores de absorção de água, e que se apresenta na figura 4.16. Margem Direita Margem Esquerda Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 101 Figura 4.16 – Zonamento hidráulico interpretativo [31] Este zonamento interpretativo permitirá, numa fase posterior, fazer o tratamento do problema recorrendo a modelos de percolação. Conforme é possível constatar no zonamento hidráulico, a gama de resultados em que se dividiu o perfil é bastante variável, não permitindo evidenciar tendências com vista a gerar um perfil padrão de modelo que seja representativo das condições de permeabilidade, transversal a todo o eixo da barragem. 4.3.4. DEFINIÇÃO DA CORTINA DE IMPERMEABILIZAÇÃO Segundo o que já foi referido ao longo da secção 3 do presente trabalho, o principal objetivo da cortina de impermeabilização é aumentar o caminho de percolação. Para tal a profundidade da cortina deve ter em consideração as condições geológicas e não as considerações geométricas. Por isso, no caso de ocorrência de fenómenos de erosão interna, deve optar-se por prolongar a cortina até se atingir um estrato mais “impermeável”. No caso da barragem da Gorongosa, a caraterização geológica/geotécnica concluiu que, os afloramentos rochosos expostos apresentam aberturas conjuntas, em geral fechadas, que conferem certa permeabilidade ao maciço. No entanto, verificou-se também que até 5 m de profundidade se identificavam superfícies de foliação, que dada a sua orientação e o baixo estado de tensão a que está sujeito, propicia a abertura destas superfícies, fazendo com que o maciço em certas zonas veja a sua permeabilidade ser aumentada. Portanto, em fase de projeto de execução, a solução passou por definir uma cortina de impermeabilização com um mínimo de 5 m de profundidade, facto será melhor explicado mais adiante. Optou-se também por executar a cortina em duas fiadas de furos de injeção (alinhamento de montante e alinhamento de jusante), afastadas de 1.5 m e inclinadas a 30º com a vertical, mas dirigidos em sentidos opostos. Esta disposição geométrica pretende assegurar que as famílias de diaclases fossem intersetadas pelos furos de injeção ao longo da cortina. A fiada do alinhamento de montante deverá ser realizada em primeiro lugar e tem como principal função a impermeabilização primária do maciço. A fiada do alinhamento de jusante deverá ser realizada posteriormente e tem como principal função a de complementar e reforçar o tratamento conseguido com a fiada de montante. A definição do espaçamento dos furos seguiu o método de split spacing, apresentado na secção 3.9.3.2 do presente trabalho, e resultou nos seguintes espaçamentos:  Furos primários – equidistantes 12 m;  Furos secundários – equidistantes 12 m;  Furos terciários - equidistantes 6 m. Além dos furos de injeção (primários, secundários e terciários) foi preconizada a execução de furos de controlo da qualidade do tratamento equidistantes de 12 m e executados entre as duas fiadas de injeção. A configuração geométrica dos furos de injeção e furos de controlo, quer em planta quer em alçado, apresentam-se na figura 4.17. Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 102 Figura 4.17 – Disposição dos furos de injeção e furos de controlo [31] Todo o procedimento de injeção deverá ser acompanhado em permanência no sentido de permitir ajustes à medida do necessário, nomeadamente no que resultar dos ensaios de absorção executados nos furos de injeção antes da injeção propriamente dita, e que ditarão a profundidade final da cortina. Portanto, foi fixado um critério para a definição da profundidade da cortina. Assim, caso o troço final de algum dos furos primários registar absorções superiores a 15 UL, deve proceder-se ao prolongamento do furo de injeção, por trocos sucessivos de 3 m, até se obter uma absorção inferior ao limite definido ou até se atingir uma profundidade estipulada à partida, como sendo um limite a partir do qual o aumento da profundidade não provoca significativas alterações na percolação através do maciço. Neste caso foi definida uma profundidade de aproximadamente 10 m como um limite razoável (a confirmar com as análises de percolação). Para os furos secundários do alinhamento de montante, espaçados entre si de 12m, deverão ser realizados furos até uma profundidade igual ao primário adjacente mais profundo. Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 103 Figura 4.18 – Critério para os furos secundários. [31] Como se pode constatar da figura 4.18, os secundários que se encontram entre primários com a mesma profundidade, tomarão essa mesma profundidade. Nos casos em que há diferença entre os primários adjacentes, o secundário assume uma profundidade igual à do primário mais comprido. Os furos terciários, espaçados entre si de 6 m, deverão atingir a profundidade do furo primário mais próximo ou do secundário adjacente, quando os valores de absorção de calda desse mesmo secundário se revelarem elevados. Figura 4.19 – Critério para os furos secundários. [31] Como se pode constatar da figura 4.19, os furos terciários que se encontram entre primários e secundários com a mesma profundidade, tomarão essa mesma profundidade. Nos casos em que há diferença entre os furos adjacentes, obrigatoriamente um primário e um secundário, o terciário assume uma profundidade igual à do primário, podendo ser aumentado caso o volume de injeção de calda do secundário adjacente o justificar. Relativamente ao alinhamento de jusante, não serão executados ensaios de absorção de água. Os furos devem atingir as profundidades das injeções mais próximas no alinhamento de montante. Face às inclinações dos furos, esta extrapolação deve ser realizada ao nível da extremidade inferior dos furos. Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 104 4.4. MODELO DE CÁLCULO Independente dos diversos modelos possíveis e das diferentes secções da barragem que poderão ser estudadas, foi necessário definir um modelo equilibrado e que cobrisse, de uma forma geral, a realidade existente no local da barragem. Em primeiro lugar optou-se por tomar a secção em que a altura de água na barragem fosse máxima, para ter em conta a máxima diferença de carga hidráulica, e consequentemente um maior gradiente hidráulico. De seguida, e fazendo um levantamento dos resultados obtidos nos ensaios de absorção de água presentes no anexo III do presente trabalho, pode definir-se o modelo no que se refere ao maciço de fundação (ver quadro 4.7). Quadro 4.7 – Resultados dos ensaios de absorção de água. (-) Ensaio não válido (ver observações presentes na figura AIII – 4 e 5 do Anexo III) A legenda de cores presente neste quadro está de acordo com o estabelecido no quadro 4.6 desta secção, e que dita a divisão do maciço estudado em três zonas hidráulicas distintas. Da análise do quadro 4.7, que vem retratar em valores o que já se constatava na figura 4.16 referente ao zonamento hidráulico, pode-se verificar que, de entre as sondagens realizadas aquela que atravessou um maciço de pior qualidade em termos de permeabilidade foi a sondagem S5. A menos dos primeiros 4 m de sondagem em que o ensaio não foi válido, o restante maciço apresentava permeabilidades superiores a 15 Lu. Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 105 Verifica-se também que, em grande parte das sondagens realizadas na zona do leito do rio, o maciço apresentava uma camada superficial com menor permeabilidade. No entanto, e dado que na zona das margens, principalmente na sondagem S1 a uma profundidade entre os 9 e 12 m, a permeabilidade do maciço aumenta significativamente, a percolação tenderá a desenvolver-se preferencialmente por estas zonas, sendo indispensável considerar este aspeto no modelo de análise a adotar. Com vista a tomar um modelo conservativo e ao mesmo tempo representativo de condições menos favoráveis, conjugando as considerações feitas até então, optou-se por dividir o maciço em duas zonas hidráulicas distintas. Uma das zonas até uma profundidade máxima de 5 m a contar da cota mais baixa de implantação da barragem, e outra zona estendendo-se por mais 25 m de profundidade, tal como se observa na figura 4.20. Figura 4.20 – Divisão do maciço de fundação em duas zonas hidráulicas distintas. A primeira camada (ZH A) será então caraterizada através da sondagem S1 à profundidade de ensaio 9-12 m que na secção junto ao leito do rio corresponderá à profundidade dos 5 m, e apontar-se-á para uma permeabilidade da ordem de 50 Lu. Para a segunda camada (ZH B) e baseado nos resultados da sondagem S5 essencialmente, adota-se uma permeabilidade da ordem de 30 Lu. Considerando que 1 Lu é o equivalente a uma permeabilidade de 1.3x10-07 m/s [31], para um maciço homogéneo e isotrópico, conclui-se que a primeira camada é caraterizada por um coeficiente de permeabilidade igual a 6.5x10-06 m/s e a segunda camada por um coeficiente igual a 3.9x10-06 m/s. Em projeto foi considerado que a permeabilidade seria igual em ambas as direções planares (horizontal e vertical). No que diz respeito à cortina de impermeabilização que se implantará, foi considerado em projeto de execução pela empresa GEG um coeficiente de permeabilidade de 1.0x10-07 m/s. Este valor pretende refletir a existência de uma zona mais impermeável, obrigue a água a percorrer um caminho mais longo, existindo maiores perdas de carga e como tal menores caudais percolados. Será esse valor o adotado em todas as simulações realizadas. ZHA ZHB Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 106 4.5. ANÁLISES DE PERCOLAÇÃO Numa primeira fase procedeu-se à realização de uma análise comparativa de dois softwares presentes no mercado e de ampla utilização, a fim de comprovar a fiabilidade dos resultados obtidos por ambos e se os mesmos estão em concordância. Posteriormente, discutem-se certos aspetos considerados em projeto através da realização de estudos de sensibilidade. 4.5.1. RESULTADOS SLIDE 5.0 VS. PHASE 2 A análise de percolação, na fase de projeto de execução levada a cabo pela empresa GEG, foi realizada a partir de um modelo numérico no software disponibilizado pela ROCSCIENCE designado Slide 5.0. Como forma de comparar os resultados obtidos em softwares diferentes de análise de percolação, neste trabalho optou-se por realizar a mesma análise com o software Phase2, também ele associado à ROCSCIENCE. Na definição dos inputs no software, além do modelo já definido anteriormente, há que definir a malha e o seu refinamento. Neste caso, relativamente ao tipo de malha, foram utilizados elementos triangulares e foi definido um máximo de 500 iterações e uma tolerância de 1.0x10-06 para o processo de cálculo iterativo. No que diz respeito às distâncias em relação aos limites da barragem, considerou-se uma distância horizontal de 50 m e uma distância vertical de 30 m (figura 4.21 a). Quanto às fronteiras, consideraram-se as fronteiras horizontais (superficiais) permeáveis, com carga hidráulica a montante de 6 m (corresponde a uma carga total de 332.5 m) e a jusante considerou-se o valor mínimo correspondente à cota do terreno de forma que a perda de carga seja máxima (corresponde a uma carga total de 326.1 m). Ao limite inferior do terreno, delimitado no modelo, não se aplicou qualquer condição fronteira, sendo que por defeito os programas assumem como sendo uma fronteira impermeável. Quanto aos limites laterais, acautelando o facto da distância na horizontal não ser suficiente para que o regime de percolação se estabelece-se apenas no domínio proposto, optou-se em projeto de execução por atribuir ao longo destas fronteiras uma carga hidráulica constante e igual à carga respetiva atribuída às fronteiras de montante e a jusante da barragem (ver figura 4.21 b). a) Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 107 Figura 4.21 – Representação do modelo utilizado: condições de fronteira e malha de elementos finitos. a)Slide 5.0; b) Phase2. Definidos todos estes dados, procedeu-se então à realização de um estudo comparativo em termos de caudais percolados e redes de escoamento utilizando ambos os softwares, na situação com e sem cortina de impermeabilização. Importa também salientar que, para a situação em que se tem em conta a existência de uma cortina de impermeabilização, para efeitos de simulação foram adotadas as caraterísticas geométricas preconizadas no projeto de execução. A fim de calcular o caudal total percolado pela fundação da barragem foi também adotado o comprimento total para a barragem. Essas informações encontramse resumidas no quadro 4.8. Quadro 4.8 – Caraterísticas da cortina de impermeabilização. 4.5.1.1. Sem cortina de impermeabilização Na situação em que não se preconiza a existência de uma cortina de impermeabilização, os resultados obtidos, em termos de caudais percolados e superfícies equipotenciais, são os que se apresentam na figura 4.22. b) a) Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 114 Figura 4.29 – Evolução do caudal percolado em função da distância B. Da análise dos dados apresentados tanto no quadro 4.13 como na figura 4.29 verifica-se que a distância B influencia significativamente o valor do caudal que percola pela fundação. No entanto, nota-se uma tendência para atenuar esse crescimento há medida que se aumenta de profundidade. Contudo, e dado que a partir de certa profundidade a tendência é para o maciço melhorar de qualidade e o gradiente hidráulico diminuir, o limite inferior apresentado de 30 m mostra-se um limite razoável a adotar. 4.5.2.1. Dimensionamento da profundidade da cortina de impermeabilização A definição da profundidade da cortina é um passo fundamental no dimensionamento, pois a cortina terá que ter uma profundidade tal que permita obter um caudal percolado que satisfaça os objetivos de eficiência pretendida para o aproveitamento e ao mesmo tempo não atinja um custo incomportável. Para tal, realizou-se um estudo de sensibilidade, que permitirá tirar certas conclusões quanto aos critérios usados para o dimensionamento da profundidade da cortina de impermeabilização. Testou-se o mesmo modelo adotado até então sendo a cortina colocada na posição definida em projeto (posição 4 da figura 4.35 da presente secção), apenas fazendo variar a profundidade que a cortina alcança. Foram analisados parâmetros como o caudal percolado e a pressão de água nos poros do maciço junto da base de fundação da barragem e que contribuem para a sua instabilidade. No estudo consideraram-se incrementos sucessivos de profundidade de 2.5 m e registando-se o caudal que percolava sob a barragem. Apresentam-se no Anexo IV uma série de resultados obtidos no software Phase2 e que permitem verificar os caudais percolados, resultados esses que se encontram resumidos no quadro 4.14. Quadro 4.14 – Caudal percolado para as diferentes profundidades da cortina. Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 115 Representando estes dados graficamente pode ter-se uma ideia da evolução do caudal percolado, função da profundidade da cortina de impermeabilização. Na figura 4.30 representa-se essa evolução. Figura 4.30 – Evolução do caudal percolado em função da profundidade da cortina de impermeabilização. Analisando a figura anterior pode concluir-se que, há medida que se vai aumentando a profundidade da cortina o caudal percolado vai sendo reduzido. Para perceber melhor como evolui, de incremento em incremento de profundidade essa redução, traçaram-se retas a unir dois pontos sucessivos e escreveram-se as respetivas equações. O declive dessas retas dita a taxa de redução do caudal percolado. Assim sendo, verifica-se que a maior redução de caudal se deu ao passar de 2.5 m para 5.0 m de profundidade da cortina. Esta situação está relacionada com o facto de aos 5.0 m de profundidade de cortina se atingir o limite do primeiro estrato definido no modelo, estrato este com uma permeabilidade mais elevada comparativamente ao estrato subjacente, fazendo com que o principal “corredor” de percolação fique assim “anulado”. No entanto, nos dois incrementos seguintes, ao passar de 5.0 m para 7.5 m e de 7.5 m para 10.0 m de profundidade também se verifica uma redução significativa do caudal. A partir dos 10.0 m de profundidade, a redução do caudal passa a ser insignificante face ao investimento feito na construção da cortina. Apresentadas as constatações resultantes do estudo de variabilidade realizado, é possível compreender as razões que levaram à definição da profundidade de projeto da cortina de impermeabilização (5m), bem como o limite máximo de profundidade admissível a atingir quando os ensaios de permeabilidade realizados no troço final do furo de injeção apresentarem permeabilidades superiores a 15 Lu (10 m). A estabilidade externa da barragem também deve ser um aspeto a ter em conta na definição destes elementos. Para tal é necessário perceber as forças que atuam no corpo da barragem, especialmente as relacionadas com a ação da água. Na figura 4.31 apresentam-se as ações resultantes de impulsos/impulsões/pesos hidrostáticos, numa das combinações de ações realizada em projeto de execução. Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 116 Figura 4.31 – Impulsos/Impulsões/Pesos hidrostáticos na combinação usual. [37] Nestas análises de estabilidade geralmente são verificadas a estabilidade ao deslizamento e a estabilidade ao derrube da barragem. Das forças assinaladas, as que podem contribuir para a instabilidade da barragem e que estão diretamente relacionadas com a ação da água presente nos solos, são essencialmente as forças 5 e 6. Com o objetivo de perceber o efeito da variação da profundidade da cortina nestas forças, procedeu-se à determinação das pressões de água instaladas na base da fundação da barragem. Essa determinação foi realizada utilizando o software Phase2, recorrendo à opção Add Material Query, que representa os valores da pressão de água ao longo do contorno partindo da posição indicada como origem do eixo do x, tal como se apresenta na figura 4.32. Figura 4.32 – Representação dos valores da pressão de água no contorno da barragem. Os valores obtidos para as diferentes configurações de profundidade da cortina de impermeabilização foram representados graficamente, tal como se apresenta na figura 4.29. 11m Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 117 Figura 4.33 – Evolução das pressões na base da fundação da barragem com o aumento da profundidade da cortina. Analisando o gráfico anterior verifica-se que, com o aumento da profundidade da cortina se vai notando um aumento generalizado das pressões de água instaladas na fundação da barragem. Note-se que as pressões, em qualquer que seja a configuração da cortina, são sempre mais elevadas à medida que se caminha para montante, no troço até aos 11 m e invertendo o sentido de crescimento a partir daqui até aos 13 m. Portanto, a forma e a grandeza dos diagramas das ações 5 e 6, apresentados na figura 4.31, vem a ser confirmada através dos gráficos representados na figura 4.33. Pode também inferir-se que, dada a quase linearidade dos diagramas de pressões aqui representados, as ações nestas zonas são maioritariamente de carater hidrostático, não se verificando um acréscimo de pressão devido ao efeito dinâmico da água (forças de percolação). Conclui-se que, na definição da profundidade da cortina foi assumido um compromisso entre eficiência, segurança e custo. Por um lado, pretendeu-se obter um caudal percolado pela fundação que fosse ao mesmo tempo razoável para satisfazer os objetivos do aproveitamento hidráulico e não comportasse um elevado custo de execução e por outro controlando as ações resultantes da existência de percolação a fim de satisfazer a segurança da barragem. Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 118 4.5.2.2. Dimensionamento da largura da cortina de impermeabilização Nesta secção apresenta-se um estudo de sensibilidade que pretendeu aferir qual a importância da largura da cortina no caudal percolado através da fundação da barragem. Para tal foi testado o modelo definido na secção 4.4, utilizando uma cortina com a profundidade de 5.0 m definida em projeto de execução mas fazendo variar a largura da mesma entre 0.5 m e 3.0 m.. Estas várias configurações para a largura da cortina de impermeabilização foram testadas no software Phase2, sendo que o resumo dos valores obtidos para o caudal encontra-se no quadro 4.15. Quadro 4.15 – Caudal percolado para as diferentes larguras da cortina. Representando estes dados graficamente pode ter-se uma ideia da evolução do caudal percolado, função da largura da cortina de impermeabilização, e que se apresenta na figura 4.34. Figura 4.34 – Evolução do caudal percolado em função da largura da cortina de impermeabilização. Analisando a figura 4.34 verifica-se que em geral, ao aumentar a largura da cortina de impermeabilização, se consegue reduzir o caudal percolado. Apenas no caso em que se passou de 1.5 m para 2.0 m de largura da cortina o caudal manteve-se praticamente constante. Nos incrementos seguintes ao mencionado a redução voltou a notar-se mas não tão significativamente como entre 0.5 m e 1.5 m. Estes factos mencionados poderão ter estado na origem da escolha de uma largura de 1.5 m para a cortina, mais uma vez aliando fatores eficiência e custo. Também se procedeu a avaliação das pressões de água na base da fundação da barragem mas os resultados são idênticos aos obtidos no caso anterior. Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 119 4.5.2.3. Posicionamento da cortina de impermeabilização O posicionamento da cortina de impermeabilização também se apresenta como um dimensionamento necessário em fase de projeto. Muitas vezes só a escolha da correta localização da cortina poderá refletir-se numa redução significativa do caudal percolado pela fundação de uma barragem. Portanto, nesta secção apresenta-se um estudo de sensibilidade que pretende aferir qual será a posição preferencial para a colocação da cortina de impermeabilização. Optou-se por estudar o modelo definido na secção 4.4 utilizando uma cortina com uma largura de 1.5 m e uma profundidade ajustável às várias posições desde a cota mais baixa da barragem até à cota 319 m. Na figura 4.35 apresenta-se a localização da cortina nos diferentes estudos. Figura 4.35 – Possíveis localizações da cortina de impermeabilização. Estas várias configurações de posicionamento da cortina de impermeabilização foram testadas no software Phase2, sendo que o resumo dos valores obtidos para o caudal encontra-se no quadro 4.16. Quadro 4.16 – Caudal percolado para as diferentes posições da cortina. Da análise do quadro 4.16 podem tirar-se duas conclusões. A primeira é que a existência de uma cortina de impermeabilização, qualquer que seja a posição em que se coloca, é benéfica face ao objetivo que pretende se pretende atingir, ou seja, a redução do caudal percolado. A segunda conclusão importante é que quanto mais nas extremidades da barragem for colocada essa cortina, maior a redução de caudal verificada. 319 m Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 120 Fazendo agora uma análise em termos de pressões de água verificadas ao longo da base da fundação da barragem, na posição indicadas na figura 4.31, pretende-se aferir qual é a melhor posição para colocar a cortina de impermeabilização por forma a reduzir as pressões instaladas na barragem e garantir segurança à estrutura. Os valores obtidos para as diferentes posições da cortina de impermeabilização foram representados graficamente, tal como se apresenta na figura 4.36. Figura 4.36 – Evolução das pressões na base da fundação da barragem com a variação da posição da cortina. Analisando a figura 4.32 verifica-se que na posição onde se coloca a cortina de impermeabilização, existe uma forte quebra nas pressões de água exercidas sobre a barragem. Este acontecimento é tanto mais favorável quanto mais a montante for colocada a cortina, uma vez que reduz mais cedo e em maior magnitude as pressões nestas superfícies. Ao reduzir significativamente os impulsos desfavoráveis sentidos pela barragem, contribuindo para a estabilidade desta. A posição 4 apresenta uma gama de pressões exercidas muito mais desfavorável do que o caso das posições 1,2 e 3, cortinas colocadas mais a montante. Face ao exposto, a melhor solução para a cortina de impermeabilização passaria por colocá-la o mais a montante possível (posição 1). Contudo, a solução adotada em projeto de execução foi a posição 4, talvez por ser uma solução que garante um caudal percolado dentro da gama dos melhores caudais registados nos diversos estudos de sensibilidade e por apresentar a vantagem de se poder executar a cortina depois de ter a barragem em funcionamento, e assim se confirmarem melhor as condições reais do terreno. Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 121 4.5.2.4. Maior ou menor permeabilidade da cortina de impermeabilização De entre os parâmetros físicos e mecânicos associados a este tipo de obras, o coeficiente de permeabilidade é, porventura, aquele que exibe uma gama mais lata de valores, sendo que uma variação de uma ordem de grandeza se reflita numa variação muito significativa das condições de percolação. Nesta secção realizou-se um estudo de sensibilidade para verificar a influência do tratamento do maciço recorrendo a injeção de caldas de cimento. Foram estudados vários casos de permeabilidades desde uma cortina completamente estanque à passagem de água (k=0 m/s) até uma cortina com uma permeabilidade mais elevada do que a adotada para o próprio terreno no modelo de cálculo (k=1.0x10-05 m/s). Este último caso apontado, à primeira vista poderá ser tido como um caso irrealista, pois se o objetivo do tratamento é melhorar as condições de permeabilidade do terreno, como é que se poderá obter um maciço de pior qualidade? No entanto, este caso passa a fazer sentido estudar para verificar o efeito de um erro de dimensionamento em projeto. Se ao definir a pressão de injeção, esta for sobredimensionada, poderá ocorrer a abertura das fissuras existentes, afetando negativamente a permeabilidade do maciço. Os resultados referentes aos caudais percolados para os diferentes cenários de permeabilidade da cortina encontram-se resumidos no quadro 4.17. Quadro 4.17 – Caudal percolado para diferentes permeabilidades atribuídas à cortina. Complementarmente, estes valores foram representados graficamente na figura 4.37 por forma a perceber a evolução do caudal percolado com a permeabilidade da cortina - Q=f (kcortina). Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 122 Figura 4.37 – Evolução do caudal percolado com o aumento da permeabilidade da cortina de impermeabilização. Dos resultados obtidos pode concluir-se que à medida que se aumenta a permeabilidade da cortina, o caudal que é percolado pela fundação da barragem vai aumentado. Este aumento é mais ligeiro, não se verificando variações do caudal percolado significativas nos primeiros incrementos de permeabilidade até se atingir um k de 1.0x10-07 m/s. A partir daqui, o caudal percolado aumenta de uma forma mais notória, sendo essa variação crescente de incremento para incremento de permeabilidade. Esta diferença de ritmos de crescimento do caudal percolado que se verifica ao passar de uma permeabilidade de 1.0x10-07 para 1.0x10-06 m/s terá sido a razão pela qual se adotou em projeto uma permeabilidade para a cortina de impermeabilização de 1.0x10-07 m/s. Estes resultados vêm demonstrar que a qualidade do tratamento executado é fundamental para cumprir os requisitos da obra, muitas vezes refletindo-se numa não eficiência do aproveitamento. 4.5.2.5. Isotropia/Anisotropia de Permeabilidade nos diferentes estratos Em projeto e em todos os estudos realizados até agora foi considerado que existia isotropia de permeabilidade na direção horizontal e vertical. No entanto, os maciços exibem tipicamente anisotropia de permeabilidade mais ou menos pronunciada. Isso resulta, em parte, dos maciços rochosos serem mais ou menos compartimentados, com a existência de várias orientações preferenciais das famílias de descontinuidades e fissuras. Nos maciços terrosos existe uma clara tendência para que a permeabilidade horizontal seja maior que a permeabilidade vertical, em grande parte devido à estratificação destes maciços. Já nos maciços rochosos essa tendência, apesar de também se verificar em alguns casos, não é tão frequente. Portanto, nesta secção será realizado um estudo de sensibilidade que incidirá sobre este aspeto: variação da relação kh/kv, tanto para o caso de kh>kv como para o caso de kh<kv. Tratamento de maciços de fundação de barragens com injeção de calda de cimento. Análises de Percolação. Aplicação a um caso de estudo: Barragem da Gorongosa 123 Estas várias configurações para a anisotropia de permeabilidade foram testadas no software Phase2, podendo tirar-se algumas conclusões no que se refere à rede de escoamento. Verifica-se que quanto mais pequena for a relação kh/kv (figura 4.38), ou seja quanto maior for o valor de kv, mais estreita será a banda na rede de escoamento onde se dão as perdas de carga e como tal maior será o caudal percolado. Há medida que se vai aumentando esta relação (figura 4.39), a banda de perdas de carga vai alargando e portanto, como a água ao longo do seu percurso (segundo as linhas de fluxo) está sujeito a maiores perdas de carga o caudal vai sendo reduzido. Fazendo um estudo da influência da localização das fronteiras nos casos extremos da relação kh/kv, podem tirar-se conclusões quanto à forma como se desenrola o escoamento de água de montante para jusante nestes casos. No que diz respeito à relação kh/kv=0.05 verifica-se que truncando a fronteira lateral para uma distância de 25 m a partir dos limites da barragem, e se considerar como fronteiras impermeáveis esses limites laterais, os resultados obtidos em termos de caudais são praticamente os mesmos (quadro 4.18 e figura 4.38). Quadro 4.18 – Caudal percolado para kh/kv=0.05, com diferentes domínios de percolação. a) b) Figura 4.38 – Caudal percolado para a situação com relação kh/kv=0.05: a) domínio de percolação de projeto; b) domínio de percolação truncado para metade.