progressão da erosão interna em barragens de - Jornadas
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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 © LNEC 2012 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% © LNEC 2012 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 © LNEC 2012 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 © LNEC 2012 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) © LNEC 2012 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 © LNEC 2012 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