UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA Instituto de Geociências e Ciências Exatas Câmpus de Rio Claro PEDRO LEMOS CAMARERO ANÁLISE DE INTEGRIDADE FÍSICA DE BARRAGENS DE TERRA A PARTIR DA INTEGRAÇÃO DO MÉTODO GEOFÍSICO DA ELETRORRESISTIVIDADE COM ENSAIOS GEOTÉCNICOS Dissertação de Mestrado apresentada ao Instituto de Geociências e Ciências Exatas do Câmpus de Rio Claro, da Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho , como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Geociências e Meio Ambiente Orientador: Prof. Dr. César Augusto Moreira Rio Claro - SP 2016 Camarero, Pedro Lemos Análise da integridade física de barragens de terra a partir do método geofísico da eletrorresistividade com ensaios geotécnicos / Pedro Lemos Camarero. - Rio Claro, 2016 97 f. : il., figs., tabs., fots., mapas Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual Paulista, Instituto de Geociências e Ciências Exatas Orientador: César Augusto Moreira 1. Geofísica. 2. Erosão interna. 3. Barragens. 4. eletrorresistividade. I. Título. 551 C172a Ficha Catalográfica elaborada pela STATI - Biblioteca da UNESP Campus de Rio Claro/SP PEDRO LEMOS CAMARERO ANÁLISE DE INTEGRIDADE FÍSICA DE BARRAGENS DE TERRA A PARTIR DA INTEGRAÇÃO DO MÉTODO GEOFÍSICO DA ELETRORRESISTIVIDADE COM ENSAIOS GEOTÉCNICOS Dissertação de Mestrado apresentado ao Instituto de Geociências e Ciências Exatas - Câmpus de Rio Claro, da Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, para obtenção do grau de Mestre em Geociências e Meio Ambiente. Comissão Examinadora Prof. Dr. César Augusto Moreira (orientador) Prof. Dr. José Ricardo Melges Bortolin Prof. Dr. João Carlos Dourado Rio Claro, 15 de Abril de 2016. Assinatura do(a) aluno(a) assinatura do(a) orientador(a) Aos meus padrinhos, Mario e Lela. AGRADECIMENTOS Essa dissertação é fruto de um trabalho e pesquisa não apenas de uma ou duas cabeças pensantes. São inúmeras pessoas que contribuíram direta ou indiretamente para o amadurecimento desse grande e longo projeto. Seria injustiça da minha parte não creditar aos respectivos às devidas e merecidas honras. Por isso uso essa página para agradecer tais pessoas que fazem toda a diferença em minha vida. Mas que fique claro que apenas uma página não é suficiente para expressar toda a minha gratidão. Agradeço primeiramente a Deus e minha família. Agradeço especialmente aquele sem o qual esse projeto não teria saído do papel, meu orientador, César Augusto Moreira. Pelos inúmeros conselhos, ensinamentos e dificuldades passadas ao longo de mais uma parceria. Agradeço a minha mãe e meu pai pelos exemplos que são. A Ligia Landell, obrigado só por tudo. Aos meus irmãos Eduardo, Zezinho e Renata. Aos respectivos irmãos herdados Fernanda, Lívia e Toi. Ao meu afilhado Felipe e seus inúmeros ensinamentos que um pequeno grande homem de apenas 4 anos pode proporcionar. Aos meus sobrinhos Maria Clara, João, Raul, Luiza e Maria (Bahia). Ao meu querido Vô Zé sempre atencioso e disposto. E aos respectivos Vô Chico, Vó Dora e Vó Ligia, que mesmo longe continuam sempre presentes. A minha Madrinha, Lela e ao meu padrinho Marião. Por toda ajuda, apoio e paciência. E claro, por terem me adotado por 7 meses. A Dora e André pela convivência (e paciência). Ao Marcelinho Carioca pela parceria. Aos meus irmãos Lacerda e Carol por todo companheirismo e pelos 15 anos de amizade. Agradeço a família Landell por todo suporte e apoio. Aos meus queridos tios Diniz, Marta, Sânia, Gui, Paulo, Helô, Tia Tê, Fernando, Graça. A Selma e a André por terem me acolhido durante minha estadia em Nova Friburgo. Agradeço a empresa Núcleo de Projetos e Consultoria que apostou em mim. Agradeço a todos meus parceiros de trabalho Magali, Luiz, Rogério, Murilo, Rodrigo, Alaor, Diogo, Moacir, Ricardo, Danilo, Ana, Fábio, Saulo, Marcio, Luciano, Mario César. Agradeço ao geólogo Marcelo Denser Monteiro pelas longas conversas geológicas nos túneis da linha 5. Agradeço especialmente a equipe que me acolheu e que tanto me ajudou e ensinou: Eduardo Augusto Fechio, Alexandre de Paula Sá, Mario Alberto Barbosa Amarante, André Carvalho e a Cesário Garcia. Agradeço a Unesp por todo apoio e estrutura fornecida. Agradeço especialmente a ajuda do técnico Alan na elaboração dos ensaios geotécnicos e suporte na obtenção de dados geotécnicos. Agradeço aos colegas de faculdade que me apoiaram nessa jornada. Agradeço a Daniel Kenzi pelo suporte em campo e ao meu grande irmão de faculdade Luís Henrique Aquaroli Souza. Agradeço aos professores Malagutti, Dourado, Braga, Marcus (Marcão), José Ricardo Bortolin e aos funcionários da Unesp. RESUMO Barragens são estruturas que represam rios e córregos para diversas finalidades. Essas estruturas, geralmente precisam ser robustas para suportar a força do represamento e os altos valores de carga de água acumulados. A constante manutenção dessas estruturas é imprescindível, uma vez que um acidente eventual pode gerar danos de proporções catastróficas. Esse estudo apresenta uma alternativa barata, de simples e rápida aplicação para investigação de zonas de percolação de água em barragens de terra, construídas com material de empréstimo distintos. Os métodos de investigação utilizados foram: ensaios geotécnicos como análise granulométrica, determinação dos índices físicos do solo, ensaio de permeabilidade com o permeâmetro de Guelph e, o método geofísico da eletrorresistivade, a partir da técnica do imageamento elétrico. Em cada barragem, foram adquiridas três linhas geofísicas paralelas ao eixo longitudinal da barragem. O espaçamento entre eletrodos foi de 2m e o arranjo utilizado no estudo foi o Wenner. Os resultados são apresentados a partir de imagens geofísicas 2D e 3D com valores de resistividade elétrica medida e modelada, onde foi possível identificar zonas de baixos valores relativos de resistividade elétrica, interpretadas como zonas saturadas e de provável infiltração no corpo da barragem. Os dados quantitativos dos ensaios geotécnicos contribuem para maior entendimento do fluxo hídrico interno. Palavras-Chave: erosão interna. geofísica. barragens. eletrorresistividade. ABSTRACT Dams are structures that dam rivers and streams for a variety of purposes. These structures, often need to be sturdy to withstand the force of the impoundment and the high values of accumulated water load. The constant maintenance of these structures is essential, since a possible accident can lead to damage of catastrophic proportions. This study presents an inexpensive alternative, simple and quick application for investigation of seepage of water in Earth dams, built with distinct loan material. The research methods used were: geotechnical tests as granulometric analysis, determination of the physical indexes of soil, permeability test with permeameter of Guelph and the geophysical method of electric resistivity, from electrical resistivity tomography. At each dam, were acquired three geophysical lines parallel to the longitudinal axis of the dam. The spacing between electrodes was 2m and the array used in the study was Wenner. The results are presented from geophysical images with 2D and 3D electrical resistivity values measured and modeled, where it was possible to identify areas of low relative values of electrical resistivity, interpreted as saturated areas and likely infiltration of the body of the dam. The quantitative data of the Geotechnical testing contribute to greater understanding of the internal water flow. Keywords: internal erosion. geophysics. dams. electrical resistiviy. LISTA DE FIGURAS Figura 2.1: Localização das áreas de estudo. .......................................................................... 17 Figura 2.2: Bloco de basalto em processo de alteração no entorno da barragem de Cordeirópolis ............................................................................................................................ 20 Figura 2.3: Afloramento de encosta do Grupo Itararé ao lado da barragem de estudos em Ipeúna ....................................................................................................................................... 20 Figura 3.1: Salto das Sete Quedas antes (a) e após a elevação do nível d’água (b) ................ 22 Figura 3.2: Barramentos de terra usuais: a) Barragem de terra homogênea; b) Barragem de terra zonada com núcleo de material com menor coeficiente de permeabilidade relativo ....... 24 Figura 3.3: Barragem de enrocamento de montante ............................................................... 26 Figura 3.4: Mecanismo de formação de piping a partir da erosão regressiva, jusante para montante ................................................................................................................................... 28 Figura 3.5: Processo de formação de piping por meio do alargamento das paredes das trincas........................................................................................................................................ 29 Figura 4.1: Propagação de corrente elétrica através de meio com dimensões conhecidas ..... 32 Figura 4.2: Propagação de campo elétrico em meio tridimensional, por meio de um dispositivo de quatro eletrodos ................................................................................................. 33 Figura 4.3: Esquema dos arranjos Wenner.............................................................................. 36 Figura 4.4: Arranjo Wenner e o espaçamento constante entre eletrodos ................................ 37 Figura 4.5: Volumes e massas das três fases físicas do solo ................................................... 38 Figura 4.6: Esquema do arranjo experimental utilizado por Henry Darcy ............................. 46 Figura 4.7: Valores de permeabilidade em função da granulometria ..................................... 47 Figura 4.8: Caixa do equipamento – permeâmetro de Guelph ................................................ 50 Figura 4.9: Esquema do permeâmetro de Guelph ................................................................... 51 Figura 5.1: Localização das seções geofísicas na barragem de Cordeirópolis – SP ............... 53 Figura 5.2: Esquema das linhas geofísicas na área de estudos de Cordeirópolis – SP ........... 54 Figura 5.3: Localização das linhas Geofísicas na barragem de Ipeúna – SP .......................... 54 Figura 5.4: Esquema das linhas geofísicas na área de estudos de Ipeúna – SP ...................... 55 Figura 5.5: Resistivímetro ABEM Terrameter LS em operação ............................................. 56 Figura 5.6: Localização dos pontos dos ensaios de permeabilidade na barragem de Ipeúna.. 57 Figura 5.7: Localização dos pontos dos ensaios de permeabilidade na barragem de Cordeirópolis ............................................................................................................................ 57 Figura 6.1: Esquema da disposição das linhas geofísicas em corte transversal a barragem ... 59 Figura 6.2: Linhas de imageamento elétrico 1, 2 e 3 – Cordeirópolis .................................... 60 Figura 6.3: Modelo de visualização 3D em blocos com as resistividades medida (a) e resistividade modelada (b), com posicionamento dos pontos de ensaio de permeabilidade .... 61 Figura 6.4: Mapas de nível da resistividade medida da barragem de Cordeirópolis separados por níveis (0 a 4m) .................................................................................................................... 62 Figura 6.5: Mapas de nível da resistividade medida da barragem de Cordeirópolis separados por níveis (5 a 10m) .................................................................................................................. 63 Figura 6.6: Mapas de nível da resistividade modelada da barragem de Cordeirópolis separados por níveis (0 a 4m) ................................................................................................... 64 Figura 6.7: Mapas de nível da resistividade modelada da barragem de Cordeirópolis separados por níveis (6 a 10m) ................................................................................................. 65 Figura 6.8: Curva granulométrica da amostra de solo de Cordeirópolis – SP ........................ 67 Figura 6.9: Esquema da disposição das linhas geofísicas em corte transversal a barragem ... 68 Figura 6.10: Linhas de imageamento elétrico 1, 2 e 3 – Ipeúna ............................................. 70 Figura 6.11: Modelo de visualização 3D em blocos com as resistividades medida (a) e resistividade modelada (b), com posicionamento dos pontos de ensaio de permeabilidade .... 71 Figura 6.12: Mapas de nível da resistividade medida da barragem de Ipeúna separados por níveis (0 a 4m) .......................................................................................................................... 72 Figura 6.13: Mapas de nível da resistividade medida da barragem de Ipeúna separados por níveis (5 a 10m) ........................................................................................................................ 73 Figura 6.14: Mapas de nível da resistividade modelada da barragem de Ipeúna separados por níveis (0 a 4m) .......................................................................................................................... 74 Figura 6.15: Mapas de nível da resistividade modelada da barragem de Ipeúna separados por níveis (5 a 10m) ........................................................................................................................ 75 Figura 6.16: Curva granulométrica da amostra de solo de Ipeúna .......................................... 77 Figura 7.1: Fragmentos de rochas alterada via trado manual .................................................. 78 LISTA DE TABELAS Tabela 4.1: Resumo e definição dos índices físicos do solo ................................................... 39 Tabela 4.2: Valores da Massa especifica da água ρw em diferentes temperaturas ................. 42 Tabela 4.3: Influência da fração que passa na peneira 100 na permeabilidade de filtros de agregado lavado ........................................................................................................................ 49 Tabela 6.1: Síntese dos resultados de permeabilidade da barragem de Cordeirópolis a partir do permeâmetro de Guelph....................................................................................................... 66 Tabela 6.2: Síntese dos resultados dos índices físicos para amostra de solo da barragem de Cordeirópolis – SP .................................................................................................................... 66 Tabela 6.3: Síntese dos resultados de permeabilidade da barragem de Ipeúna a partir do permeâmetro de Guelph............................................................................................................ 76 Tabela 6.4: Síntese dos resultados dos índices físicos para amostra de solo da barragem de Ipeúna – SP ............................................................................................................................... 76 Tabela 7.1: Comparativo entre os resultados dos índices físicos das duas barragens ............. 82 SUMÁRIO 1 – INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 14 1.1 – Objetivos ......................................................................................................................... 16 1.2 – Organização do trabalho............................................................................................... 16 2 – ÁREA DE ESTUDO E ASPECTOS FISIOGRÁFICOS .............................................. 17 2.1 – Geologia Regional .......................................................................................................... 18 2.2 – Unidades litoestratigráficas relevantes ao estudo ....................................................... 18 2.2.1 – Grupo Itararé ............................................................................................................... 18 2.2.2 – Formação Serra Geral ................................................................................................. 19 2.3 – Geologia local ................................................................................................................. 19 3 – BARRAGENS – REVISÃO TÉCNICA ......................................................................... 21 3.1 - Barragens de regularização ........................................................................................... 21 3.2 – Barragens de contenção ................................................................................................ 22 3.3 – Tipos de barragens ........................................................................................................ 23 3.3.1 - Barragens de terra ........................................................................................................ 23 3.3.2 – Barragens de concreto ................................................................................................. 25 3.3.3 – Barragens de enrocamento.......................................................................................... 25 3.4 - Problemas associados a barragens................................................................................ 26 4 – METODOLOGIA EMPREGADA ................................................................................. 32 4.1 - Estudos Geofísicos Aplicados em Barragens ............................................................... 30 4.2 – Geofísica – Métodos Geoelétricos ................................................................................. 31 4.2.1 – Resistência e Resistividade ......................................................................................... 31 4.2.2 – Eletrorresistividade .................................................................................................... 33 4.2.3 – Fatores que influenciam os resultados da eletrorresistividade .............................. 35 4.2.4 – Técnicas e arranjos geoelétricos ................................................................................ 36 4.3 – Ensaios Geotécnicos ....................................................................................................... 38 4.3.1- Índices físicos do solo .................................................................................................... 38 4.3.1.1 - Massa especifica do solo (ρ) ...................................................................................... 39 4.3.1.2 - Teor de umidade (w) .................................................................................................. 40 4.3.1.3 – Massa específica seca (ρd) ........................................................................................ 41 4.3.1.4 – Índice de vazios (e) .................................................................................................... 41 4.3.1.5 – Porosidade (n) ........................................................................................................... 41 4.3.1.6 – Grau de Saturação (Sr) ............................................................................................. 42 4.3.1.7 – Massa específica da água (ρw).................................................................................. 42 4.3.1.8 – Massa Específica dos Sólidos (ρs) ............................................................................. 42 4.3.2 – Análise granulométrica ............................................................................................... 43 4.3.3 – Permeabilidade ............................................................................................................ 45 4.3.3.1 - Coeficiente de permeabilidade (k) ............................................................................. 45 4.3.3.2 - Fatores que influenciam k e seus intervalos de variação .......................................... 48 4.3.3.2.1 - Estratificação e estruturas do solo.......................................................................... 48 4.3.3.2.2 – Granulometria e amplitude de variação granulométrica....................................... 48 4.3.3.2.3 – Mineralogia ............................................................................................................ 49 4.3.3.2.4 – Índice de vazios (e) ................................................................................................. 49 4.3.3.2.5 – Temperatura ........................................................................................................... 49 4.3.3.2.6 – Grau de saturação (Sr) ........................................................................................... 50 4.3.3.3 – Permeâmetro de Guelph ............................................................................................ 50 4.3.3.4 – Cálculo da permeabilidade ....................................................................................... 52 5 – AQUISIÇÕES DE DADOS.............................................................................................. 53 5.1 – Dados geoelétricos.......................................................................................................... 53 5.2 – Dados geotécnicos .......................................................................................................... 56 6 – RESULTADOS ................................................................................................................. 58 6.1 – Barragem de Cordeirópolis .......................................................................................... 58 6.1.1 – Resultados geoelétricos ................................................................................................ 58 6.1.2 – Resultados dos ensaios Geotécnicos – Barragem de Cordeirópolis........................... 66 6.2 – Barragem de Ipeúna ...................................................................................................... 68 6.2.1 – Resultados geoelétricos ................................................................................................ 68 6.2.2 – Resultados dos ensaios Geotécnicos – Barragem de Ipeúna ..................................... 76 7 – ANÁLISE E INTERPRETAÇÃO DOS RESULTADOS ............................................. 78 7.1 – Barragem de Cordeirópolis .......................................................................................... 78 7.2 – Barragem de Ipeúna ...................................................................................................... 80 7.3 – Comparativo entre resultados das barragens de Cordeirópolis e Ipeúna ................ 81 8 – CONCLUSÕES ................................................................................................................. 83 REFERÊNCIAS...................................................................................................................... 85 ANEXO A – PLANILHA COM OS RESULTADOS DOS ENSAIOS GRANULOMÉTRICOS ........................................................................................................ 89 ANEXO B – IMAGENS DE CAMINHAMENTO ELÉTRICO COM PSEUDO-SEÇÃO, SEÇÃO CALCULADA E SEÇÃO MODELADA – BARRAGEM DE CORDEIRÓPOLIS ................................................................................................................ 92 ANEXO C – IMAGENS DE CAMINHAMENTO ELÉTRICO COM PSEUDO-SEÇÃO, SEÇÃO CALCULADA E SEÇÃO MODELADA – BARRAGEM DE IPEÚNA ............ 95 14 1 – INTRODUÇÃO Barragem pode ser entendida como uma estrutura construída transversalmente a um rio ou talvegue com a finalidade de represamento e elevação do nível d’água, para a formação de um reservatório de água. Esse reservatório pode ser destinado a diversas finalidades: ao controle de cheias, irrigação, geração de energia, navegação, à regularização de vazão, abastecimento urbano e industrial, piscicultura, recreação, turismo, rejeitos industriais, dentre outros objetivos. As barragens tiveram um papel fundamental no desenvolvimento das civilizações. A sua construção era motivada, sobretudo, pela escassez de água no período seco e pela consequente necessidade de armazenamento de água, realizado por barragens executadas em bases empíricas (SOUZA, 2013). Barragens de terra com estocagem de água para irrigação são usadas desde os primórdios da civilização, como atestam a história clássica e o que restou de estruturas de antigas edificações. Algumas dessas estruturas já possuíam tamanho notável, como uma antiga barragem de terra em Sri Lanka, construída em 504 a.C. a qual possui 13 milhões de metros cúbicos de material aterrado. Como no passado, hoje em dia as barragens de terra são o tipo mais comum de pequenos barramentos, devido à utilização de materiais em seu estado natural com o mínimo de processamento (CULLEN, 1964). Infelizmente problemas com barragens são frequentes. O desenvolvimento tecnológico proporcionou melhorias ao longo do tempo, mas ainda há relatos de problemas associados a barragens. Entre 2000 e 2009 foram relatados 140 incidentes apenas no Brasil (PERINI, 2009). Uma grande parte desses incidentes é associada a problemas de infiltração e erosão interna (piping). No dia 5 de Novembro de 2015 aconteceu um acidente na barragem de rejeitos da mineradora Samarco no município de Bento Rodrigues – MG. Uma das três barragens da empresa se rompeu enquanto passava por obras de alteamento. De acordo com o IBAMA, houve extravasamento de pelo menos 34 milhões de metros cúbicos de rejeito de mineração. Os principais danos causados pelo acidente foram mais de 20 vítimas fatais, severos danos materiais a comunidade local, e ambientalmente o episódio é avaliado como o maior desastre ambiental do país, já que o rejeito causou um extermínio de grande parte da fauna do Rio Doce e chegou até o litoral do Espírito Santo, prejudicando inclusive todo o bioma local (IBAMA, 2015). 15 As construções de pequenas e médias barragens de terra, em muitos casos não contam com projetos técnicos baseados em dados obtidos por meio de ensaios laboratoriais e de campo, ou mesmo na análise criteriosa da estabilidade do barramento. A maior parte das pesquisas geotécnicas é dirigida para as barragens de grande porte. Assim, para a formulação de projeto para as barragens de pequeno porte, são utilizadas apenas orientações provenientes de manuais técnicos, apostilas didáticas e recomendações empíricas (PASCHOALIN FILHO, 2002). O presente estudo tem como tema a aplicação de métodos geofísicos elétricos para investigações no interior de corpos de barragens de terra de pequeno porte, com a finalidade de identificar zonas de percolação de água, complementado por ensaios geotécnicos. A geofísica é uma área das geociências alicerçada no estudo de propriedades físicas intrínsecas aos materiais terrestres, cujas variações podem ser condicionadas a diversos fatores. No caso dos métodos Elétricos e Eletromagnéticos, segundo McNeill (1980), Ward (1990), Telford (1990) e Nobes (1996) é possível citar os seguintes fatores: conteúdo mineral, tipos predominantes de argilominerais, tamanho de grãos, variabilidade granulométrica, porosidade, permeabilidade, presença e composição do fluído intraporo, heterogeneidades e anisotropias como fraturas e falhas. A geofísica pode ser uma alternativa interessante para investigações preliminares e ao monitoramento de infiltrações em barragens de terra, diante do contraste de propriedades físicas entre zonas com percolação de água e os materiais íntegros ao redor. Esta ferramenta, aliada a avaliação de aspectos visíveis em superfície resultantes de processos nocivos à integridade da estrutura, como a presença de ravina ou feições de escorregamentos, pode proporcionar uma avaliação adequada, rápida e de baixo custo ao estudo de barragens de pequeno porte. Ensaios geotécnicos como determinação da permeabilidade, análise granulométrica e determinação dos índices físicos do solo são importantes para a caracterização geotécnica. A integração de dados geofísicos e geotécnicos contribui para uma avaliação abrangente de caminhos preferenciais para percolação de água em barragens de terra. 16 1.1 – Objetivos O objetivo do estudo foi a aplicação a técnica de tomografia elétrica em barragens de terra para definição de eventuais zonas de infiltração de água, e o potencial de evolução do processo na formação de piping, complementado por ensaios geotécnicos. 1.2 – Organização do trabalho O trabalho é divido em 10 capítulos. No primeiro é descrito a importância das barragens e impactos de possíveis incidentes, além das motivações da pesquisa bem como as justificativas. No segundo capítulo é apresentada a área de estudo com localização e principais acessos. O terceiro capítulo apresenta uma revisão de estudos de casos de geofísica aplicada a barragens. O capítulo quatro apresenta um breve relato sobre a geologia das áreas de estudo. O quinto capítulo é uma revisão de barragens: principais finalidades, principais tipos de barragens, e principais problemas associados às estruturas. O sexto capítulo apresenta uma revisão da metodologia empregada no estudo. O capítulo é dividido em três partes: geofísica com aspectos sobre o método da eletrorresistividade e arranjos geofísicos; índices físicos do solo com definições dos índices e análise granulométrica; permeabilidade com definições, aspectos que influenciam os valores do ensaio e metodologia do permeâmetro de Guelph. No sétimo capítulo são apresentados detalhes da aquisição de dados e aspectos empregados na metodologia executiva dos ensaios. No capítulo oito são apresentados e descritos os resultados obtidos nos ensaios. O nono capítulo apresenta uma discussão detalhada e possíveis interpretações dos resultados. Por fim o capítulo dez descreve as conclusões do trabalho. 17 2 – ÁREAS DE ESTUDO E ASPECTOS FISIOGRÁFICOS O presente estudo contemplou duas barragens de terra no interior de São Paulo. Uma barragem de terra na zona rural do município de Ipeúna – SP e outra na zona rural do município de Cordeirópolis – SP. A cidade de Ipeúna está a 195km da cidade de São Paulo, ao passo que Cordeirópolis 160km (Figura 2.1). Figura 2.1: Localização das áreas de estudo. Fonte: Modificado de GOOGLE MAPS, 2015 As duas barragens estão localizadas na bacia hidrográfica do Rio Piracicaba. A barragem de Cordeirópolis represa um afluente do Ribeirão do Tatu, que cruza a cidade de Limeira e desemboca no Rio Piracicaba. A barragem de Ipeúna represa o Córrego da Fazenda Covitinga que é um afluente do Ribeirão da Água Vermelha, que é um afluente do Rio Corumbataí que por sua vez desemboca no Rio Piracicaba. A região faz parte do contexto geomorfológico da Depressão Periférica do Estado de São Paulo. A Depressão Periférica é localizada entre rebordos pré-Cambrianos do Planalto Atlântico a Leste, e escarpas das zonas de Cuestas do Planalto Ocidental a Oeste e Norte. A unidade é descrita em três zonas: Paranapanema, Mogi-Guaçu e Médio Tietê. A área de estudos é situada na última zona. As principais características morfológicas são comportamento interplanáltico, suavemente ondulado (SILVA,1999). Barragem Cordeirópolis Barragem Ipeúna 18 2.1 – Geologia Regional A área de estudo é localizada na Bacia Sedimentar do Paraná, uma imensa região sedimentar localizada na plataforma sul-americana, que abriga uma sucessão sedimentar- magmática com idades entre o Neo-Ordoviciano e o Neocretáceo. Territorialmente a Bacia inclui porções do Paraguai, Argentina, Uruguai e Brasil; dispostos em uma área total que ultrapassa 1,5 milhão de km 2 . A Bacia possui uma forma ovalada com eixo maior N-S com contornos definidos por limites erosivos, e representa o conceito de bacia intracratônica do tipo Sinéclise. Chega apresentar espessura máxima de sete mil metros (MILANI et al., 2007). O preenchimento sedimentar é predominantemente siliciclastico com intrusão de um volumoso derrame de lavas basálticas. Esse conjunto de rochas sedimentares e vulcânicas representa a superposição de pacotes depositados em pelo menos três ambientes tectônicos, durante o tectonismo e evolução do Gondwana (ZALÁN et al., 1990). As rochas aflorantes na área de estudos são de idade permo-Carbonífero a Cretáceo. 2.2 – Unidades litoestratigráficas relevantes ao estudo 2.2.1 – Grupo Itararé Os sedimentos da unidade são de idade permo-Carbonífero caracterizados por arenitos, siltitos e diamictitos as quais refletem influencias glaciais em seus diferentes ambientes (SCHNEIDER et al., 1974). No estado de São Paulo é caracterizado predominantemente por arenitos de granulação variada. Segundo Pires (2001) as rochas da unidade compreendem depósitos glaciais anteriores a implantação da sedimentação marinha e sedimentos depositados durante episódio transgressivo marinho. No estado de São Paulo o Grupo Itararé é limitado na base por contato com rochas cristalinas pré silurianas, separadas por uma superfície de erosão; e o contato superior com a Formação Tatuí ocorre de forma discordante (SOUSA, 2002). 19 2.2.2 – Formação Serra Geral A Formação Serra Geral compreende a sequência de derrames de lavas basálticas com intercalações de lentes e camadas arenosas. A Formação consiste em lavas basálticas, toleíticas, de textura afanítica, coloração cinza a negra, amigdaloidal no topo dos derrames e com grande desenvolvimento de juntas verticais e horizontais. Intercalações de arenitos finos a médios, com estratificação cruzada tangencial (idêntica à da Formação Botucatu), ocorrem principalmente na parte basal. O contato inferior com os arenitos da Formação Botucatu é discordante. Com as unidades mais antigas, o contato é marcado por discordância erosiva. O contato superior também é discordante com a Formação Bauru. A ocorrência da unidade é generalizada na Bacia do Paraná e a maior espessura registrada é de 1529m na execução de um poço próximo a cidade de Presidente Epitácio - SP (SCHNEIDER et al., 1974). A Formação Serra Geral é resultado do intenso vulcanismo de fissura iniciado quando ainda ocorriam as condições desérticas de sedimentação da Formação Botucatu. Dados geocronológicos indicam a época das manifestações vulcânicas para idade Eocretáceo, há 132±1 milhões de anos - Ma (NARDY et al., 1999). A principal forma de ocorrência da unidade na região leste do Estado de São Paulo é na forma de sills e diques de basaltos ou diabásios e alguns derrames. Ocorrem como preenchimento de falhas (SOUSA, 2002). 2.3 – Geologia local A barragem de Cordeirópolis está localizada em zonas de afloramento da Formação Serra Geral. O material do aterro do corpo da barragem é composto por um solo laterítico argiloso, fruto da alteração das rochas básicas. Em campo foi possível identificar pequenos blocos e matacões de basalto no entorno do lago da barragem (Figura 2.2). O entorno da barragem é utilizado para cultivo de cana de açúcar. 20 Figura 2.2: Bloco de basalto em processo de alteração no entorno da barragem de Cordeirópolis. Fonte: Arquivo Pessoal A barragem de Ipeúna está localizada em fundo de vale do Córrego da Fazenda Covitinga, próximo ao contato das unidades Grupo Itararé e Formação Tatuí. O material do aterro do corpo da barragem é composto por um solo argilo-arenoso. Em campo foi possível identificar afloramentos de diamictitos arenosos correspondente ao Grupo Itararé (Figura 2.3). Figura 2.3: Afloramento de encosta do Grupo Itararé ao lado da barragem de estudos em Ipeúna. Fonte: Arquivo Pessoal 21 3 – BARRAGENS – REVISÃO TÉCNICA Barragens são estruturas que represam uma quantidade determinada de água. Geralmente essas estruturas precisam ser robustas para compensar a força da massa de água retida. Para tanto existem diversos tipos de finalidade para represamento de água ou corpo hídrico. A definição da finalidade da barragem é o primeiro condicionante do projeto básico executivo. A partir da finalidade e das vazões máximas e mínimas dos rios represados, será dimensionada a estrutura, o tipo de barragem e características eventuais do empreendimento. A seguir são expostas algumas das finalidades mais usuais para barragens. 3.1 - Barragens de regularização Barragens de regularização tem o objetivo de regularizar o abastecimento de água e compensar o regime pluviométrico que determinadas bacias hidrográficas venham a receber, por exemplo, regiões que possuem estações do ano bem definidas, costumam estar sujeitas a regime pluviométrico irregular, com uma estação chuvosa, e outra seca. Nesse caso, a barragem serve para regular e estocar água na estação chuvosa, e compensa assim o déficit durante a estação seca (COSTA, 2012). De fato o principal objetivo de uma barragem é o represamento de águas. Esse represamento pode ser feito para regularização e estocamento de aguas com várias finalidades, tais como: irrigação agropecuária, aproveitamento industrial, uso doméstico ou para a geração de energia hidroelétrica. Existem diversas vantagens que um empreendimento de barragem pode proporcionar. O acúmulo das águas gera um lago artificial onde é possível o aproveitamento turístico. Nesse sentido, uma barragem pode fomentar a economia local e gerar empreendimentos imobiliários e comerciais. A regularização das águas ajuda na navegabilidade do corpo hídrico e no controle da vazão e aporte a jusante em períodos de estiagem. O aumento do nível d’água pode viabilizar a navegabilidade em trechos de corredeiras. O lago artificial também pode criar benefícios para o desenvolvimento de determinadas espécies de peixes (COSTA, 2012). Porém as principais desvantagens dos grandes empreendimentos de barragens estão associadas a fauna e flora local. A área inundada pelos lagos dos reservatórios compromete a fauna e principalmente a flora. Esse problema é agravado principalmente em habitats naturais de espécies que estejam ameaçadas de extinção. Outra desvantagem pode ser o desaparecimento de pontos turísticos (Figura 3.1). 22 Figura 3.1: Salto das Sete Quedas antes (a) e após a elevação do nível d’água (b). Fonte: BRACK, 2012 3.2 – Barragens de contenção Barragens de contenção são caracterizadas pelo represamento temporário de determinados corpos de água. São muito utilizadas em indústrias/minerações para decantação de rejeitos de mineração ou resíduos industriais – comumente chamadas de barragens de rejeito; mas também podem ser empregadas de maneira preventiva com o objetivo de amenizar o grande aporte hídrico causado por um corpo hídrico em um evento pluviométrico extraordinário. Esse tipo de barragem visa à proteção de áreas a jusante e costumam reter a) b) 23 temporariamente as águas e promovem a liberação de forma gradual, onde a vazão de entrada é maior que a vazão de saída - Qentrada > Qsaída (COSTA, 2012). 3.3 – Tipos de barragens O tipo de barragem deve ser determinado a partir de fatores como a finalidade da barragem, o material de empréstimo disponível, características geológicas e topográficas e influência do clima local. 3.3.1 - Barragens de terra Até meados do Século XX as barragens de terra eram desenvolvidas com métodos empíricos e técnicas rudimentares, e por causa disso a literatura está repleta de relatos de problemas e falhas estruturais. Esses incidentes foram um dos fatores que contribuíram para que essas técnicas rudimentares fossem substituídas gradativamente por um tipo de engenharia específica de projetos e construções de barragens. Apesar dos novos métodos, houve pouco progresso e desenvolvimento até a década de 1930 (ARHTUR, 1973). O rápido avanço da ciência de mecânica de solos após essa década proporcionou um grande avanço desde então. Grandes nomes da mecânica dos solos como o engenheiro austríaco Karl Von Terzaghi e Arthur Casagrande prosperaram após a década de 30. Técnicas e procedimentos desenvolvidos durante o período continuam com seus princípios básicos utilizados até hoje. Esses procedimentos incluem uma pré-investigação completa sobre as condições de fundação e materiais, aplicação de técnicas e habilidades específicas para o desenvolvimento do projeto e planejamento cuidadoso e controlado dos métodos de construção (ARHTUR, 1973). As primeiras barragens de terra possuíam material compactado por pisoteamento de animais e/ou homens. Segundo Massad (2003) na barragem de Guarapiranga, construída por ingleses no início do Século XX a partir da técnica de aterro hidráulico, foram utilizados carneiros para a compactação do solo. A compactação mecânica só foi introduzida no final do Século XIX. Segundo o mesmo autor, somente em 1947 foi construída a primeira barragem no Brasil com o emprego de técnicas desenvolvidas por Terzaghi e Casagrande no projeto e construção. Apesar do avanço das técnicas modernas, não são todos os empreendimentos que possuem acessos às metodologias. Nesse ponto, é importante frisar que muitos 24 empreendimentos não conseguem arcar com o ônus de tais tecnologias. Por isso, ainda hoje são relatadas falhas estruturais, as quais não são aplicados os cuidados necessários, principalmente na execução do projeto. Métodos adequados de construção incluem ainda uma adequada preparação e colocação no corpo da barragem com controle dos testes de níveis de compactação do aterro. O projeto de uma barragem de terra deve ser único, pois deve refletir as condições de fundação do local e a disponibilidade de materiais disponíveis para o aterro do corpo de barragem, preferencialmente próximas ao local desejado. Por isso é importante que cada projeto seja analisado separadamente, uma vez que um projeto bem sucedido em local com determinadas condições geológicas, pode não ser o ideal para condições geológicas diferentes (ARTHUR, 1973). As barragens de terra são construídas basicamente a partir do deslocamento de um material (material de empréstimo) e a simples disposição desse material com uma acumulação e sucessiva compactação (aterro – corpo da barragem). Por uma questão de custo e logística, os materiais de empréstimo, na maioria das vezes, são utilizados do próprio sítio do reservatório ou dos arredores do empreendimento. A seguir são citados os dois tipos de barragens de terra mais usuais (Figura 3.2): Figura 3.2: Barramentos de terra usuais: a) Barragem de terra homogênea; b) Barragem de terra zonada com núcleo de material com menor coeficiente de permeabilidade relativo. Fonte: o autor. a) b) Terra Homogênea Meio imper Núcleo impermeável Meio imper 25 - Barragem Homogênea: é o tipo de barragem onde o corpo da barragem é composto basicamente por um único material. Não há grandes contrastes de propriedades no corpo da barragem. A barragem homogênea pode conter ou não elementos drenantes como filtros internos, tapetes impermeáveis, trincheiras de vedação, entre outros; - Barragem Zonada: é o tipo de barragem que possui materiais heterogêneos na composição do corpo da estrutura. É geralmente utilizado um núcleo com menores valores de permeabilidade. 3.3.2 – Barragens de concreto São comumente empregadas em empreendimentos de grande porte. Existem basicamente três tipos principais de barragens de concreto: - Barragens de concreto a gravidade: são estruturas maciças com pouca ferragem de armação. O objetivo é que o próprio peso do concreto garanta estabilidade à estrutura e trabalhe à compressão (COSTA, 2012). Esse tipo de barragem costuma ser muito oneroso, pois pode ser consumido grande volume de concreto; - Barragens de concreto a gravidade aliviada: são estruturas de concreto menos densas, menos robusta e não maciça, com vazios internos que visa menor custo executivo ou menor carga sobre as fundações. Porém é necessário um incremento de armação e ferragens para compensar os esforços de tração. - Barragens em arco: são estruturas que apresentam curvatura tanto na horizontal quanto na vertical. Podem ser denominadas de estruturas de dupla curvatura e podem possuir arcos simples ou múltiplos. São muito utilizadas em vales encaixados e regiões de cânions. A estrutura trabalha a compressão e a tração, e transfere parte das pressões para a região das ombreiras (COSTA, 2012). 3.3.3 – Barragens de enrocamento São estruturas compostas por uma ou mais faces de enrocamento – blocos de rocha/concreto, cuja finalidade é proteger a face de montante e/ou jusante de agentes intempéricos (Figura 3.3). Pode ser composto a partir de um núcleo impermeável central ou inclinado de material argiloso e separados do enrocamento por zonas de transição de 26 materiais, ou composta por uma face impermeável na face montante que pode ser executado por placas de metal, concreto ou asfalto. Figura 3.3: Barragem de enrocamento de montante. Fonte: o autor. 3.4 - Problemas associados a barragens Barragens são estruturas que devem ser robustas e resistentes, mas como toda edificação exposta a ação de agentes intempéricos, exigem manutenção constante. Infelizmente, acidentes com essas estruturas não são raros e quase sempre geram grandes danos sociais, econômicos e ambientais. Porém, muitos acidentes podem ser evitados por meio de manutenção constante da estrutura. Por represarem grandes quantidades de massa de água, essas estruturas necessitam de cuidados especiais, e os rompimentos totais ou parciais das mesmas geram grande potencial destrutivo, juntamente com problemas ambientais associados a rompimentos de barragens. Os principais problemas associados a rupturas de barragens são associados a falhas de projetos – principalmente na fase de execução – e problemas operacionais e de manutenção. Alguns problemas que ocorrem na fase do projeto executivo de engenharia podem ser associadas à escolha indevida de materiais de empréstimo para o corpo de barragem, dimensionamento indevido do corpo da estrutura e de vertedouros – que podem acarretar em desestabilização da estrutura em eventos de ondas de cheia. As falhas que ocorrem na fase de execução da obra podem ser as mais diversas, mas é possível resumir tais falhas a não conformidades ao projeto executivo, por exemplo, grau de compactação insuficiente de uma determinada camada do corpo da barragem. Entretanto muitos empreendimentos não dispõem sequer de um projeto básico de engenharia, e muitas vezes não há um responsável técnico capacitado para os devidos fins. Grande parte das barragens brasileiras possui mais de 30 anos. Muitas não atendem a requisitos mínimos de segurança empregados atualmente. Problemas como a falta de Face de Enrocamento a Montante 27 drenagem interna e compactação pouco eficiente são frequentes em barragens antigas (PERINI, 2009). Outro problema frequente é a falta de manutenção do empreendimento. Muitas vezes, devido à intervenção humana, é preciso redimensionar a capacidade de vertimento das estruturas de esgotamento, porém os custos de adequação das reformas das estruturas geralmente são muito altos ou tecnicamente muito complexos. Por esse motivo, é comum as barragens brasileiras serem mantidas em operação da forma em que se encontram, e intervenções ocorrem apenas em casos emergenciais. O abandono é comum e o descomissionamento raramente é executado (PERINI, 2009). Os principais problemas operacionais e falta de manutenção envolvem eventos como aparecimento de fissuras, galgamento da barragem, deslizamentos de talude e processos de erosão interna como piping. As fissuras podem estar associadas a recalques das fundações, abalos sísmicos, degradação da estrutura, entre outros. As fissuras podem evoluir para brechas. Tais descontinuidades do corpo da estrutura representam planos de fraqueza e de maior percolação de água, o que pode desencadear outros problemas de estabilidade. O galgamento de barragens ocorre quando há um transbordamento da barragem que pode causar danos a estrutura do corpo da barragem. O evento de galgamento costuma causar sérios danos, pois o transbordamento gera uma pressão muito grande no corpo da barragem devido a elevada massa concentrada e, geralmente é o principal motivo de rupturas de barragens. Porém, tal problema pode ser controlado com maior facilidade, por meio do controle da vazão de saída da barragem e com a construção de vertedouros maiores. A instabilidade dos taludes ocorre quando as tensões de cisalhamento ultrapassam a resistência do material e/ou as partículas perdem coesão. Esse evento pode ser associado à percolação de água pelo corpo da barragem, que pode ocorrer de forma naturalmente, mas que pode ser agravada por fissuras, e erosão interna. A erosão interna mais comum em barragens de terra é o fenômeno conhecido como piping. A forma mais comum de ocorrência de piping é através da erosão regressiva, onde a erosão atua de jusante para montante no corpo da barragem e forma um tubo com um canal preferencial por onde a água percola (Figura 3.4). Segundo Massad (2003), há alguns fatores condicionantes ao piping: ausência de filtros e elementos drenantes internos, condições de compactação do maciço, ausência de transições adequadas entre solos e materiais granulares e presença de fundações arenosas. 28 Figura 3.4: Mecanismo de formação de piping a partir da erosão regressiva, jusante para montante. Fonte: Modificado de PERINI, 2009 Outra importante forma de ocorrência de piping é através de trincas existentes na barragem que permitam a formação de um fluxo concentrado. O fluxo concentrado pode causar erosão e evoluir para um tubo, que caracteriza o piping (Figura 3.5). Do ponto de vista da segurança da estrutura, não é necessário que ocorra uma progressão tão acentuada do piping, pois bastam apenas pequenos incrementos de permeabilidade para causar o aumento de poropressão que pode resultar na perda da estabilidade (PERINI, 2009). Existem casos famosos relatados associados à formação de piping em barragens. Segundo Massad (2003) a barragem de terra do reservatório de Baldwin Hills, construída em 1951 próximo a Los Angeles – EUA possuía altura média de 22 metros e dimensão entre 300 e 350m. Após 12 anos de operação houve o rompimento, que se acredita ter sido causado por piping, que erodiu os solos siltosos. Tudo isso após recalque das fundações que permitiram trincas na estrutura onde se iniciou o processo de erosão interna. A barragem de terra de Teton, também nos EUA, rompeu em 1976 por piping iniciado no contato entre solo-rocha, pois não houve o cuidado em executar a transição de materiais entre solo e a rocha fraturada. 29 Figura 3.5: Processo de formação de piping por meio do alargamento das paredes das trincas. Fonte: Modificado de PERINI, 2009 Trincas Existentes Fluxo Concentrado Formação do Tubo piping 30 4 – METODOLOGIA EMPREGADA 4.1 - Estudos Geofísicos Aplicados em Barragens Alguns estudos de métodos geoelétricos empregados em barragens demonstram grande eficiência e os resultados apresentados até o momento são considerados satisfatórios pelos autores, como no munícipio de Tambaú – SP, onde Malagutti Filho et al (1999) utilizaram a combinação dos métodos da eletrorresistividade e refração sísmica. O objetivo era efetuar o zoneamento geofísico do perfil de alteração, para caracterização de solos e rochas do sítio de uma pequena barragem, uma vez que no mesmo local existia uma barragem que foi rompida por ser construída em uma zona de fraturamentos, que gerou instabilidade na estrutura. Com o emprego da técnica do caminhamento elétrico, do arranjo dipolo-dipolo, e com um espaçamento entre eletrodos de 10m, os autores executaram uma linha geofísica de 110m com resolução de 30m de profundidade de investigação. Os resultados foram satisfatórios segundo os autores, que conseguiram determinar o topo rochoso com precisão a partir do método da sísmica de refração e, com a eletrorresistividade foi possível caracterizar a zona de fraturamento do maciço. Na barragem de Afamia B na Síria. O estudo de Al-Fares (2011) apresenta cinco linhas geofísicas, com três linhas dispostas paralelamente ao corpo da barragem e outras duas linhas perpendiculares ao corpo da barragem. Com os dados do estudo, foi possível determinar diferentes litologias de material de empréstimo do corpo da barragem bem como zonas de percolação de água influenciadas pela tectônica regional e a geologia estrutural local, e até mesmo antigos canais de água desativados de civilizações remotas que povoaram a região no passado. Na barragem Hidden em Raymond – Califórnia, Minsley et al (2011) utilizaram os métodos do potencial espontâneo e eletrorresistividade com a configuração do arranjo Schlumberger para investigação de zonas de infiltrações no corpo da barragem de terra, mudanças litológicas e a determinação do topo rochoso. Os autores consideraram os dados geofísicos satisfatórios para identificação de infiltrações no corpo da barragem. Na barragem Mathis Creek na Califórnia, Bedrosian et al (2012) fizeram uma investigação com a combinação de diversos métodos geofísicos, como eletrorresistividade, magnetometria, sísmica e mapeamento aéreo por Lidar. Com o processamento dos dados foi possível identificar feições de geologia estrutural regional e, a partir de ensaios realizados em 31 campo identificar zonas de contato de unidades litológicas entre depósitos aluvionares, derrames vulcânicos e ainda percolação de água no contato das unidades. A partir da técnica de caminhamento elétrico, Case (2012) utilizou o método da eletrorresistividade para monitorar duas pequenas barragens de terra em Stillwater - Oklahoma, nos Estados Unidos. Para a escolha do arranjo o autor fez alguns testes com os arranjos Wenner, Schlumberger e Dipolo-Dipolo, e optou por utilizar o último arranjo para realizar o estudo. O trabalho contemplou o monitoramento de duas barragens de terra antes, durante e após o reservatório estar devidamente preenchido de água. Os resultados apresentados para identificação de zonas susceptíveis as infiltrações foram consideradas satisfatórios pelo autor, uma vez que zonas de baixa resistividade apresentram grande contraste com o corpo da barragem. O monitoramento ao longo de um ano também apresentou diferentes resultados para a sazonalidade e influência do clima ao longo de diferentes estações do ano. O período com menos chuvas é o verão, quando as temperaturas são mais altas e tendem a secar o solo da barragem, o que favorece a formação de trincas no corpo da barragem. 4.2 – Geofísica – Métodos Geoelétricos A geofísica é uma área da ciência que basicamente busca atingir objetivos diversos através do contraste entre propriedades físicas de materiais. Existem diversos métodos desenvolvidos ao longo dos anos para investigação e comparação de contrastes de propriedades físicas. A adequação dos métodos é realizada para diferentes propósitos e objetivos. No presente estudo foi empregado o método da eletrorresistividade, que busca o contraste entre valores de resistividade de possíveis zonas mais saturadas com zonas menos saturadas, onde pudessem ocorrer falhas na estrutura da barragem caracterizadas por fluxo hídrico. 4.2.1 – Resistência e Resistividade Ao aplicar uma mesma corrente elétrica nas extremidades de diferentes materiais condutores, os valores de corrente elétrica serão diferentes. Essa diferença é caracterizada pela resistência do material. A resistência é caracterizada pela dificuldade da corrente fluir pelo condutor, no caso, a resistência à corrente (HALLIDAY; RESNICK; WALKER, 2009). 32 Após inúmeros experimentos, o físico alemão Ohm concluiu que a corrente que atravessa um dispositivo é sempre diretamente proporcional à diferença de potencial aplicada ao dispositivo. A relação matemática que expressa tal afirmação é apresentada pela equação 4.1: 𝑽 = 𝑹 . 𝒊 (Eq. 4.1) Onde: V = representa a diferença de potencial com unidade de medida expressa em Volts (V); R = representa a resistência elétrica com unidade de medida expressa em Ohms (Ω); i = representa a corrente elétrica com unidade de medida expressa em Àmpere (A). A resistência elétrica de um material depende tanto do material como também de sua forma geométrica. A propriedade que determina a habilidade dos materiais em transmitir corrente elétrica é definida como resistividade elétrica (𝜌) (Figura 4.1). Expressa matematicamente pela equação 4.2: Figura 4.1: Propagação de corrente elétrica através de meio com dimensões conhecidas. Fonte: modificado de HALLIDAY; RESNICK; WALKER, 2009. 𝑹 = 𝝆 . 𝑳 𝑨 (Eq. 4.2) Onde: R = representa a resistência elétrica com unidade de medida expressa em Ohms (Ω); L = representa o comprimento do material com unidade de medida expressa em metros (m); A L Corrente 33 A = representa a área da seção do material com unidade de medida expressa em metros quadrados (m 2 ); 𝜌 = representa a resistividade com unidade de medida expressa em ohm.m. A equação 2 também pode ser expressa pela equação 4.3: 𝝆 = 𝑹 . 𝑨 𝑳 (Eq. 4.3) 4.2.2 – Eletrorresistividade No método da eletrorresistividade, correntes elétricas contínuas ou de frequência muito baixas, artificialmente geradas são introduzidas no solo por intermédio de um par de eletrodos denominados de A e B, e as diferenças de potencial resultante são medidas na superfície por meio de outro par de eletrodos, denominados M e N na área de influência do campo elétrico (Figura 4.2). Os desvios do padrão de diferenças de potencial esperado do solo homogêneo fornecem informações sobre a forma e as propriedades elétricas das heterogeneidades de superfície (KEAREY; BROOKS; HILL, 2002). Figura 4.2: Propagação de campo elétrico em meio tridimensional, por meio de um dispositivo de quatro eletrodos. Fonte: Modificado de KNÖDEL; LANGE; VOIGT, 2007 Na terra a corrente elétrica não flui somente por um único caminho. Ao introduzir uma corrente elétrica na terra a partir de uma fonte posicionada na superfície do terreno, a corrente A A A A A A M N B 34 irá fluir apenas no semi-espaço inferior. A variação da voltagem no meio-espaço é representada pela equação 4.4: 𝑽 = 𝝆𝑰 𝟐𝝅𝒓 (Eq. 4.4) Onde: V = representa o potencial elétrico (V); I = representa a corrente elétrica (A); r = representa a distância entre o eletrodo de corrente e o ponto no qual o potencial é medido (m). A equação 4.4 representa uma relação fundamental para o método da eletrorresistividade com medidas realizadas a partir da superfície do terreno. Essa expressão é válida para meios homogêneos. Porém a Terra é um meio heterogêneo e a resistividade obtida pela equação 4.4 é denominada de resistividade aparente (GANDOLFO, 2007). Em campo é medido a diferença de potencial entre os eletrodos M e N, dada pela equação 4.5: 𝑽𝑴 − 𝑽𝑵 = 𝝆𝑰 𝟐𝝅 [ 𝟏 𝑨𝑴 − 𝟏 𝑩𝑴 − 𝟏 𝑨𝑵 + 𝟏 𝑩𝑵 ] (Eq. 4.5) Ou ∆𝑽 = 𝝆𝑰 𝟐𝝅 [ 𝟏 𝑨𝑴 − 𝟏 𝑩𝑴 − 𝟏 𝑨𝑵 + 𝟏 𝑩𝑵 ] (Eq. 4.6) A resistividade pode ser expressa pela equação 4.7: 𝝆 = ∆𝑽 𝑰 𝟐𝝅 [ 𝟏 𝑨𝑴 − 𝟏 𝑩𝑴 − 𝟏 𝑨𝑵 + 𝟏 𝑩𝑵 ] −𝟏 (Eq. 4.7) A partir da equação 4.7, é possível estabelecer uma relação com o fator geométrico K dado pela equação 4.8: 35 𝑲 = 𝟐𝝅 [ 𝟏 𝑨𝑴 − 𝟏 𝑩𝑴 − 𝟏 𝑨𝑵 + 𝟏 𝑩𝑵 ] −𝟏 (Eq. 4.8) Portanto, a partir da intensidade de corrente que percorre o subsolo (I), a geometria da disposição dos eletrodos (K) e a diferença de potencial (ΔV) medido pelos eletrodos receptores, é possível calcular o valor da resistividade aparente (ρ) (Equação 4.9). 𝝆 = 𝑲. ∆𝑽 𝑰 (Eq. 4.9) A unidade da resistividade aparente é o ohm.m (Ω.m) a diferença de potencial é medida em milivolt (mV), a intensidade de corrente é medida em miliampère (mA) e o coeficiente geométrico K em metros. A profundidade de investigação é proporcional ao espaçamento entre os eletrodos (KEAREY; BROOKS; HILL, 2002). A propagação da corrente elétrica no meio ocorre através de dois mecanismos: condução eletrônica através da matriz da rocha e condução iônica ou eletrolítica através de íons existentes de fluídos contidos nos poros e descontinuidades do meio (GANDOLFO, 2007). A condução eletrolítica é a mais importante no emprego do método da eletrorresistividade, pois os minerais em geral não são bons condutores de corrente elétrica, exceção feita para alguns metais nativos e outras classes de minerais metálicos. Nessa condição, a condutividade de solos e rochas ocorre preferencialmente de forma eletrolítica a partir de íons em solução presentes na água do meio. 4.2.3 – Fatores que influenciam os resultados da eletrorresistividade Existem fatores geológicos que influenciam diretamente o método de eletrorresistividade. A propagação elétrica em solos e rochas, em geral, é disseminada por poros e/ou interstícios da matriz rochosa. Os principais fatores geológicos são a mineralogia e a própria natureza do material, a porosidade da rocha/solo e o grau de saturação da rocha/solo, uma vez que a água contribui na condutividade da corrente elétrica (McNEILL, 1980). A topografia também pode influenciar os levantamentos elétricos, uma vez que as linhas de fluxo de corrente tendem a acompanhar a superfície do terreno. As superfícies equipotenciais são, assim, distorcidas, e podem resultar em leituras anômalas (KEAREY; BROOKS; HILL, 2009). As interpretações de eletrorresistividade apresentam interpretações ambíguas onde é necessário fazer interpretações geofísicas e geológicas, além de limitações 36 tais como método restrito a padrões estruturais mais simples, apresenta resultados não confiáveis quando para estruturas complexas, e a profundidade de penetração do método é limitada pela energia elétrica máxima que pode ser introduzida no solo. 6.2.4 – Técnicas e arranjos geoelétricos Para a aquisição dos dados de campo do método da eletrorresistividade existem diversas técnicas. Entre as técnicas mais comuns, as mais empregadas são Sondagem Elétrica Vertical (SEV) e o Imageamento Elétrico. A primeira investiga predominantemente a variação vertical da resistividade do meio em um ponto fixo, ao passo que a segunda gera dados com distribuição lateral (ou horizontal) além do componente vertical do meio. Há também diversas configurações de arranjos: Wenner, Schlumberger, dipolo-dipolo, pólo- dipolo, pólo-pólo, Wenner-Schlumberger e gradiente. A escolha do arranjo a ser utilizado depende de alguns fatores: a profundidade de investigação desejada, a razão sinal/ruído e principalmente o tipo de alvo a ser mapeado – isso porque cada arranjo apresenta diferente resposta de resolução lateral/vertical da resistividade em subsuperfície (GANDOLFO, 2007). No presente trabalho foi adotada a técnica do imageamento elétrico a partir do arranjo Wenner (Figura 4.3) devido aos bons resultados que o arranjo apresenta na investigação de estruturas horizontais, uma vez que o solo compactado do corpo da barragem de terra apresenta diferentes valores de permeabilidades verticais e horizontais (kv ≠ kh), o que pode contribuir para possíveis infiltrações horizontais. Figura 4.3: Esquema dos arranjos Wenner Fonte: Modificado de LOWRIE, 2007 37 A técnica do imageamento elétrico consiste na combinação de investigações laterais e verticais realizadas num mesmo ensaio, e a escolha do arranjo depende da sensibilidade do medidor, do nível de ruído da área e principalmente, pela estrutura a ser mapeada (no caso do presente estudo, a susceptibilidade de zonas saturadas no corpo das barragens). No arranjo Wenner os eletrodos de potencial são mantidos a um mesmo espaçamento “a” constante. Para aumentar a profundidade de investigação é preciso aumentar o espaçamento entre os eletrodos (Figura 4.4). Quanto maior for o espaçamento “a” entre eletrodos, maior será a profundidade de investigação. Figura 4.4: Arranjo Wenner e o espaçamento constante entre eletrodos. Fonte: GANDOLFO, 2007 Segundo Gandolfo (2007) o arranjo Wenner apresenta bons resultados na investigação de estruturas horizontais, pois possui sensibilidade a variações verticais de resistividade, e oferece assim boa resolução vertical. Porém o arranjo apresenta pouca sensibilidade para variações horizontais de resistividade, e fornece baixa resolução horizontal e pouca definição de estruturas verticais. A maior vantagem do arranjo Wenner é a elevada razão sinal/ruído. Contudo uma das desvantagens do arranjo é a perda de cobertura com o incremento da profundidade, o que pode ser uma grande desvantagem em lugares com pouco espaço para a realização de linhas, além da desvantagem da técnica do imageamento elétrico de excesso de ruídos com o aumento do espaçamento entre eletrodos. 38 4.3 – Ensaios Geotécnicos 4.3.1- Índices físicos do solo O solo é composto por elementos das três fases físicas: fase sólida, representada pelos minerais estruturados de tal forma a formar uma estrutura porosa, e nesses vazios do solo ocorre as outras duas fases do solo, a líquida e a gasosa (Figura 4.5). Em condições de saturação do solo, as três fases podem se transformar em duas, com os vazios do solo preenchidos apenas por água; ou em situações de solos extremamente secos, os vazios do solo podem ser compostos apenas por ar (NOGUEIRA, 2005). Figura 4.5: Volumes e massas das três fases físicas do solo. Fonte: NOGUEIRA, 2005 A fase sólida do solo é composta predominantemente por minerais decompostos das rochas. Há uma variação no tamanho de grãos que compõe determinado tipo de solo. Muitas das características e propriedades físicas do solo são ditadas pelo tamanho, composição química e forma dos grãos, além da forma como são arranjados (DAS, 2006). Os índices físicos do solo são relações entre massas e volumes de fases constituintes do solo. O objetivo da determinação dos índices físicos do solo é caracterizar as condições existentes no solo no instante da amostragem. A tabela 4.1 apresenta o resumo dos índices físicos e a definição de cada um dos índices. Recipiente para medir Q S O L O S O L O S ó lid o s V a z io s Sólidos Água Ar Volumes Massas 39 Tabela 4.1: Resumo e definição dos índices físicos do solo. Índice Físico Definição Porosidade Volume de vazios / Volume do solo Grau de Saturação Volume de água / Volume de vazios Índice de Vazios Volume de vazio / Volume de sólidos Teor de Umidade Massa de água / Massa de sólidos Massa Específica do Solo Massa do solo / Volume do solo Massa Específica dos Sólidos Massa dos sólidos / Volume dos sólidos Massa Específica da Água Massa da água / Volume da água Fonte: NOGUEIRA, 2005 4.3.1.1 - Massa especifica do solo (ρ) Existem dois principais métodos de determinação da massa específica do solo: método do Corpo de Prova Cilíndrico – onde é coletada uma amostra indeformada do solo e posteriormente é talhada um cilindro com medidas e volume conhecidos para a determinação de massa específica; e o método da Balança Hidrostática onde é coletado uma amostra indeformada do solo e aplicado uma fina camada de parafina por toda a amostra, para a determinação de todo o conjunto solo-parafina, ao ar e imerso em água destilada. Para o método da Balança Hidrostática – também conhecido como método de imersão - é importante determinar a temperatura da água destilada utilizada no ensaio (NOGUEIRA, 2005). No presente estudo foi empregado o método da Balança Hidrostática em água destilada pela facilidade na coleta de amostras e pela dificuldade de manuseio e talhagem de um corpo de prova cilíndrico totalmente indeformado em solos compactados e muito argilosos. O processo de cálculo pelo método da imersão usa o princípio de Arquimedes (Equação 4.10): 𝑽 (𝒔𝒐𝒍𝒐 + 𝒑𝒂𝒓𝒂𝒇𝒊𝒏𝒂) = 𝑾 (𝒔𝒐𝒍𝒐+𝒑𝒂𝒓𝒂𝒇𝒊𝒏𝒂)𝒂𝒓− 𝑾 (𝒔𝒐𝒍𝒐+𝒑𝒂𝒓𝒂𝒇𝒊𝒏𝒂)𝒊𝒎𝒆𝒓𝒔𝒐 𝝆𝒘 (𝑻) (Eq. 4.10) Onde: V – corresponde ao volume; W – Corresponde ao peso; ρw – Corresponde a massa específica da água. 40 Para o cálculo do volume da parafina é utilizada a equação 4.11: 𝑽(𝒑𝒂𝒓𝒂𝒇𝒊𝒏𝒂) = 𝑴(𝒔𝒐𝒍𝒐+𝒑𝒂𝒓𝒂𝒇𝒊𝒏𝒂)𝒂𝒓− 𝑴 𝝆 (𝒑𝒂𝒓𝒂𝒇𝒊𝒏𝒂) (Eq. 4.11) A massa específica da parafina ρ (parafina) = 912 kg/m 3 = 0,912 g/cm 3 . O volume final da amostra será a diferença entre a equação 4.10 e a equação 4.11 expressos na equação 4.12: 𝑽(𝒔𝒐𝒍𝒐) = 𝑽(𝒔𝒐𝒍𝒐 + 𝒑𝒂𝒓𝒂𝒇𝒊𝒏𝒂) − 𝑽(𝒑𝒂𝒓𝒂𝒇𝒊𝒏𝒂) (Eq. 4.12) O método da imersão também pode ser calculado em amostras imersas no mercúrio ao invés de água destilada, mas para tal finalidade a amostra deve possuir resistência à compressão suficiente para permitir a imersão no meio sem sofrer deformações e/ou alterações de volume. A unidade que expressa a massa específica do solo é g/cm 3 . 4.3.1.2 - Teor de umidade (w) Para a determinação do teor de umidade (w) é necessário determinar a massa de água e de sólidos existentes em um mesmo volume. Para a realização desse ensaio é necessário separar amostras do solo em cápsulas com peso conhecido, pesar cada conjunto de solo + cápsula e em seguida levar a estufa por pelo menos 6 horas em solos arenosos e 12 horas para solos argilosos. Após a secagem do material é necessário pesar novamente as cápsulas e determinar a massa dos sólidos e a massa de água. O teor de umidade é expresso em porcentagem. Para o cálculo do teor de umidade é utilizada a equação 4.13 para cada conjunto de cápsula, e o teor de umidade final será a média aritmética entre os valores de cada cápsula. 𝒘 = 𝑴𝑾 𝑴𝑺 (Eq. 4.13) Onde: w – corresponde ao teor de umidade; Mw – Corresponde à diferença da massa do conjunto solo + cápsula menos a massa do conjunto sólidos + cápsula; 41 Ms – Corresponde a diferença de massas do conjunto sólidos + cápsula menos a massa da cápsula. 4.3.1.3 – Massa específica seca (ρd) A massa específica seca ρd é definida com a massa de sólidos existente no volume de solo analisado e é expressa pela equação 4.14: 𝝆𝒅 = 𝑴𝒔 𝑽 (Eq. 4.14) Que também pode ser calculada pela equação 4.15: 𝝆𝒅 = 𝝆 𝟏+𝒘 (Eq. 4.15) 4.3.1.4 – Índice de vazios (e) O índice de vazios (e) representa o volume dos poros do solo, que influencia diretamente nos valores de permeabilidade do solo. Pode ser expresso pela equação 4.16 ou pela equação 4.17: 𝒆 = 𝝆𝒔(𝟏+𝒘)− 𝝆 𝝆 (Eq. 4.16) 𝒆 = 𝝆𝒔 𝝆𝒅 − 𝟏 (Eq. 4.17) 4.3.1.5 – Porosidade (n) A porosidade (n) é outro índice representado em porcentagem e que pode ser expresso pela equação 4.18: 𝒏 = 𝝆𝒔(𝟏+𝒘)− 𝝆 𝝆𝒔(𝟏+𝒘) (Eq. 4.18) 42 4.3.1.6 – Grau de Saturação (Sr) O grau de saturação também é uma unidade expressa em porcentagem e pode ser definida pela equação 4.19. 𝑺𝒓 = 𝝆𝒔.𝒘 𝒆 𝝆𝒘 (Eq. 4.19) 4.3.1.7 – Massa específica da água (ρw) A massa específica da água ρw varia com a temperatura e tal variação pode refletir em pequenas mudanças nas variáveis dos cálculos de determinação dos índices físicos. A tabela 4.2 apresenta os valores da massa especifica da água entre as temperaturas de 16 a 23 o C: Tabela 4.2: Valores da Massa especifica da água ρw em diferentes temperaturas. Temperatura em o C Valor da Massa Específica g/cm 3 19 0,99841 19,5 0,99831 20 0,99820 20,5 0,99810 21 0,99799 21,5 0,99788 22 0,99777 22,5 0,99766 23 0,99754 Fonte: NOGUEIRA, 2005 4.3.1.8 – Massa Específica dos Sólidos (ρs) A massa especifica dos sólidos de um solo é um índice que depende basicamente da composição mineralógica e da porcentagem de ocorrência de cada um deles. No processo de determinação da massa especifica dos sólidos para solos argilosos, é necessário separar uma porção de 50g do solo, após a secagem da estufa, em um picnômetro: logo após, é necessário adicionar água destilada com volume conhecido até a formação de uma pasta homogênea. Em seguida é preciso remover todo o ar do conjunto sólidos + água, o que pode ser feito através 43 de uma bomba de vácuo ou através da fervura branda do picnômetro. Com isso é possível determinar a massa do conjunto picnômetro + sólidos + água. Para o cálculo da massa especifica dos sólidos ρs é empregada a equação 4.20, expressa por: 𝝆𝒔 = 𝑴𝒔 𝑴𝒔− 𝑴𝟏+ 𝑴𝟐 . 𝝆𝒘 (Eq. 4.20) Onde: Ms – Massa de sólidos determinada no final do ensaio; M1 – Massa do conjunto água + picnômetro + sólidos para a temperatura de ensaio; M2 – Massa do conjunto água + picnômetro obtida por curva de calibração do conjunto; ρw – Massa específica da água. 4.3.2 – Análise granulométrica O ensaio de granulometria é importante para determinar a curva granulométrica do solo estudado e a proporção granulométrica entre o material do solo. Com o resultado do ensaio granulométrico é possível definir a classificação textural do solo, além da determinação dos coeficientes de curvatura e de uniformidade da porção grossa dos solos. O ensaio é realizado em duas etapas: peneiramento da porção grossa do solo e a etapa de sedimentação dos finos. Na primeira etapa é necessário separar uma porção de solo com massa conhecida para o peneiramento. O conjunto de peneira a ser utilizado no ensaio deve ser determinado de acordo com os tamanhos máximo e mínimo dos grãos, estimados visualmente. As peneiras devem ser sobrepostas de maneira que as malhas das peneiras estejam ordenadas de forma decrescente e, após a última peneira, de menor abertura, deve estar locado o prato para coleta de material mais fino. Acima da primeira peneira, de maior abertura, deve estar posicionado a tampa para evitar perda de material. O conjunto de peneiras com a amostra de solo deve ser levado à mesa vibratória por pelo menos 10 minutos. A soma das massas das partículas retidas em cada peneira, mais o material fino retido no prato deve ser aproximadamente igual a massa inicial da amostra, e a partir da massa retida individualmente em cada peneira, é possível determinar a granulometria do material (NOGUEIRA, 2005). 44 O ensaio de sedimentação de partículas finas está diretamente relacionado à velocidade de queda da partícula e é regido pela Lei de Stokes. Existem diversos fatores que influenciam os resultados do ensaio. O ensaio é realizado a partir da separação de uma porção do material fino do solo. Em seguida é preciso reservar a amostra por um período de 6 a 24 horas em imersão sobre ação de agente defloculante (o agente defloculante mais comum é o Hexametafosfato de Sódio). O agente defloculante é para evitar que partículas se agreguem e interfere nos valores de velocidade de sedimentação. Após a ação do defloculante, é necessário completar a mistura com agua destilada até 1000ml em uma proveta graduada. Com o auxílio de um dispersor, é necessário agitar a solução antes do início das leituras de densidade. As leituras de densidade são realizadas com o auxílio de um densímetro. O densímetro é calibrado a uma temperatura de 20 o C e nem sempre a temperatura de ensaio é a mesma da calibração do densímetro, por isso é preciso fazer a correção da leitura com a temperatura da solução na hora do ensaio (NOGUEIRA, 2005). As partículas finas possuem velocidade relativamente baixa de sedimentação, por isso as leituras de densidade da solução são realizadas em intervalos de 30s, 1 minuto, 2, 4, 8, 15, 30, 1hora, 2h, 4h e 8h. O processo de cálculo de obtenção da porcentagem de partículas finas a partir do ensaio de sedimentação é complexo e foge ao tema principal do trabalho, por tanto para devidos fins, é recomendado a consulta a bibliografia especifica sobre o ensaio - ABNT 07181/1984. A partir dos resultados dos ensaios de granulometria – peneiramento e sedimentação, é possível gerar a curva granulométrica do solo; e a curva fornece dados para a determinação do Coeficiente de Uniformidade (CU) e Coeficiente de Curvatura (CC). O CU é um parâmetro adimensional que mede a inclinação média da curva e identifica se o solo possui uniformidade ou não – solo mal graduado e solo graduado. Pode ser determinado a partir da equação 4.21. Caso o valor de CU seja inferior a 3, o solo será considerado uniforme. Caso o valor de CU seja superior a 3, o solo será considerado não uniforme. 𝑪𝑼 = 𝑫𝟔𝟎 𝑫𝟏𝟎 (Eq. 4.21) Onde: D60 = Diâmetro obtido quando se passa 60% do material; D10 = Diâmetro obtido quando se passa 10% do material. 45 O CC também é um parâmetro adimensional e avalia a classificação da graduação do solo. Ele é determinado pela equação 4.22. Caso os valores calculados de CC estejam entre 1