progressão da erosão interna em barragens de - Jornadas

PROGRESSÃO DA
EROSÃO INTERNA EM
BARRAGENS DE ATERRO
Ricardo Santos
[email protected]
Bolseiro de Doutoramento
Departamento de Geotecnia
Núcleo de barragens e obras de aterro
Orientadores
Laura Caldeira
Emanuel Maranha das Neves
© LNEC 2012
© LNEC 2012
Relevância das barragens na sociedade
Produção de
energia
elétrica
Usos
recreativos
Controlo
de cheias
Múltiplos
fins
BARRAGENS
Armazenamento
de rejeitados
© LNEC 2012
Rega
Abastecimento
de água
potável
Relevância das barragens na sociedade
Perdas
humanas
Questões
ambientais
Problemas
económicos
Rotura
BARRAGEM
Problemas
políticos
© LNEC 2012
Problemas
sociais
Relevância das barragens de aterro
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Fonte: ICOLD
Relevância das barragens de aterro
© LNEC 2012
Fonte: ICOLD
Modos de rotura das barragens de aterro
Instabilidade de taludes
4%
Erosão interna 48%
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Sismo
2%
Galgamento
46%
Fonte: Foster, Fell e Spannagle (2000)
Fases do processo de erosão interna
FASE 2
CONTINUAÇÃO/FILTRAGEM
FASE 1
INICIAÇÃO
Continuação da erosão para
montante do núcleo
Ausência ou funcionamento
incorrecto do filtro subvertical
Fuga de água a jusante
do núcleo e início de
erosão regressiva
FASE 3
PROGRESSÃO PARA EROSÃO TUBULAR
Progressão da erosão para a
formação de um canal até ao
paramento de montante
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FASE 4
FORMAÇÃO DE BRECHA
Albufeira vazia
B
Rotura da
barragem
Corte transversal pela brecha
B'
Fases do processo de erosão interna
FASE 1 - INICIAÇÃO DA EROSÃO
FASE 2 - CONTINUAÇÃO/FILTRAGEM
FASE 3 - PROGRESSÃO PARA EROSÃO TUBULAR
• Erodibilidade do solo
• Capacidade do material permanecer com tubo aberto
• Limitação do caudal por materiais de montante
FASE 4 - FORMAÇÃO DE BRECHA
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Progressão para erosão tubular
© LNEC 2012
Tunbridge Dam, Tasmânia, Austrália, 11/28/2008
Fonte: Jeffery Farrar (2008)
Progressão para erosão tubular
Fonte: Hanson e Hunt (USDA, 2007)
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Ensaio de erosão por fuga concentrada
Régua
Piezómetro de
montante
Cota variável entre
300 mm e 1100 mm
Tanque de montante
abastecido por reservatório
elevado de grande capacidade
Dreno
Medidor de caudal
electromagnético
Piezómetro de
jusante
˜ 200 mm
Purga
de ar
Furo
pré-formado
Ø6 mm
l/h
Purga
de ar
Câmara de
Perspex de
Montante
Dreno
Válvula de controlo
Tanque de jusante
© LNEC 2012
Câmara de Perspex
de Jusante
Solo compactado
no molde Proctor
Cascalho uniforme limpo com
particulas de 20 mm a 30 mm
Ensaio de erosão por fuga concentrada
© LNEC 2012
Ensaio de erosão por fuga concentrada
© LNEC 2012
Ensaio de erosão por fuga concentrada
© LNEC 2012
Ensaio de erosão por fuga concentrada
© LNEC 2012
Ensaio de erosão por fuga concentrada
> Furo no final do ensaio
© LNEC 2012
Ensaio de erosão por fuga concentrada
> Evolução dos caudais nos ensaios com progressão da erosão
009
1000
010
920
013
840
008
Caudal (l/h)
760
680
004a
600
012a
Ensaios HET
004a
005
006a
008
009
010
011
012a
013
011
006a
520
005
440
360
280
200
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
tempo (s)
© LNEC 2012
7000
8000
9000
10000 11000
12000
Ensaio de erosão por fuga concentrada
18
Tensão de corte
Dt
τt = ρ w .g.it .
4
0.0105
Ensaio 008
Estimativa do diâmetro do furo, Dt(mm)
y=6.199+0.00647x-3.035×10-6x2+7.672×10-10x3
dDt/dt
16
0.009
14
0.0075
12
0.006
10
0.0045
8
0.003
6
0
© LNEC 2012
500
1000
1500
Tempo (s)
2000
2500
0.0015
3000
dDt/dt (mm/seg)
Estimativa do diâmetro do furo pré-formado, Dt (mm)
> Mecânica dos fluidos → Evolução do diâmetro do furo
Taxa de erosão
ρd dDt
ε& t =
2 dt
Ensaio de erosão por fuga concentrada
> Estimação dos parâmetros de erodibilidade, IHET e τc
0.01
0.009
ε& t = ker ( τt − τc )
Ensaio 008
τ vs ε
ε=ker (τ-τc), com IHET= -log(ker)
0.008
Ker – Coeficiente de erosão
τc – Tensão de corte crítica
ε (kg/m2/s)
0.007
.
0.006
0.005
Índice de
taxa de erosão
0.004
0.003
0.002
τc=153.5 N/m2
0.001
0
75
© LNEC 2012
I HET = − log ( ker )
y= -0.00901 + 5.87×10-5 x
100
125
150
ker=5.87x10-5 s/m; IHET=4.24
175
200
225
2
τ (N/m )
250
275
300
325
350
Ensaio de erosão por fuga concentrada
> Classificação da erodibilidade em função de IHET
Grupo
Índice de taxa de
erosão, IHET
Descrição da erosão
através de uma fuga
1
<2
Extremamente rápida
2
2–3
Muito rápida
3
3–4
Moderadamente rápida
4
4–5
Moderadamente lenta
5
5–6
Muito lenta
6
>6
Extremamente lenta
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Ensaio de erosão por fuga concentrada
> Resultado de IHET nas curvas de compactação
21
Curva de saturação (Gs=2.8)
Energia de compactação
Leve
Pesada
"Reduzida"
Pesada (IHET>6)
"Reduzida" (IHET>6)
20.5
Peso volúmico seco, γd [kN/m3]
20
19.5
4.48
4.61
4.49
19
4.39
4.24
18.5
4.70
Sr=100%
4.11
18
4.60
Sr=90%
17.5
Sr=80%
Sr=70%
17
3.76
© LNEC 2012
16.5
12
13
14
15
16
Teor em água, w [%]
17
18
19
Ensaio de erosão por fuga concentrada
> Resultado de τc (N/m2) nas curvas de compactação
21
Curva de saturação (Gs=2.8)
Energia de compactação
Leve
Pesada
"Reduzida"
Pesada (ND)
"Reduzida" (ND)
20.5
Peso volúmico seco, γd [kN/m3]
20
151.4
19.5
ND = Não foi possível determinar τc,
dado que o furo não erodiu
228
170
19
204.5
151.6
18.5
250.2
Sr=100%
239.1
18
178.3
Sr=90%
17.5
© LNEC 2012
16.5
12
Sr=80%
Sr=70%
17
143.2
13
14
15
16
Teor em água, w [%]
17
18
19
Limitação da progressão da erosão
Influência de materiais a montante do núcleo
> Restrição do caudal
> Preenchimento do tubo de erosão
Assentamento sucessivo do
material com o arrastamento das
partículas para o interior do tubo
Poço
Erosão tubular
Preenchhimento com material de montante
Filtro inexistente ou sem capacidade
de reter as partículas do núcleo
Partículas do material de
montante são retidas pelo filtro
Enrocamento
Enrocamento
Núcleo
© LNEC 2012
Material de
montante
Limitação da progressão da erosão
WAC Bennett Dam | Canadá
Altura de aterro=186 m | Comprimento= 2 km
Produção de energia elétrica= 13 biliões kWh/ano
© LNEC 2012
Fonte: Steve Garner, BCHydro (2007)
Ensaio de limitação da progressão da erosão
2300
Tanque de montante
1250 mm a 2250 mm
Piezometro
de montante
Régua
(mm)
2200
2100
Piezómetro
da interface
2000
Água proveniente de
tanque elevado
1900
1800
Piezómetro
de jusante
400
Tanque de jusante
300
200 mm
200
Purga
Furo
pré-formado
Medidor de caudal
electromagnético
Purga
2 molas
concéntricas
100
50
Válvula de
controlo
Câmara
digital
© LNEC 2012
Placa de
vidro acrílico
Válvula de
controlo
Câmara de
jusante
Núcleo
Material de
montante
l/h
Ensaio de limitação da progressão da erosão
> Etapas da assemblagem do equipamento
> Compactação/furação da amostra de ensaio
Núcleo
Material de
montante
Etapa 1
© LNEC 2012
Etapa 5
Etapa 2
Etapa 6
Etapa 3
Etapa 4
Etapa 7
Ensaio de limitação da progressão da erosão
> Célula de ensaio
Material de
montante
© LNEC 2012
Núcleo
Ensaio de limitação da progressão da erosão
#200
100
#100 #60 #40
#20
#10
#4
3
/8"
3
/4" 1" 11/2"2"
Percentagem acumulada passada em peso
Caracteristicas dos materiais de montante com finos com plasticidade
80
Tipo A - Zona de elevada permeabilidade (cascalho limpo)
Tipo B - Material com 5% a 15% finos com plasticidade
B1 - Material oriundo da barragem de Odelouca (material que passa peneiro de 2"),
capaz de suportar um tubo aberto
B2 - Material com curva descontinua (internamente instável)
Tipo C - Material com >15% finos com plasticidade, capaz de suportar um tubo aberto
C - Material B1 truncado ao peneiro 3/4"
60
40
Curvas Granulométricas
Tipo A
Tipo B1
Ttipo B2
Tipo C
Material Base
20
Fronteira de 15%
Fronteira de 5%
0
0.001 0.002
0.005
0.01
0.020.03 0.05
0.1
0.2 0.3
0.5 0.7 1
Tamanho das partículas (mm)
© LNEC 2012
2
3 4 5 6 7 8 10
20 30
50 70 100
Ensaio de limitação da progressão da erosão
#200
100
#100 #60 #40
#20
#10
#4
3
/8 "
3
/4" 1" 11/2"2"
Percentagem acumulada passada em peso
Caracteristicas dos materiais a montante com finos não plásticos
80
60
40
Tipo D - Material com <15% finos não plásticos
D2 - Material com curva granulometrica descontinua (internamente instável)
Tipo E - Material com 15% a 30% finos não plasticos, capaz de suportar um canal
E1 - Material oriundo da Barragem de Ribeiro Grande e Arco (< 2")
E2 - Material E1 truncado ao peneiro 3/4"
Tipo F - Material com >30% finos não plásticos, capaz de suportar um canal
F - Material D1 truncado ao peneiro 3/8"
Curvas Granulométricas
Tipo E1
Tipo D2
Tipo E2
Tipo F
Material base
Fronteira de 30%
20
0
0.001 0.002
Fronteira de 15%
0.005
0.01
0.020.03 0.05
0.1
0.2 0.3
0.5 0.7 1
Tamanho das partículas (mm)
© LNEC 2012
2
3 4 5 6 7 8 10
20 30
50 70 100
Ensaio de limitação da progressão da erosão
> Resultados: Progressão da erosão sem restrição do caudal
1750
195
Caudal 180
1700
Caudal (l/h)
Pressão no piezometro a montante (cm)
Pressão no piezometro na interface (cm)
Pressão no piezometro ia jusante (cm)
165
1600
150
1550
135
1500
120
1450
105
1400
90
1350
75
MONT
INT
1300
60
1250
45
1200
30
JUS
1150
15
0
© LNEC 2012
2
4
6
8
10
12
Tempo (min)
14
16
18
20
22
Pressão piezometrica (cm)
Caudal (l/h)
1650
Ensaio de limitação da progressão da erosão
> Resultados: Progressão da erosão sem restrição do caudal
© LNEC 2012
Df =20mm
Df = 48mm
Núcleo
Material de
montante
Ensaio de limitação da progressão da erosão
> Resultados: Restrição do caudal a montante
1700
180
Caudal (l/h)
Pressão piez Montante (cm)
Pressão no piezómetro da interface (cm)
Pressão no piezometro de jusante (cm)
MONT
1500
Caudal (l/h)
150
120
Água com baixa turvação no início
Água aclara ao fim de 50 minutos
1400
90
Caudal começa a estabilizar nos 1350 l/h
Caudal
1300
60
INT
1200
30
JUS
1100
0
© LNEC 2012
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Tempo (min)
55
60
65
70
75
80
85
0
90
Pressão piezométrica (cm)
1600
Ensaio de limitação da progressão da erosão
> Resultados: Restrição do caudal a montante
Df = 26mm
Núcleo
© LNEC 2012
Df = 12mm
Material de
montante
Ensaio de limitação da progressão da erosão
> Resultados: Caudal cessa por completo
1400
280
1200
240
Caudal (l/h)
1000
200
Fecho da torneira do piezómetro intermédio
800
160
600
120
Reabertura da torneira do piezómetro
Alívio da pressão por remoção de água no piezómetro
400
Colmatação do furo
200
80
Caudal (l/h)
Pressão no piezometro a montante (cm)
Pressão no piezometro na interface (cm)
Pressão no piezometro a jusante (cm)
40
JUS
0
© LNEC 2012
0
140
Caudal
0
20
40
60
80
Tempo (min)
100
120
Pressão piezometrica (cm)
INT
MONT
Ensaio de limitação da progressão da erosão
> Resultados: Caudal cessa por completo
Df = 14mm
Núcleo
© LNEC 2012
Material de
montante
Ensaio de limitação da progressão da erosão
> Resultados: Erosão diminui durante um período tempo
2000
400
Provável bloqueio do furo a montante do piezometro INT
Caudal
Caudal (l/h)
Pressão piez MONT (cm)
Pressão piez INT (cm)
Pressão piez JUS (cm)
300
Caudal (l/h)
Provável colapso progressivo do furo no material a montante
1000
200
Formação de um novo caminho de erosão
500
100
MONT
JUS
INT
0
0
© LNEC 2012
10
20
30
40
50
60
Tempo (min)
70
80
90
100
0
110
Altura piezométrica (cm)
1500
Ensaio de limitação da progressão da erosão
> Resultados: Erosão diminui durante um período tempo
© LNEC 2012
Conclusões
>O ensaio permite avaliar se existe restrição do
escoamento e se a erosão cessa ou diminui devido à
presença de um material a montante do núcleo.
>A restrição do escoamento é influenciada por algumas
características do material de montante
(finos plásticos ou não plásticos, % finos, % cascalho,
forma da curva granulométrica, ...).
>As condições de compactação do material de montante
influenciam a capacidade de restrição do escoamento
e de limitação da erosão.
© LNEC 2012
PROGRESSÃO DA
EROSÃO INTERNA EM
BARRAGENS DE ATERRO
Ricardo Santos
[email protected]
Bolseiro de Doutoramento
Departamento de Geotecnia
Núcleo de barragens e obras de aterro
Orientadores
Laura Caldeira
Emanuel Maranha das Neves
© LNEC 2012
© LNEC 2012