Tratamento de fundações da barragem do escalão principal do Baixo Sabor

TRATAMENTO DE FUNDAÇÕES DA BARRAGEM DO ESCALÃO PRINCIPAL DO BAIXO SABOR ANTÓNIO CRISTIANO MACHADO BRANDÃO Dissertação submetida para satisfação parcial dos requisitos do grau de MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL — ESPECIALIZAÇÃO EM GEOTECNIA Professor Celso Manuel Relva Martins de Lima Junho 2014 JANEIRO DE 2013 MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL 2013/2014 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL Tel. +351-22-508 1901 Fax +351-22-508 1446  [email protected] Editado por FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO Rua Dr. Roberto Frias 4200-465 PORTO Portugal Tel. +351-22-508 1400 Fax +351-22-508 1440  [email protected]  http://www.fe.up.pt Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição que seja mencionado o Autor e feita referência a Mestrado Integrado em Engenharia Civil - 2012/2013 - Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal, 2013. As opiniões e informações incluídas neste documento representam unicamente o ponto de vista do respetivo Autor, não podendo o Editor aceitar qualquer responsabilidade legal ou outra em relação a erros ou omissões que possam existir. Este documento foi produzido a partir de versão eletrónica fornecida pelo respetivo Autor. i AGRADECIMENTOS Esta dissertação é o desfecho de um percurso académico que durou vários anos, que consumiu muitas horas de trabalho, teve momentos bons e momentos maus, e que não estaria concluído sem o apoio de várias pessoas a quem eu dou os meus agradecimentos: Ao meu orientador, Professor Celso Lima, pela orientação, os conhecimentos transmitidos, a paciência necessária para me auxiliar a completar esta dissertação e pelo incentivo transmitido durante todo este tempo. Ao professor Viana da Fonseca, que me lecionou Fundações, pela amizade e por me facultar informação importante para esta dissertação. Ao professor Topa Gomes, que me lecionou Obras Subterrâneas, pelo apoio e amizade e por me autorizar a consulta de livros pessoais. À EDP, por me ter transmitido a informação necessária e possível, que estava sempre tratada e apresentada de uma forma clara. Aos meus pais, que sempre me apoiaram, pelos sacrifícios que fizeram por mim, e pela paciência que tiveram para que eu pudesse concluir esta jornada da minha vida. À minha irmã, que sempre me apoiou e sempre esteve disponível para me auxiliar. À minha namorada, pelos sacrifícios que fez e pela paciência que teve em me motivar nos momentos menos bons. Aos meus avós, António Brandão e António Machado, que perdi durante o meu curso que estarão sempre presentes no meu coração, e a minha avó Marinha Machado que sempre me apoiou para que eu concluísse os meus estudos. À minha restante família pelo apoio constante que me deram. Aos meus colegas Pedro, Gonçalo, Patrícia, Rita e os restantes colegas de Geotecnia pelo companheirismo, amizade e companhia na “GeoSala” durante este ultimo ano. Aos meus amigos de longa data Miguel, Diogo, Ricardo, Pedro e Luís pelo apoio incondicional e por todos os momentos partilhados ao longo destes anos. A todos o meu mais profundo e sincero obrigado. ii iii RESUMO As fundações das barragens constituem uma unidade com a estrutura que suportam, devendo ser efetuado o estudo do conjunto barragem-fundação, já que a experiência tem mostrado que a segurança do conjunto é consideravelmente condicionada pela fundação. Devem então ser escolhidos os elementos definidores das características geométricas e físicas (mecânicas, hidráulicas, térmicas, etc.) do maciço de fundação e programadas as operações necessárias para melhorar o comportamento. Nesta dissertação abordam-se as diferentes etapas do processo de tratamento das fundações de uma barragem, desde a caracterização do maciço rochoso e a conceção do tratamento até à execução dos trabalhos. Também se explicam e avaliam algumas metodologias de dimensionamento dos trabalhos de tratamento por injeções de calda de cimento. Por fim, recorrendo aos conhecimentos previamente introduzidos, apresenta-se o caso de estudo do tratamento de fundações da barragem do escalão principal do aproveitamento hidroelétrico do Baixo Sabor. PALAVRAS-CHAVE: barragens, tratamento de fundação, cortina de impermeabilização, consolidação de um maciço rochoso, injeções de cimento iv v ABSTRACT The foundations of dams constitute a unit with the supporting structure, the study of the whole dam-foundation should be made, since experience has shown that the safety of the whole is considerably constrained by the foundation. The defining elements of the geometrical and physical characteristics (mechanical, hydraulic, thermal, etc.) of the rock foundation, should then be chosen and programmed with the necessary operations to improve it’s behavior. In this dissertation are addressed the different stages of the treatment process of the foundations of a dam, from the characterization of the rock mass and design of treatment until the execution of the work. It’s also explained and evaluated some methods for the design of the grouting treatments. Finally, using the knowledge previously introduced, we present the study case of the treatment of the foundations of the hydroelectric dam top flight of the Baixo Sabor. KEY WORDS: dams, fundation treatment, grout curtains, rock mass consolidation, cement grout xii Figura 18 – Fluxograma para definição da necessidade de execução de cortina de impermeabilização (adaptado de Houlsby, 1990) ....................................................................... 41 Figura 19 – Esquema para definição dos traços iniciais das caldas (modificado de Houlsby, 1990) ..................................................................................................................................................... 44 Figura 20 – Pressões de injeção admissíveis para diferentes tipos de rochas (adaptado de Houlsby, 1990) ........................................................................................................................................... 45 Figura 21 – Evolução típica do consumo de calda com os 15 minutos adicionais depois de atingida a nega (adaptado de Houlsby, 1990) ........................................................................................... 47 Figura 22 – Exemplo do desenvolvimento da pressão durante a injeção em relação com o volume de calda absorvido (Lombardi, 1996) ......................................................................................... 50 Figura 23 – Exemplo de múltiplas interrupções num processo de injeção (Lombardi, 1996) .... 51 Figura 24 – Conjunto de curvas GIN padrão (adaptado de Lombardi, 1996) ............................. 52 Figura 25 – Bacia Hidrográfica do rio Sabor (Cedido pela EDP) ............................................... 57 Figura 26 – Planta geral do escalão de montante ........................................................................ 58 Figura 27 – Extrato da folha 11-C da carta geológica de Portugal (Serviços Geológicos de Portugal (1989) – Carta Geologica de Portugal; Folha 11-C (Torre de Moncorvo). (Ferreira da Silva, Almeida Ribeiro e Ribeiro, 1989) (Cedido pela EDP) (adaptado por Gonçalves, 2011) ............ 60 Figura 28 – Planta estrutural da caracterização geológico-geotécnica realizado no maciço rochoso de fundação após escavações ...................................................................................................... 61 Figura 29 – Cartografia geológico-geotécnica – localização das falhas A,B,C .......................... 62 Figura 30 – Esquema em planta da furação para tratamento das falhas A,B e C ........................ 64 Figura 31 – Representação da furação de consolidação em corte e em planta de corte longitudinal respetivamente ............................................................................................................................. 65 Figura 32 – Pormenor tipo de um perfil fictício do fundo do vale de furação de consolidação . 66 Figura 33 – Pormenor das injeções nas galerias de visita para a ligação betão-rocha ................ 67 Figura 34 – Pormenor tipo de um perfil fictício de furação de impermeabilização .................... 73 Figura 35 – Representação da furação de impermeabilização em alçado e em planta respetivamente ............................................................................................................................. 75 Figura 36 – Absorção de cimento em cada perfil de injeção de consolidação em Kg por metro de furo, representado num corte visto de jusante para montante da barragem ................................ 76 Figura 37 – Esquema resumo do tratamento de consolidação num dos perfis da Junta 13 ......... 77 Figura 38 – Esquema resumo do tratamento de consolidação num dos perfis da Junta 24 ......... 78 Figura 39 – Esquema resumo do tratamento de consolidação num dos perfis da Junta 18 ......... 79 xiii Figura 40 – Injeções da cortina de impermeabilização da margem esquerda (vista de montante para jusante) ................................................................................................................................ 80 Figura 41 – Injeções da cortina de impermeabilização da margem direita (vista de montante para jusante) ........................................................................................................................................ 81 Figura 42 – Injeções da cortina de impermeabilização no fundo do vale (vista de montante para jusante) ........................................................................................................................................ 82 Figura 43 – Esquema resultante dos ensaios de cross-hole sísmico antes do tratamento (vista de jusante para montante) ................................................................................................................ 83 Figura 44 – Esquema resultante dos ensaios de cross-hole sísmico depois do tratamento de consolidação (vista de jusante para montante) ............................................................................ 84 xiv xv ÍNDICE DE TABELAS Tabela 1 – Envolventes de tratamentos por consolidação por injeções baseadas no incremento das tensões principais máximas (Elementos de projeto da Barragem do Alqueva, 1999) .................. 6 Tabela 2 – Sistema de classificação proposto por Deere para furos primários (1976) ............... 20 Tabela 3 – Critério de absorção de calda para furos secundários sugerido por Deere (1982) .... 21 Tabela 4 – Relação entre absorção hidráulica e as características das descontinuidades (Houlsby, 1976) ........................................................................................................................................... 26 Tabela 5 – Interpretação dos resultados dos ensaios de Lugeon (proposto por Houlsby, 1976) . 27 Tabela 6 – Procedimento de interpretação do ensaio de Lugeon (proposto por Quiñones-Rozo, 2010) ........................................................................................................................................... 30 Tabela 7 – Tipos de caldas de cimento a ensaiar ........................................................................ 71 Tabela 8 – Quantidade total de furação e massa de cimento injetada para a impermeabilização 79 xvi 1 1 INTRODUÇÃO 1.1. GENERALIDADES O tratamento de fundações é um processo integrado na construção de qualquer barragem, em especial no caso de grandes barragens. O processo de escolha da localização geográfica de uma grande barragem começa pela definição da sua função, isto é, uma barragem cria uma albufeira e o fim desta pode ser para armazenamento de água às populações e agricultura ou então para fins de produção de energia. Estando a função da barragem definida, segue-se uma prospeção que tem como objetivo, encontrar uma secção num trecho do rio, que pode ter um comprimento de alguns quilómetros, na qual se pode construir a obra de retenção que se pretende. Nesta secção é feita caracterização geotécnica baseada em prospeções e ensaios que possibilitam o estudo de diferentes soluções. Com o objetivo de construir a melhor solução, que cumpra os objetivos propostos, equaciona-se do ponto de vista técnico, económico e ambiental, a viabilidade dos diferentes tipos de barragens de betão ou de aterro. Para a execução de barragens de betão, no caso das barragens de abóbada simples ou múltiplas com a curvatura simples ou dupla, a sua implantação requer um vale encaixado e de preferência simétrico. Simultaneamente o maciço de fundação tem que ser extremamente competente para suportar as elevadas ações que lhe são impostas. Os requisitos materiais, durante a construção, são a proximidade de manchas de empréstimo, que estejam situadas preferencialmente submersas, com a qualidade adequada para a produção do betão. Já no caso das barragens de gravidade e as suas variantes, aligeiradas ou contrafortes, para ser possível a sua construção, a fundação tem de ter muito boas características para suportar o seu peso, ainda que as ações não sejam da magnitude das transmitidas por barragens de arco. Quanto aos requisitos materiais na sua construção, tal como no primeiro exemplo, são necessárias manchas de empréstimo com uma qualidade adequada para o fabrico de betão que estejam situadas, de preferência, na albufeira, mas neste caso, é preciso um volume bastante superior de betão para permitir a sua construção. No caso das barragens de aterro, estas podem ser construídas com maciços em enrocamento ou em terra, juntamente com um órgão impermeável como um núcleo ou um paramento 2 impermeável. Existem várias combinações possíveis da solução final ao serem utilizadas diferentes camadas de material com diferentes permeabilidades. De uma forma geral, este tipo de soluções permite a construção em maciços de fundação de qualidade menor, onde as barragens de betão não são possíveis. Esta diferença de exigência resulta do facto de que, ao contrário as construções em betão, os aterros são mais dúcteis e por isso têm uma maior capacidade de adaptação às deformações do maciço de fundação. Os requisitos materiais, no caso das barragens de enrocamento, são os materiais grosseiros que constituem o seu corpo e ainda materiais que permitam a construção de um órgão de estanqueidade. Este pode ser um núcleo impermeável ou então uma cortina que pode ser de betão de cimento ou de betão betuminoso. Para as barragens em terra, existe uma exigência grande em relação aos locais de empréstimo pois necessitam de cumprir a viabilidade económica e a disponibilidade, tanto em quantidade como em qualidade, de material que cumpra os requisitos da construção das camadas drenantes, dos filtros que protegem as camadas do arrastamento, dos maciços estabilizadores, dos enrocamentos de proteção exterior e do órgão de estanqueidade. Como regra geral, neste tipo de barragens é um núcleo impermeável, ainda que seja possível a utilização de uma cortina. O tratamento das fundações é então concebido em função do tipo e da dimensão da barragem bem como das características do maciço de fundação. Este é constituído por uma campanha de prospeção geológica, uma fase de consolidação do maciço rochoso e por fim a execução da cortina de impermeabilização seguida de drenos e piezómetros. Esta prospeção, que se faz no âmbito dos tratamentos de fundação, tem como objetivo a completa caracterização das propriedades do maciço e das suas descontinuidades. Esta consegue-se através da observação da rocha e pela abertura de furos, com recolha de amostra, onde se realizam depois ensaios de absorção e ensaios sísmicos. Depois de se adquirir um conhecimento adequado das propriedades do maciço de fundação, inicia-se o processo da sua consolidação. Esta fase do tratamento tem como objetivo principal a melhoria da capacidade mecânica e da rigidez da fundação e, por isso, geralmente a consolidação está associada às barragens de betão, por serem estruturas mais suscetíveis aos assentamentos. Isto é conseguido pela substituição do material de fraca qualidade por cimento através de injeções de calda sob pressão. Os trabalhos de consolidação separam-se na consolidação localizada, que é um tratamento aplicado em zonas particulares de um maciço como as falhas, na consolidação generalizada, que é realizada ao longo de toda a fundação mesmo onde já foi feito o tratamento localizado, e ainda os trabalhos de ligação betão rocha que têm o objetivo de tornar a transição entre o betão e a rocha impermeável e com capacidade de resistir às ações a que vai estar sujeita. Depois de a consolidação estar concluída pode-se avançar para a execução da cortina de impermeabilização. Esta materializa-se através de injeções, a acompanhar o desenvolvimento da barragem segundo uma ou mais fiadas de furação, que preenchem os vazios do maciço por 3 cimento e constituem um órgão vital em qualquer barragem, ao criarem um órgão de retenção que se desenvolve em profundidade. Dependendo do seu tipo a execução da cortina varia e tem diferentes aspetos a considerar. Em barragens de aterro a cortina necessariamente tem de ser construída como continuação do órgão impermeabilização, ou seja, é construída sob o núcleo ou sob o paramento impermeável. No caso das barragens com núcleo isto tem a consequência de ter que ser executada antes da construção da barragem em si devido à sua sobreposição, já nas que têm paramento impermeável de montante, a cortina de impermeabilização tem uma maior flexibilidade de construção por se situar num extremo da construção. As barragens de betão são concebidas para uma execução dos tratamentos mais facilitada, ao serem construídas galerias que permitem o acesso à fundação. Estas também permitem que qualquer tratamento de fundação possa ser feito durante ou depois da construção da barragem, criando uma maior flexibilidade na programação dos trabalhos, minimizando as interferências com outros tipos de trabalhos. Nestes casos de corpos de retenção, a cortina geralmente é construída na proximidade do pé de montante. O projeto final do tratamento por injeções é algo que nunca pode ser considerado como fechado à partida, sendo objeto de melhorias concomitantemente com os resultados e informações que vão sendo colhidos à medida da execução dos trabalhos. Então é gradualmente desenvolvido pela informação combinada das amostras recolhidas da furação, dos ensaios de Lugeon e dos ensaios sísmicos que são realizados depois dos furos estarem abertos bem como os próprios valores da absorção de calda de cimento a evolução da drenagem e da piezometria. 1.2. ENQUADRAMENTO DA DISSERTAÇÃO Esta dissertação, inserida no Mestrado Integrado em Engenharia Civil em Geotecnia, da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, tem como objetivo a analise das principais condicionantes subjacentes à definição do tratamento de fundação, e resultado destas, relativas à barragem do escalão principal do aproveitamento hidroelétrico do Baixo Sabor. Por isso os assuntos discutidos neste documento vão incidir principalmente nos tratamentos de fundações de barragens de betão. Ainda que alguns assuntos aqui abordados, com as devidas adaptações, possam ser aplicados em barragens de aterro. 4 5 2 TRATAMENTO DE FUNDAÇÕES 2.1. INTRODUÇÃO Em praticamente todos os maciços rochosos verifica-se a existência de singularidades geológicas com uma influência importante na sua capacidade mecânica, deformabilidade e permeabilidade, no entanto estes apresentam uma grande variabilidade de local para local, mesmo dentro do próprio maciço, devido à história geológica de cada maciço. O maciço de fundação de uma barragem, em especial para barragens de grande porte, está sujeito a incrementos do estado de tensão com valores notáveis, é por isso fundamental um bom tratamento de fundações para que seja possível um eficaz funcionamento do aproveitamento hidráulico. 2.2. ELEMENTOS DO TRATAMENTO A consolidação generalizada consiste em injeções com a função de capacitar a fundação de uma maior rigidez que limita os movimentos e reduz o risco de fissuração. Geralmente esta é aplicada em furação feita em leques, espaçados em intervalos regulares, sob a estrutura e são feitos a partir das galerias ou dos encontros com a rocha. 2.2.1. CONSOLIDAÇÃO DO MACIÇO ROCHOSO O objetivo que se pretende atingir com este tipo de tratamento é, essencialmente, o de melhorar as características de deformabilidade e de resistência ao corte do maciço rochoso subjacente à estrutura da barragem, através do preenchimento com caldas de cimento da generalidade das descontinuidades que apresentem alguma abertura, ou daquelas cujo enchimento seja constituído por materiais deformáveis e erodíveis pela percolação da água através da fundação e que se considera poderem ser facilmente removidos através de processos executivos que correntemente são utilizados no tratamento de fundações. De uma forma geral, considera-se que este tipo tratamento deverá ser limitado às zonas do maciço rochoso onde se registarem os maiores incrementos do estado de tensão gerados pela construção e funcionamento das estruturas, as quais correspondem geralmente às zonas mais afetadas pela descompressão devida às escavações para a inserção da barragem. Evidentemente que, nessas 12  O tratamento pode ser feito sem ser necessário recorrer a desvios do rio nem a esvaziamentos da albufeira;  A sequência de construção da barragem é melhorada por tornar o processo de tratamento independente e evita atrasos;  Possibilita a utilização de pressões mais elevadas, promovendo uma maior eficácia do tratamento, permitindo ainda uma maior flexibilidade à malha de furações;  Permite que seja feita furação e injeção de furos em profundidades diferentes, mitigando o risco de desvios e baixando o custo dos tratamentos mais profundos;  A execução da cortina de impermeabilização é facilitada permitindo tanto uma maior acessibilidade à área a tratar como também uma maior possibilidade de sobreposição de injeções;  Permite o acesso permanente ao maciço para diversos fins como a observação, realização de ensaios, a execução de drenos ou até a realização de novas injeções durante a duração de utilização da barragem. 13 3 DEFINIÇÃO DA CORTINA DE IMPERMEABILIZAÇÃO 3.1. DIMENSIONAMENTO As medidas de redução da permeabilidade hidráulica do maciço, em especial as cortinas de impermeabilização, têm vindo a ganhar importância com o tempo. Isto prende-se com crescente preocupação na produção de energia limpa e sustentável. Como consequência água é cada vez mais valiosa assim como as questões relacionadas com a sua reserva. Portanto, é cada vez mais relevante que no dimensionamento da cortina de impermeabilização se utilizem as soluções mais eficazes adaptadas em função das características do maciço para que seja alcançado o melhor resultado possível. 3.1.1. PROFUNDIDADE DA CORTINA Segundo a prática europeia a profundidade da cortina de impermeabilização deve ter a mesma dimensão que a altura da barragem, mas pode atingir valores superiores até um máximo de 1,5 vezes a altura caso seja necessário (Ewert, 2003 em Gama, 2012). Este autor refere que, a prática americana é menos exigente e tem como fórmula para calcular a profundidade o de aumentar o caminho de percolação da água para algum valor consistente com o comprimento da fundação da barragem. Esta metodologia tem como objetivo a proteção da barragem dos efeitos da percolação e ignora as questões de perda de água, por esse motivo conduz a soluções em que o caudal de água perdido tenho um valor substancial. Segundo Ewert (2003), devem ser as considerações geológicas e não as condições geométricas o fator preponderante na definição da profundidade que a cortina irá ter, mesmo que leve à construção de uma cortina assimétrica. O desvio dos furos é um parâmetro que limita a profundidade máxima para evitar zonas sem tratamento entre furos da cortina. O desvio depende das condições geológicas, do equipamento de furação utilizado e do cuidado com que os furos foram feitos. Ewert (op. cit.) sugeriu uma 14 profundidade máxima de 50 m para maciços de fraca qualidade, refere também a possibilidade de aumentar este limite até aos 150 m, quando na presença de um maciço com condições muito desfavoráveis à retenção de água. 3.1.2. EXTENSÃO DA CORTINA A cortina de impermeabilização deve ter uma extensão que seja suficiente para que a água não a contorne. Para tal Ewert (2003) sugere que esta seja estendida até à interceção entre a água do reservatório e nível freático natural. Refere ainda que os maciços permeáveis criam uma subida do nível freático, criando percolação para o interior dos encontros, necessitando de uma ampliação da cortina para limitar convenientemente as passagens de água. Esta ampliação pode ser dificultada se os encontros forem muito íngremes, recorrendo-se então a injeções em leque. Esta técnica está mais sujeita a desvios do que o normal, por causa da variação da inclinação de cada furo e, por isso, é espectável um resultado final inferior. 3.1.3. ESPAÇAMENTO E ORIENTAÇÃO DOS FUROS Em projeto, é escolhido um espaçamento para a furação inicial (furação primária), depois caso seja necessário, são feitas furações subsequentes sempre numa posição intermédia dos furos já existentes (furações, secundárias, terciárias, etc.). É então importante que o valor do espaçamento inicial não seja sobrestimado, tornando o espaçamento demasiado grande, pois corre-se o perigoso risco de ficarem por tratar secções do maciço. Estas podem prejudicar, e possivelmente comprometer, o comportamento final da cortina que só pode ser corrigido à custa de trabalhos adicionais. A escolha de um valor demasiado alto deve então ser evitada, pois conduz a erros na estimativa dos custos bem como a zonas de tratamento mais pobre. O projetista então deve acomodar no projeto uma quantidade extra de furação para salvaguardar estas situações. Um valor na ordem dos 50% provavelmente não será excessivo na maioria dos casos, pois uma redução desta ordem no espaçamento inicial resulta na duplicação da quantidade de furos primários a realizar (Weaver e Bruce, 2007 em Gama, 2012). Em relação à orientação, como se pode observar na Figura 1, idealmente é executada perpendicular à superfície do maciço. Pois com esta orientação o trabalho é muito mais eficiente devido ao menor comprimento de furação a realizar e à maior facilidade na execução. 15 Figura 1 – Definição da orientação dos furos de uma cortina de impermeabilização (adaptado de Houlsby, 1990) No entanto as orientações das descontinuidades podem desaconselhar esta orientação. Isto prende-se com o princípio de que cada furo de injeção deve intersetar o máximo de descontinuidades possível. Para além disso se a furação for paralela a uma das famílias de diáclases, estas muito dificilmente ficaram tratadas convenientemente. Na Figura 2 que se segue fica exemplificado, para um maciço de condições semelhantes, uma má escolha da orientação e o oposto respetivamente. Outro aspeto a ter em conta na escolha das orientações é a existência de uma família de descontinuidades com uma característica particularmente prejudicial, como por exemplo por criar um maior potencial para a passagem de água. Nestes casos, a orientação deve ser escolhida para que seja potenciado o tratamento dessa família. Como exemplo, a Figura 2 demonstra um caso de furação, no qual as diáclases verticais são mais abertas e por isso mais importantes do que as horizontais, então a orientação dos furos é escolhida de maneira a que a ligação com as aberturas verticais seja favorecida. Figura 2 – Exemplificação de uma orientação errada (à esquerda) e uma correta (à direita) da furação em relação a uma família de descontinuidades (adaptado de Houlsby, 1990) 16 Figura 3 – Relação entre a inclinação dos furos e a abertura das fendas (adaptado de Houlsby, 1990) O Comité Suíço de Grandes Barragens (1985, in Weaver e Bruce, 2007) indicou que os furos deveriam intersetar os principais planos de descontinuidades com ângulos superiores a 30º de modo a que se intersete o maior número de fraturas possível. Figura 4 – Inclinação mais eficaz dos furos de injeção na presença de famílias de descontinuidades subverticais e subperpendiculares entre si (adaptado de Houlsby, 1990) 3.1.4. PRESSÕES DE INJEÇÃO A escolha dos valores de pressão adequados para a injeção num maciço rochoso está diretamente relacionada com a presença de descontinuidades relativamente fechadas. Em 1959, o US Corps of Engineers, conduziu ensaios de penetração injetando calda entre dois blocos de betão combinando variações na pressão utilizada e na abertura entre os blocos. Da análise dos ensaios chegou-se à conclusão de que a pressão tem uma influência considerável na penetração de fendas mais fechadas, enquanto para aberturas maiores não se observou alteração no comportamento. Segundo Weaver (2000), as práticas comuns utilizadas pelos especialistas europeus e americanos têm gerado acesa discussão de parte a parte. Na Figura 5 está representada a relação da pressão com a profundidade que cada lado toma. 17 Figura 5 – Representação gráfica de (1) “prática europeia” e (2) “prática americana” (adaptado de Gama, 2012) Do ponto de vista dos especialistas americanos a prática europeia utiliza pressões demasiado altas em profundidades pequenas, que são prejudiciais para maciços com risco de fracturação. Apesar disso esta prática tem sido aplicada, em rochas de qualidade razoável, com resultados positivos. Na prática americana é clara a preocupação em manter a pressão em níveis moderados para não causar fenómenos de levantamento devido às injeções, mas como consequência, as injeções não têm penetração suficiente, mantendo ainda assim pressões suficientemente altas para danificar rochas com fraca capacidade mecânica. Tanto a prática europeia como a americana não devem ser vistas como regra e aplicadas cegamente, mas sim utilizadas como guia num processo de escolha ponderado para cada caso em função de diversos fatores existentes no local. 3.2. PREVISÃO DO CONSUMO DE CALDA A motivação principal para uma previsão do consumo de calda no tratamento das fundações próxima da realidade é a necessidade que a orçamentação da empreitada seja o mais rigorosa possível. Esta previsão não é mais do que o volume de calda ou peso seco de cimento que irá ser absorvido pela fundação durante as injeções. Este é um problema complexo de ultrapassar com precisão porque a penetração da calda depende da abertura das fraturas, da rugosidade, da persistência e interação com outras fraturas bem como da viscosidade da calda, da pressão com que é injetada e da duração da injeção. Existe uma tendência natural de associar o ensaio de Lugeon à estimativa do consumo de calda, isto é resultado da proximidade aparente entre os conceitos gerais do ensaio e das injeções de calda. No entanto o ensaio de Lugeon, quanto a questões de consumo de calda, não deve ser mais do que um guião que apenas revela a tendência de comportamento de um maciço quando injetado. 18 Bozovic (1985), no seu relatório geral do Congresso ICOLD, concluiu que a correlação entre consumo de calda e o valor de Lugeon de um maciço é muito fraca. Bozovic (1985) sugere que tendo em consideração diferentes propriedades reológicas da calda e da água, a correlação é fisicamente impossível. Figura 6 – Correlação entre absorção de água e calda (adaptado de Jawantzky in Ewert, 1985) Autores como Ewert (1985) e Sims e Rainey (1985) concordam, que numa comparação direta entre o consumo de calda e os valores de Lugeon, há uma correlação muito fraca. No entanto, estes são da opinião que, à semelhança da abertura das descontinuidades, que é estimada pelo seu espaçamento, e da penetração da calda, que é estimada a partir do tamanho das partículas, pressão da calda, da viscosidade e do tempo, deveria ser possível obter uma melhor previsão da absorção de calda da mesma forma. Conclui-se que a melhor abordagem é a de recolher informação de barragens com características geológicas semelhantes e fazer estimativas iniciais de absorção por metro de furo baseado nessa informação. Para um nível razoável de precisão, é necessária a execução do mesmo processo numa área representativa da fundação da barragem, com monitorização cuidadosa de todas as fases e dos equipamentos para que os resultados não sejam enganadores. 3.3. CRITÉRIO DE FECHO DE INJEÇÃO Para a execução das injeções para a cortina de impermeabilização deve haver um processo estabelecido de trabalho, para tal utilizam-se diversos critérios para definir a sua interrupção. 19 3.3.1. CONCEITO DE NEGA A “nega” dá-se quando se atinge um caudal reduzido num período de tempo. No entanto a definição do caudal e das condições com que este se atinge ainda não são consensuais. Peritos no tratamento de fundação por injeções de calda chegaram a um valor de nega, resultado da sua experiencia de execução, que esta se dá quando o volume de calda absorvido é inferior a 28 litros durante um intervalo de tempo de 5 a 15 minutos (intervalo definido pela intensidade pretendida), no entanto outros dizem que só se deve interromper depois de alguns minutos sem absorção com pressão constante (Warner, 2004 em Gama, 2012). Segundo Houlsby (1990), a pressão deve ser mantida durante 15 minutos depois da nega ter sido atingida, independentemente do critério escolhido. Desta forma a calda é estabilizada tempo suficiente para haver um enrijecimento tixotrópico e garantir um mínimo de capacidade resistente à lavagem causada pela circulação de água. Weaver (1991) refere que o California Department of Water Resources usa um critério próximo do escrito por Houlsby (1990), e cita Bussey (1973): “É muito importante continuar o bombeamento da calda enquanto se regista alguma absorção em qualquer intervalo de 10 min.” Há que referir que estes critérios foram pensados para a utilização de caldas instáveis, ou seja caldas com reologia variável e muito suscetíveis a fenómenos de filtração, segregação e sedimentação, e que por isso estão sujeitos a fenómenos de exsudação consideráveis. Houlsby (1990) refere que com a utilização deste tipo de calda é necessário fazer uma purga, pois a secção superior do trecho fica bastante empobrecida pelo assentamento das partículas, seguindo-se de uma nova injeção de calda contrariando, de certo modo, os efeitos negativos da instabilidade. Warner (2004, em Gama, 2012) considera as caldas instáveis antiquadas e o seu uso futuro inapropriado, sugerindo que, para caldas estáveis, a nega deve ser qualquer ponto das injeções onde não existam valores de absorção de calda mensuráveis durante um curto espaço de tempo (1 a 5 min). 3.3.2. CRITÉRIO DE CONDUTIVIDADE HIDRÁULICA Neste critério utiliza-se uma permeabilidade máxima estabelecida em projeto como objetivo a atingir pela execução da cortina de impermeabilização. O seu valor é definido em função da importância da operação. É comum definir-se o valor máximo da permeabilidade como 1 Lugeon mas em obras de menor importância, com tensões menores, a utilização de valores superiores é aceitável. Segundo Nonveiller (1968) é extremamente difícil baixar a permeabilidade de um maciço fraturado de 10−5 cm/s para 10−6 cm/s através do uso de caldas de cimento convencionais. Para atingir valores finais inferiores a 1 Lu será necessário recorrer à utilização de cimentos especiais mais finos, a aditivos que permitam maiores penetrações, a maiores pressões, a equipamentos com mais rendimento ou até a outro tipo de calda. No entanto esta magnitude de exigência é incomum e normalmente se é exigida em obras especiais. 20 A aplicação de critérios baseados na condutividade hidráulica depende da realização de ensaios de permeabilidade em todos os trechos de cada furo no decorrer da execução da cortina para que se possa saber quando é atingido o valor pretendido. Houlsby (1976) diz que se deve observar uma redução significativa da permeabilidade quando se faz uma furação espaçada de 1,5 m, caso contrário deve ser feito um estudo especial para se perceber qual o motivo da ocorrência. Segundo aquele autor: “Condições geológicas pouco usuais, ou a utilização de uma técnica pouco apropriada são causas possíveis do problema. As ações de remediação a considerar podem incluir a execução de mais furos, no entanto quando o espaçamento entre eles atingir 0,75 m ou menos, o critério de fecho deixa de ser tão importante, passando a ser necessária a procura de fraquezas individuais na fundação, envolvendo a utilização de furos com orientações muito diferentes dos anteriores.” 3.3.3. CRITÉRIO DA ABSORÇÃO DE CALDA Os critérios para concluir a injeção de caldas baseados na absorção de calda são a prática mais económica e, por isso, mais fáceis de aplicar do que os baseados na condutividade hidráulica. A sua economia resulta da não exigência de realização de ensaios de permeabilidade em todos os furos. Deere (1976 in Warner, 2004) criou uma Tabela 2 de classificação simples de fácil aplicação, mais tarde Deere (1982) reviu este sistema e criou também uma Tabela 3 para furos secundários. Tabela 2 – Sistema de classificação proposto por Deere para furos primários (1976) Classificação Absorção de calda (kg/m) Símbolo Muito Baixa 0 – 12,5 VL Baixa 12,5 - 25 L Moderadamente Baixa 25 - 50 ML Moderada 50 – 100 M Moderadamente Alta 100 – 200 MH Alta 200 – 400 H Muito Alta > 400 VH 21 Tabela 3 – Critério de absorção de calda para furos secundários sugerido por Deere (1982) Profundidade (m) Absorção de calda (kg/m) Classificação 0 – 10 25 L 10 – 20 34 ML 20 – 30 50 ML > 30 100 M Houlsby (1982, em Gama, 2012) propôs os seguintes valores como sendo típicos para critérios de fecho do tratamento em termos de quantidade de cimento injetado num determinado furo:  35 kg/m no primeiro trecho;  46 kg/m no segundo trecho;  70 kg/m em todos os trechos posteriores. Através deste critério proposto por Houlsby, é executado um tratamento onde se atingem permeabilidades moderadamente baixas à superfície diminuindo a exigência em profundidade atingindo-se permeabilidades moderadas. No entanto, Houlsby (op. cit.), diz que em casos de cortinas onde foi possível testar a evolução da permeabilidade utilizando este critério, a solução final ainda apresentava absorções da ordem de grandeza de 10 U.L.. Por isso, não é aconselhada a utilização exclusiva deste critério devido aos maus resultados observados. A utilização de critérios baseados na absorção não deve ser feita cegamente, pois desse modo qualquer redução das absorções, devido a arrastamentos de finos por exemplo, é interpretada como uma melhoria do maciço. Portanto para uma correta avaliação da qualidade do tratamento através destes critérios, a análise deve ser complementada com outros parâmetros que permitam despistar duvidosas interpretações de resultados. 3.3.4. CRITÉRIO GEOLÓGICO A conceção de uma cortina de impermeabilização deve ser realizada com base no conhecimento da geologia da fundação, sendo importantes, não só os resultados obtidos nas fases de reconhecimento como a caracterização da superfície escavada para a fundar a barragem. A partir desta informação o projetista define os espaçamentos iniciais entre furos, que depois podem ser ajustados com a informação do operador, caso este tenha uma experiência adequada, ficando em aberto a possibilidade de um refinamento do espaçamento das sondagens a realizar se houver necessidade. Então, num processo iterativo, é feita a avaliação do maciço numa malha de sondagens e ensaios que aperta em zonas de resultados mais fracos. 28 Comportamento Patamares de pressão do ensaio Padrão dos valores de Lugeon Descrição Valor de Lugeon a considerar Laminar Todas as U.L. são semelhantes, independentemente da pressão de injeção. Média das U.L. de todos os patamares do ensaio. Turbulento As U.L. evoluem em razão inversa à pressão. A U.L. correspondente à pressão máxima. Dilatação As U.L. variam em razão direta com as pressões de água. A U.L. correspondente aos patamares baixo ou médio (patamares 1, 2, 4, 5). Lavagem As U.L. aumentam progressivamente durante o ensaio. A U.L. máxima observada (patamar 5). Colmatação As U.L. diminuem progressivamente durante o ensaio. A U.L. final (patamar 5). Esta primeira interpretação dos ensaios de Lugeon, proposta por Houlsby (1976), foi recentemente revista por Quiñones-Rozo (2010). Nesta interpretação dos resultados, são aproveitadas as capacidades dos equipamentos mais atuais de realizarem um registo contínuo dos caudais e da pressão, representando de uma forma mais clara as tendências de absorção do maciço. 29 Quiñones-Rozo (2010) introduz na representação do ensaio um fator de pressão (Ψ) que é obtido pela divisão P/P0. Os resultados do ensaio Lugeon passam a ser representados em perda de caudal vs fator de pressão, estes conjuntos de informação, de uma região com U.L. constante, têm a particularidade de serem representados segundo uma reta cujo declive representa a permeabilidade. Por esse motivo, Quiñones-Rozo (2010), propôs a adição de retas representativas de valores Lugeon, permitindo assim uma maior facilidade e rapidez na leitura dos resultados (Figura 10) Figura 10 – Interpretação dos resultados do ensaio Lugeon proposta por Quiñones-Rozo (2010) 30 Tabela 6 – Procedimento de interpretação do ensaio de Lugeon (proposto por Quiñones-Rozo, 2010) Comportamento Evolução da Absorção vs Evolução da Pressão Descrição Valor de Lugeon representativo Laminar Todas as U.L. são semelhantes, independentemente da pressão de injeção. Média das U.L. de todos os patamares do ensaio. Turbulento As U.L. evoluem em razão inversa à pressão. Se a pressão de água esperada for desconhecida utilizar a U.L. correspondente à pressão de água intermédia (patamares 2 ou 4). Dilatação As U.L. variam em razão direta com as pressões de água. Se a pressão de água esperada for desconhecida utilizar a U.L. correspondente aos patamares baixo ou médio (patamares 1, 2, 4 ou 5). Lavagem As U.L. aumentam progressivamente durante o ensaio. A U.L. máxima observada (patamar 5). Colmatação As U.L. diminuem progressivamente durante o ensaio. A U.L. final (patamar 5). 31 3.4.4. LIMITAÇÕES DO ENSAIO LUGEON Uma das principais limitações do ensaio Lugeon é o reduzido volume de rocha abrangido por cada ensaio. Foi estimado, por Bliss e Rushton (1984 in Quiñones-Rozo, 2010), que cada ensaio de Lugeon realizado em trechos de três metros de comprimento, está restrito a um raio de aproximadamente nove metros centrado no furo do ensaio. Devido às limitações espaciais não se deve obter a condutividade hidráulica através de soluções analíticas fechadas pois estas foram desenvolvidas na premissa que há um grande conhecimento do maciço envolvente. Para além disto as soluções analíticas requerem o conhecimento do nível freático, no entanto é frequentemente observado que a medição do nível freático é influenciada pelos grandes volumes de água injetados durante o processo de furação. Um problema frequente, é a confusão entre a permeabilidade de Lugeon e a capacidade de injetar um dado maciço rochoso. De facto, o ensaio de Lugeon pode ser útil na definição da evolução da permeabilidade hidráulica, e daí avaliar a eficácia dos trabalhos realizados. No entanto, este não define a injetabilidade do maciço em si. Este facto prende-se com diferentes aspetos:  A água é um fluido Newtoniano ao contrário da calda que é Binghamiana;  A água tem uma estrutura molecular, por seu lado a calda é água com partículas de cimento em suspensão;  A água consegue entrar em descontinuidades muito mais finas do que a calda;  Os testes de absorção de água fornecem um caudal, enquanto que nas injeções de calda só se pode registar o volume absorvido;  Os testes de água têm uma duração determinada, mas as injeções têm uma duração que se pode estender além de qualquer limite de tempo;  Os níveis de pressão utilizados nos testes de absorção de água e na injeção de calda são diferentes. 3.5. PROCEDIMENTO DE INJEÇÃO Antes de se dar início às injeções é muito importante que se faça a remoção do material solto resultante da furação e por isso, tal como nas injeções para consolidação, recorre-se a procedimentos de lavagem e de limpeza em todos os furos. Na prática, devido à grande extensão das barragens, desde que se garanta uma distância suficiente para que não exista risco de interconexão entre procedimentos e se cumpra a sequência estabelecida para estes, torna-se possível que sejam realizados simultaneamente. 3.5.1. FASEAMENTO DAS INJEÇÕES Quando se injetam furos com comprimentos que ultrapassam os 10 m é quase sempre preferível a sua divisão em trechos menores, promovendo assim uma maior qualidade no tratamento das 32 descontinuidades, em especial as que são menos abertas. Ao utilizarem-se trechos menores, regra geral, resulta numa maior eficiência de tratamento por diversos motivos:  A ocorrência de decantação das partículas de cimento é controlada, por ser um processo mais rápido de injeção;  Há um maior controlo das pressões, permitindo utilizar pressões mais baixas à superfície e crescentes em profundidade;  E o ajuste do procedimento à variação do tipo de fraturas no maciço é facilitado, por se tratar de comprimentos menores permite uma reação mais rápida e apropriada. O sequenciamento das injeções destes trechos é pensado e escolhido, sempre com o objetivo de se atingir a melhor solução com economia e eficiência. Necessariamente esta é selecionada em função das características do maciço de fundação. De seguida estão descritos diferentes faseamentos dos trabalhos de injeções analisados por Houlsby (1990), onde este destaca as suas vantagens e as desvantagens. 3.5.1.1. DESCENDENTE SEM OBTURADOR Esta é uma técnica que, segundo Houlsby (1990), permite atingir um nível muito elevado de impermeabilização do maciço, pois cada trecho é furado e injetado antes da execução do trecho inferior seguinte. A ausência de um obturador permite que os trabalhos de injeção sejam controlados à superfície. Um grande benefício desta técnica é a de proporcionar autoverificação da qualidade do tratamento. Isto acontece porque os trechos superiores estão submetidos a pressões superiores que são aplicadas quando do tratamento dos trechos inferiores. Então se o tratamento nos trechos mais superficiais tiver fragilidades, a aplicação destas pressões superiores permite identificar a sua localização, pelo ressurgimento calda à superfície através delas, para que então possam ser reinjetadas. Uma das principais vantagens deste método é a de permitir realizar injeções em qualquer tipo de maciço, de tal modo que é a técnica recomendada em maciços de muito baixa qualidade. Apesar as vantagens apresentadas, esta técnica implica um tratamento com custos acrescidos e maior duração pois a constante necessidade de troca de equipamentos de furar e de injetar torna o procedimento moroso e complexo. 33 Figura 11 – Representação esquemática da técnica descendente sem obturador segundo Houlsby (1990) 3.5.1.2. DESCENDENTE COM OBTURADOR Esta técnica tem como única modificação em relação à anterior a adição de um obturador na fronteira superior de cada trecho. O objetivo principal da adição do obturador é a de proteger o solo já tratado do efeito fraturante das pressões que são aplicadas nos trechos seguintes. Esta alteração permite ter pressões superiores ao caso descendente sem obturador, por haver uma separação do solo tratado do não tratado, e daí resultar possivelmente um melhor tratamento. Houlsby (1990), no entanto, refere que a introdução do obturador adiciona um leque de problemas que podem ocorrer. Existe a possibilidade de o obturador bloquear ou dificultar a passagem da própria calda para a injeção, dificulta a remoção da água que segrega da calda ou até pode acontecer cimentação do obturador dentro do furo por causa de eventuais fugas de calda por cima deste. A introdução do obturador é muitas vezes um estorvo para métodos de controlo de movimentos e não permite que esta técnica seja utilizada em maciços com risco de colapso, nem em furos que não sejam circulares. O obturador remove também os aspetos auto reparadores presentes quando este não se utiliza e ainda aumenta o custo final em relação ao anterior. 34 Figura 12 – Representação esquemática da técnica descendente com obturador segundo Houlsby (1990) 3.5.1.3. ASCENDENTE COM OBTURADOR Esta técnica consiste na execução do furo de uma só vez e depois fazem-se as injeções, como o nome indica, no sentido ascendente com um obturador na secção superior do trecho. Esta técnica é a mais económica e mais rápida nas situações em que o maciço de fundação apresenta muito boas características por só ser preciso instalar tanto o equipamento de furação como o de injeção uma vez para cada furo. No entanto a sua utilização em maciços de não tão boa qualidade tem a consequência de sacrificar tanto a sua eficácia como a economia, pois nestes casos existe uma certa dificuldade em garantir que resulte da furação uma secção circular regular para o obturador. Por causa deste faseamento da execução consistir na realização da furação de uma só vez também não se pode aplicar em maciços com risco de colapso. Por fim, ainda tem os possíveis problemas associados ao obturador, referidos no método anterior. É portanto uma técnica que possibilita soluções que aliam a qualidade com a economia se as condições do maciço assim o permitirem. 35 Figura 13 – Representação esquemática da técnica ascendente com obturador segundo Houlsby (1990) 3.5.2. DEFINIÇÃO DO COMPRIMENTO DOS TRECHOS Para que a execução da cortina de impermeabilização seja eficaz e económica, é essencial que a definição do comprimento de cada trecho nos furos varie consoante diversos fatores relacionados com o maciço. Uma escolha de trechos com um comprimento mais curto (<3m) implica uma melhor qualidade do tratamento, enquanto que se forem trechos maiores (>5m) em teoria há uma maior economia. No entanto em maciços que tenham uma certa variação das suas características, especialmente quanto ao espaçamento e à abertura das descontinuidades, quanto maior o comprimento dos trechos utilizados maior é o risco para que a escolha inicialmente mais económica se traduza na mais dispendiosa pois para cumprir a permeabilidade definida em projeto é preciso a realização de furos adicionais. 36 Segundo Warner (2004), regra geral o comprimento dos trechos pode aumentar em profundidade devido à tendência do maciço e das suas descontinuidades melhorar em sua função. Este defende a utilização de trechos de 1,5-3 m de comprimento quando se situam perto da superfície e para profundidades maiores, a utilização de comprimentos superiores na ordem dos 3-6m. Propõe ainda, para trechos que intersetem maciços muito fraturadas ou que sejam zonas muito importantes, a utilização de comprimentos baixos na ordem de 0,6m. Figura 14 – Exemplo de variação de condições ao longo de um furo (adaptado de Warner, 2004) Uma boa escolha de comprimentos passa então pela sua adaptação e adequação às características do maciço. Um fator importante a considerar é o da experiência do operador que, pelo seu conhecimento, permite uma maior capacidade de adaptação e pode contribuir para atingir uma melhor eficiência nos trabalhos. Então como regra geral o comprimento dos trechos adotado nas injeções deve ser mais curto em zonas em que o maciço é de fraca qualidade, em zonas importantes da fundação, em zonas com fraturação particularmente mais persistente ou então quando as características dos maciços são muito variáveis. Nas restantes situações em que o maciço é mais homogéneo e tem uma distribuição mais regular das fraturas é possível utilizar comprimentos menos conservadores. Conclui-se que então que para os trabalhos sejam executados com os comprimentos dos trechos mais adequados, deve haver uma definição inicial bem ponderada e durante as injeções, caso sejam feitas por um operador experiente, deve existir um diálogo entre este e o projetista para que haja a capacidade de adaptação à variabilidade das características do maciço rochoso a tratar. Simultaneamente se a pré-definição dos trechos típicos for razoavelmente conservadora pode salvaguardar custos adicionais da realização de furos adicionais. 3.5.3. DEFINIÇÃO DO ESPAÇAMENTO DOS FUROS A definição dos espaçamentos dos furos depende sobretudo da importância da obra que se está a tratar, isto é, a qualidade que a cortina de impermeabilização terá que ter. 37 No caso de pequenas barragens com pequenos desníveis (<15m), por se tratarem de casos com uma diferença de carga relativamente baixa, pode-se atuar de duas formas distintas. Numa utilizase um método livre de injeções, que consiste na sua realização onde o maciço apresentar resultados de absorção acima do pretendido. Na outra situação é quando as perdas de água não são tão importantes, e por isso a permeabilidade que se quer atingir não é tao baixa, utiliza-se um espaçamento fixo que permite ter uma cortina regular mais fácil de executar. Em nenhum dos casos anteriores se obtém uma cortina de impermeabilização eficaz, e por isso não é adequada nem aceitável a sua aplicação em barragens importantes. O método a utilizar nestes casos é conhecido por split-spacing ou closure grouting, este conceito foi proposto por Nonveiller (1970), e segundo este, o espaçamento inicial entre os furos (furação primária) que constituem a cortina deve ser suficiente para que as áreas de cada furo afetadas pela penetração da calda inicialmente não se sobreponham. Este espaçamento depende da condutividade hidráulica inicial do maciço e, em maciços piores, pode atingir os 12 m enquanto no caso de ter grande qualidade a independência de cada furo é garantida com espaçamentos que podem baixar aos 6m. Depois de o procedimento da furação primária estar concluída este repete-se, sempre numa posição intermédia em relação aos furos anteriores. A repetição é feita tantas vezes quantas forem necessárias denominando-se sequencialmente como secundária, terciária, quaternária, etc. Uma vez atingida a permeabilidade pretendida este processo iterativo é interrompido e a solução final está atingida. Figura 15 – Exemplo do faseamento de uma cortina com o método split-spacing (adaptado de Houlsby, 1990) A profundidade das furações posteriores à primária é definida pelos valores do ensaio à absorção realizado em cada furo. Houlsby (1990) diz que a furação deve ultrapassar o troço mais profundo dos furos adjacentes, em um comprimento de 5m, que tenha registado absorções superiores ao limite estabelecido como máximo. Ou seja as furações são tendencialmente menos profundas a cada repetição realizada. 44 Figura 19 – Esquema para definição dos traços iniciais das caldas (modificado de Houlsby, 1990) Para que se possa fazer uma avaliação é necessário um número significativo de injeções (pelo menos 6) para que os resultados sejam adequados. Este esquema foi desenvolvido principalmente para os casos mais comuns onde a permeabilidade se situa entre 5 e 30 unidades de Lugeon, mas ainda assim pode ser aplicada fora deste intervalo com as devidas ponderações. Para a realização destas verificações não deve ser feito um espessamento da mistura antes dos 30 minutos e a medição da absorção de água deve ser nas mesmas unidades de volume da absorção de calda. O ensaio de absorção da água deve durar 15 minutos sob uma pressão de 1 bar. A utilização de misturas mais espessas do que o normal pode ser necessária para lidar com eventuais fugas para a superfície, o mesmo acontece para misturas menos espessas nas injeções em maciços secos (acima do nível freático), nos quais é espectável uma perda significativa de água por absorção. 4.1.2.2. PRESSÕES DE INJEÇÃO Segundo Houlsby (1990), o objetivo nas injeções é aplicar pressão “as much as possible” para que a penetração seja maximizada. Mas há exceções e uma certa variação neste ponto, algumas fundações podem estar sujeitas a pressões mais elevadas do que outras, ao mesmo tempo há casos que mesmo em pressões baixas existe uma sensibilidade considerável. A Figura 20 mostra os valores de pressão aconselhados para diferentes condições do maciço de fundação e 45 profundidades, admitindo que os trabalhos decorrem sem incidentes pois nesse caso as pressões têm de ser muito inferiores. A recomendação deste autor, para maciços de qualidade fraca a média, é a que nunca seja ultrapassada a pressão máxima de 1 MPa (150 PSI). Apesar de ainda não haver consenso nesta matéria, esta sugestão é baseada na sua experiencia considerável de que não existe necessidade de ultrapassar este valor para se obter um tratamento de qualidade. Apenas em casos especiais como no tratamento de cavidades, onde pressões muito superiores podem ser utilizadas dada a necessidade de causar fracturação do maciço. Figura 20 – Pressões de injeção admissíveis para diferentes tipos de rochas (adaptado de Houlsby, 1990) 46 4.1.2.3. INSPEÇÕES PENETRANTES VS MOBILIZANTES Este assunto gera opiniões diferentes entre especialistas da matéria e pode ser resumido a uma questão. Devem ter as pressões uma magnitude tal que o maciço de fundação sofra movimentos? Por um lado existe quem defende a utilização de pressões moderadas (injeções penetrantes), que não alteram a fundação. Em oposição há os que preferem uma abordagem mais intrusiva utilizando pressões elevadas (injeções mobilizantes), que provocam movimentos da rocha pela abertura das descontinuidades com o objetivo de facilitar a penetração da mistura, é induzida fraturação hidráulica que em alguns casos se estende, para além da fraturação vertical comum, à situação em que ocorre fraturação horizontal com a possibilidade de levantamento. Na Figura 20 estão exemplificadas, a tracejado, as duas ideologias com a legenda de “rule of thumb”, a penetrante é uma reta com uma relação de 1 pé para 1 psi (1 m para 22,6 kPa), enquanto a mobilizante tem uma relação de 1 m para 100 kPa. Como se pode observar o declive das duas retas é muito diferentes e naturalmente produzem resultados distintos. Um exemplo de tratamento num trecho com a profundidade de 10 m, pela primeira regra resultaria uma pressão máxima de 226 kPa, enquanto que na segunda daria um máximo de 1 MPa. Isto é, um critério aplica pressões cerca de 4,5 vezes superior ao outro, apesar desta disparidade de conceitos, ambas são de utilização generalizada. Houlsby (1990), comparando as duas abordagens, refere que utilizando pressões moderadas, podem ser necessário realizarem-se três furos para tratar um conjunto de fraturas, mas nesse maciço com tratamento não resulta obrigatoriamente uma perturbação dos preenchimentos. Nas mesmas condições, utilizando pressões elevadas, é possível realizar o tratamento realizando apenas um furo, mas o preenchimento é remexido; isto pode ser tolerado mas apenas se os vazios forem completamente preenchidos pela mistura, caso contrário o tratamento deixa a fundação em pior estado do que estava inicialmente. Houlsby (1990), crítica as injeções mobilizantes afirmando que estas tornam a situação pior ao tentar melhorá-la. Segundo este autor, a aplicação de pressões elevadas pode ter vantagens por facilitar a execução do tratamento, particularmente nos casos em que as descontinuidades são muito fechadas, mas a tendência desse procedimento é a de haver uma menor quantidade de furação em profundidade. Isto cria incertezas, que só são resolvidas recorrendo a nova furação, daí pode resultar na necessidade de se realizar tanta furação num como no outro, caindo a suposição inicial da vantagem económica. 4.1.2.4. EXECUÇÃO DAS INJEÇÕES Para a escolha do faseamento dos trabalhos de injeção, dos três apresentados anteriormente que foram analisados por Houlsby, o descendente sem obturador foi o que o autor sempre mostrou especial apreço. Este autor baseia a sua escolha no facto de considerar que este tem maior 47 flexibilidade e potencialidade que os demais, ainda que sacrificando de certo modo o lado económico do tratamento. Quanto às injeções em si, como anteriormente foi dito, Houlsby (1990) recomenda que se comecem as injeções com uma pressão relativamente baixa (por exemplo 1 bar), durante alguns minutos. Possibilitando desta forma que decorra o tempo necessário para verificar e atuar adequadamente quando se verifica a existência de um qualquer eventual problema. Durante as injeções deve existir uma verificação regular do volume de calda absorvido pelo maciço (Figura 21) e comparar esses valores com os resultados dos ensaios de Lugeon realizados anteriormente. Esta comparação permite verificar se os volumes absorvidos são comparáveis com os obtidos nos ensaios de absorção de água. Em caso de absorção demasiado alta deve fazer-se um espessamento da mistura e, na situação contraria, de baixa absorção, muito provavelmente a mistura é demasiado espessa. Por fim, quando se atinge a nega, a pressão deve ser mantida durante 15 minutos adicionais. Este intervalo de espera permite que, até certo ponto, a calda estabilize nas fraturas e garanta um certo enrijecimento tixotrópico, bem como um pouco de presa do cimento, permitindo que o maciço tratado tenha já uma capacidade mínima para resistir às ações de arrastamento provocadas pela água no subsolo e pelas injeções vizinhas. Figura 21 – Evolução típica do consumo de calda com os 15 minutos adicionais depois de atingida a nega (adaptado de Houlsby, 1990) 4.2. MÉTODO DE GIN Lombardi concebeu o método de GIN (Grouting Intensity Number) em 1993, é um método prático que foi desenvolvido para aplicar sobretudo em misturas de calda que apresentem um certo nível de coesão, ou seja que tenham um comportamento Binghamiano. Este método teve uma aceitação positiva no mundo profissional e já foi adotado em diversos projetos de barragens para a consolidação e para a cortina de impermeabilização. Segundo o autor, um aspeto crítico na aplicação deste método prende-se com a correta escolha do “Grouting Intensity Number”, ou seja, do valor da intensidade de injeção. No entanto o método 48 de GIN não é apenas um meio para escolher e definir este parâmetro, mas antes um tipo de filosofia para melhorar a capacidade de um maciço e reduzir a sua deformabilidade e permeabilidade. O conceito com que esta metodologia foi desenvolvida tem como alvo não só os melhores resultados imediatamente depois dos processos de injeção, mas durante todo o tempo de vida da obra. Evitando simultaneamente danos no maciço rochoso da maneira mais económica e simples possível. 4.2.1. PRINCÍPIOS FUNDAMENTAIS Segundo Lombardi (1996) num documento publicado no “The International Journal on Hydropower & Dams” estes são os princípios fundamentais para a aplicação do método de GIN:  Determinar com o máximo de precisão possível as características do maciço rochoso, para que o tratamento seja pensado e adaptado para as características presentes no local em vez de se aplicar um tratamento genérico.  Definir claramente à partida os objetivos a alcançar pelo tratamento para evitar sobredimensionamento ou mesmo utilização de técnicas desadequadas com o pretendido;  Utilizar sempre uma calda de boa qualidade, isto é, aplicar materiais que proporcionem a permanência dos benefícios do tratamento a longo prazo;  Adotar uma mistura que tenha um rácio A/C que seja estável, pois só este tipo de rácios tem um comportamento previsível e proporcionam melhor qualidade final;  Utilizar apenas um tipo de calda para todo o processo de injeção, isto simplifica o processo e evita erros no local de trabalho;  Usar um aditivo super-plastificante que reduz a viscosidade e o ponto de presa da calda, para que a mesma distância de penetração seja atingida com menores pressões;  Evitar ensaios de absorção de água durante os trabalhos de injeção, pois são desnecessários para o processo e causam custos e atrasos desnecessários. Em vez disso devem ser realizados apenas antes e depois do tratamento para verificar a eficácia deste;  Realizar sempre a saturação do maciço rochoso que esteja por cima do nível freático, para evitar que a água seja absorvida da calda pela rocha seca. Esta perda de água da calda pode levar a problemas de obturação;  Adaptar os comprimentos dos trechos de injeção às características do maciço, isto é, à frequência e abertura das descontinuidades ou falhas. Na prática isto traduz-se em trechos maiores em profundidade;  Registar continuamente todos os dados das injeções (volume absorvido, pressão, tempo) num computador;  Por fim, escolher uma curva limite de GIN adequada às características dos maciço rochoso e à intensidade de tratamento requerida. 49 4.2.2. ESCOLHA DA MISTURA A escolha entre a utilização de uma calda espessa ou fina tem vindo a gerar controvérsia durante muito tempo, e é espectável que ainda dure bastante mais. No entanto, desde 1985 diversos autores têm vindo a expressar preferência, nas suas publicações, por misturas mais espessas. A prática da utilização de 1% a 2% de bentonite na mistura, com o objetivo de aumentar a estabilidade e reduzir a sedimentação está progressivamente a ser substituída pela injeção de caldas com uma maior percentagem de cimento aliadas a um aditivo super-plastificante. Este tipo de misturas tem ganho apoio porque são estáveis, têm menor coesão, atingem penetrações superiores e ainda adquirem resistências superiores depois de serem colocadas. Estas características, das caldas mais ricas em cimento, resultam em diferentes aspetos que são exibidos tanto durante o processo de injeção como ao longo da vida útil do tratamento da fundação.  Menor quantidade de água segregada da mistura a ser removida;  A estabilidade da calda é superior e o seu comportamento é previsível por ser um fluido Binghamiano;  Existe um menor risco de hidro-fraturação e levantamento de blocos, por perder rapidamente a pressão (resultado da coesão e tixotropia);  Tem menor perda de volume durante a hidratação, e por isso, resulta uma melhor ligação ao longo das paredes das descontinuidades;  Tanto a densidade como a resistência mecânica são superiores por ter uma maior quantidade de cimento, aumentando a resistência à erosão e a fenómenos de canalização;  A porosidade e a permeabilidade são inferiores e as ligações entre partículas mais fortes, resultando então numa maior resistência química e um maior tempo de vida do tratamento. As caldas estáveis, por causa da coesão, requerem uma pressão de injeção mais elevada para atingir o mesmo comprimento de penetração do que as misturas mais finas. No entanto, através da adição de uma pequena quantidade de super-plastificante, tanto a coesão como a viscosidade podem ser consideravelmente reduzidas. No caso de se estar a tratar um maciço em condições secas, por se situar numa cota superior ao nível de água, deve haver um cuidado especial no seu desenvolvimento. Nestes casos, a injeção de caldas relativamente espessas aliadas à perda de água podem levar a entupimentos, pondo em causa a qualidade e efetividade dos trabalhos realizados. É então prudente, a realização de injeções de água durante algum tempo, para que se atinja uma saturação parcial no maciço rochoso imediatamente antes das injeções de calda. No tratamento de rochas com fraturas bastante fechadas, é importante realçar que a penetração da calda depende mais do tamanho das partículas do cimento do que a diluição da mistura. Por isso, o autor recomenda que em vez de se tentar aumentar a penetração pela adição de água, deve-se utilizar cimento mais fino com adição de um super-plastificante, aliado a maiores pressões de injeção. 50 A escolha da calda de cimento, deve ser realizada recorrendo a ensaios de laboratório e a ensaios de injetabilidade. Uma vez encontrada a mistura, com as suas propriedades mecânicas dentro dos limites desejáveis, esta deve ser utilizada em todos os tratamentos de injeção, pois isto simplifica muito o procedimento de injeção. 4.2.3. O PARÂMETRO DE GIN O número da intensidade de injeção, ou GIN, está definido como o produto da pressão final pelo volume final de calda absorvida por metro de cada trecho. 𝐺𝐼𝑁= 𝑃𝑓.𝑉𝑓 (3) onde 𝑃𝑓= pressão final e 𝑉𝑓= volume final de calda absorvida por metro Figura 22 – Exemplo do desenvolvimento da pressão durante a injeção em relação com o volume de calda absorvido (Lombardi, 1996) A Figura 22 mostra uma evolução típica da relação das pressões de injeção (traço continuo) e das pressões de repouso (traço interrompido) com o volume de calda injetado. Geralmente a pressão aumenta durante o processo de injeção, mas isso não ocorre de uma forma regular. A pressão na boca do furo é claramente influenciada pelas perdas de carga hidráulica ao longo do furo e ao longo das fendas por onde a calda penetra. Essas perdas são função do caudal, da viscosidade e da coesão da mistura, que tem características binghamianas. No momento em que o processo é interrompido (ponto F1), caudal nulo, a pressão de repouso é apenas um resultado da coesão da calda e das características do maciço. Então parar o processo corresponde a uma perda de pressão. O conceito de GIN está baseado nesta pressão final de 51 repouso, pois a pressão durante a injeção está muito influenciada pela intensidade da absorção, que por seu lado depende do operador e pela sua forma de conduzir o processo. Regra geral, o processo de injeção pode continuar indefinidamente utilizando pressão crescente, e obviamente com crescente volume absorvido. Conclui-se então que o conceito comum de nega não tem qualquer significado físico real. De facto esta noção apenas indica que o escoamento vai cessar a uma dada pressão, isto é o mesmo que dizer que existirá mais absorção de calda se a pressão aumentar. Desse modo pode-se dizer que o processo de injeção pode ser interrompido a qualquer momento, isso significa que isso pode ser feito em qualquer nível de pressão, independentemente do GIN escolhido. Figura 23 – Exemplo de múltiplas interrupções num processo de injeção (Lombardi, 1996) Como GIN é o produto da absorção pela pressão final, é também uma aproximação muito aceitável do valor da energia aplicada no maciço de fundação, no entanto a energia dissipada durante o processo de injeção em si pode ser desprezada. Então a aplicação de um limite no parâmetro GIN é efetivamente limitar a energia que se vai introduzir no maciço rochoso, limitando então o risco de danificar a rocha. 52 Figura 24 – Conjunto de curvas GIN padrão (adaptado de Lombardi, 1996) No entanto o conceito de GIN tem outro significado. Em repouso, a pressão (p) é uma função da coesão (c) da mistura, da distância (R) atingida pela calda e ainda a abertura equivalente (e) das descontinuidades, então: 𝑝= 𝑅.𝑐 𝑒 (4) 𝑉= 𝑅2.𝑒 (5) 𝐺𝐼𝑁= 𝑝.𝑉≅𝑅3.𝑐 (6) Por isso a intensidade já não depende da abertura das descontinuidades, que por sinal era o parâmetro mais difícil de estabelecer corretamente. Para um dado valor de GIN e para uma calda específica com coesão c, a penetração que esta atinge é aproximadamente a mesma distância a partir do furo independentemente das aberturas das descontinuidades. Este facto é extremamente importante para a definição do tratamento. 53 Naturalmente para se obter a distância real R em função ao parâmetro GIN, é preciso ter em conta um grande número de fatores:  Geometria de todas as famílias de descontinuidades;  A frequência das fraturas, ou RQD;  A natureza da superfície das fraturas dentro e fora do seu plano;  Irregularidades das descontinuidades como a rugosidade por exemplo;  A abertura das fraturas e características do seu possível preenchimento. Na prática estes fatores podem-se resumir num “fator de injetabilidade media” (K), tendo então: 𝐺𝐼𝑁= 𝑝.𝑉=𝑐.𝑅3 𝐾3 (7) Com 𝐾=𝑅.√𝑐 𝐺𝐼𝑁 3 (8) Ou 𝑅=𝐾.√𝐺𝐼𝑁 𝑐 3 (9) A fórmula (9) mostra que numa dada estrutura rochosa, na qual K (fator de injetabilidade) pode ser considerada constante:  O alcance da penetração R aumenta com √𝐺𝐼𝑁 3;  E diminui com √𝑐 3 justificando, por isso, a adição de um super-plastificante na mistura. Finalmente o parâmetro GIN é também uma aproximação bastante razoável à força que a calda exerce nas paredes das descontinuidades. Naturalmente esta força é função da pressão, mas também da superfície em que atua. Esta superfície pode ser considerada, até certa parte, relacionada com o volume de calda que ainda não enrijeceu (Lombardi, 1985). Facilmente se pode concluir que as forças tendentes a separar as paredes não podem exceder um valor diretamente relacionado com o de GIN. A este contexto, é necessário prestar atenção ao facto de que quando se aplica calda com comportamento Binghamiano, a pressão diminui bruscamente na superfície interior do furo por causa da coesão da mistura. Por isso o raciocínio comum, que assume uma pressão constante aplicada numa superfície, com extensão indefinida, para simular as forças de expansão nas fraturas ou de levantamento dos blocos, é completamente irrealista. Esta linha de pensamento, ainda que tentadora pela sua simplicidade, tem claras limitações. Em contraste com a linha de pensamento tradicional, de qualquer tratamento de injeção resultam 60 Figura 27 – Extrato da folha 11-C da carta geológica de Portugal (Serviços Geológicos de Portugal (1989) – Carta Geologica de Portugal; Folha 11-C (Torre de Moncorvo). (Ferreira da Silva, Almeida Ribeiro e Ribeiro, 1989) (Cedido pela EDP) (adaptado por Gonçalves, 2011) 61 Figura 28 – Planta estrutural da caracterização geológico-geotécnica realizado no maciço rochoso de fundação após escavações 62 5.3. DEFINIÇÃO DO TRATAMENTO DE CONSOLIDAÇÃO Os trabalhos de consolidação realizados no escalão principal subdividiram-se na consolidação generalizada, na consolidação localizada de falhas e na ligação betão-rocha. 5.3.1. CONSOLIDAÇÃO ESPECÍFICA NAS FALHAS A, B E C O reconhecimento geológico-geotécnico e caracterização geotécnica realizados após as escavações para a barragem, vieram confirmar a necessidade de um tratamento específico das falhas A, B e C, situadas na fundação do bloco da barragem delimitado pelas juntas J17 e J18 – falhas A e B e sob o bloco definido pelas juntas J19 e J20 – falha C. Figura 29 – Cartografia geológico-geotécnica – localização das falhas A,B,C Estas falhas pelo facto de terem uma orientação pouco enviesada em relação à direção radial da barragem constituem um caminho privilegiado para a circulação de água no sentido montante jusante. 63 Para o tratamento destas situações considerou-se duas fases de trabalhos. A primeira foi realizada a partir da superfície de contacto betão rocha e consistiu na realização de recravas de betão, após conveniente escavação do material de piores características e limpeza das superfícies escavadas. A segunda fase consistiu na realização de furos, segundo um alinhamento com atitude próxima da orientação do plano médio das entidades geológicas em causa, a partir dos quais através de jatos de água e ar comprimido, se procurou a remoção do material de mais fracas características geotécnicas. Especialmente concebida para o tratamento da falha C, foi projetada uma galeria no betão do bloco delimitado pelas juntas J19 e J20, ligando as galerias de fundação cuja diretriz acompanha o desenvolvimento da entidade FY. Na soleira daquela galeria, com a orientação dos furos projetados para a realização do tratamento foram deixados os contramoldes para o atravessamento da recrava de betão, evitando-se assim a necessidade de corte de armaduras naquela zona aquando da abertura dos furos – furação representada a vermelho na Figura 30. Em relação ao tratamento das falhas A e B foram utilizadas as galerias previamente existentes no projeto, para execução de furos de tratamento, com orientação próxima da orientação do plano médio da falha e com afastamento de 1 m entre si, tal como o preconizado para o tratamento da falha C. 64 Figura 30 – Esquema em planta da furação para tratamento das falhas A,B e C A execução deste tratamento foi feita gradualmente no sentido descendente, isto é, após a remoção do material de recheio das falhas em cada troço de dois metros de comprimento máximo, procedeu-se a uma injeção dos furos. Esta injeção foi feita com argamassa, no caso de a quantidade de material expelido ser considerável, ou com caldas grossas de cimento, nas situações em que se verificou ser pequena a quantidade de material retirado ou não fosse eficiente o preenchimento com argamassa. O tratamento de substituição processou-se associando um conjunto significativo de troços de furos com idêntica profundidade, considerando-se razoável a divisão do tratamento em cinco zonas com desenvolvimento horizontal equivalente. O tratamento iniciou-se pela zona situada na parte central do bloco da barragem e, após a injeção e presa da calda ou da argamassa injetada correspondente a um troço definido em profundidade, realizou-se a abertura, limpeza e injeção de substituição dos troços à mesma profundidade das restantes zonas, situadas a jusante e montante. 65 Para ter em atenção e conciliar os aspetos relativos ao comportamento mecânico e ao comportamento hidráulico, a profundidade máxima no maciço de fundação atingida pelo tratamento das entidades geológicas A, B e C foi de 18 metros na zona correspondente aos primeiros oito metros medidos a partir do lado de montante da barragem e de 14 metros na parte restante. 5.3.2. TRATAMENTO GENERALIZADO DE CONSOLIDAÇÃO O tratamento generalizado de consolidação envolve a abertura, limpeza, lavagem e injeção dos furos, dispostos em leques, constituindo os perfis de tratamento. Tendo em atenção as atitudes das principais descontinuidades, considerou-se adequada, na generalidade, uma definição com perfis de tratamento situados em planos verticais, cujos traços no plano horizontal têm orientação radial, e normal, à superfície de referência da barragem. Esta orientação tem a vantagem de permitir que o tratamento seja realizado sem quebras de continuidade, no sentido transversal ao vale, e de necessitar de menor apoio topográfico para a implantação dos furos de cada perfil. Na zona do fundo do vale, e nas imediações do poço de bombagem, admitiu-se uma furação inclinada para que as estruturas enterradas não fossem afetadas, conseguindo assim uma zona central de remate e sobreposição. Figura 31 – Representação da furação de consolidação em corte e em planta de corte longitudinal respetivamente Como critério geral, na definição do volume do maciço rochoso a ser injetado para o tratamento de consolidação, entendeu-se adequado considerar o critério frequentemente utilizado de tratar sistematicamente as zonas do terreno delimitadas pela superfície que constitui a envolvente dos estados de tensão incrementais superiores a determinado valor (referência = 1.0 MPa), sendo esta envolvente definida a partir dos resultados das análises estruturais obtidos para as combinações de ações correspondentes aos cenários correntes. 66 Também o afastamento dos perfis de tratamento por injeções foi definido tendo em atenção a experiência positiva alcançada em situações similares. Optou-se, por princípio, pela consolidação de três/quatro perfis por cada bloco da barragem, distribuídos ao longo do desenvolvimento desta entre margens. Tal critério conduziu a que o espaçamento médio dos perfis seja na ordem dos 5 m, valor considerado razoável e semelhante ao utilizado noutras barragens. Figura 32 – Pormenor tipo de um perfil fictício do fundo do vale de furação de consolidação 67 5.3.3. LIGAÇÃO BETÃO-ROCHA NAS GALERIAS DE VISITA A fim de garantir a ligação betão-rocha nos troços subterrâneos das galerias de visita, foram executadas injeções de colagem nas abóbadas nos troços em rocha das galerias da barragem. Este trabalho foi realizado antes de qualquer processo do tratamento da fundação da barragem (consolidação) nas suas imediações, de forma a minorar risco de formação de caminhos de percolação preferenciais durante o processo de lavagem entre perfis de consolidação. Os furos foram abertos à rotopercussão com diâmetro mínimo compatível com o processo de injeção, sem pressão, de caldas de colagem. Estes furos abertos na abóbada prolongam-se 0.5 m em rocha, com uma malha de furos em quincôncio de 2/1 e um afastamento longitudinal de 3 m. Foi acautelado um prazo mínimo de espera para a presa destas caldas de colagem nas galerias de 1 semana antes da realização dos trabalhos de tratamento da fundação nas proximidades das mesmas. Figura 33 – Pormenor das injeções nas galerias de visita para a ligação betão-rocha 68 5.3.4. PROCEDIMENTOS Neste ponto aborda-se um conjunto de procedimentos de carácter geral, relativos aos trabalhos de consolidação, nomeadamente furação, limpeza e injeção dos furos, cuja execução se previu realizar nas fundações após terem sido betonados, ou estarem betonados até cotas mínimas compatíveis com as pressões utilizadas no tratamento, os blocos das estruturas suprajacentes. 5.3.4.1. FURAÇÃO Em relação ao equipamento de furação verificou-se que de uma forma geral os furos não ultrapassaram o comprimento de 65 metros, pelo que toda furação do tratamento de consolidação, no geral, foi executada utilizando meios roto-percutivos que permitiram elevados rendimentos e uma qualidade que se afigura adequada. Em face das características das formações e do tipo de operações a realizar durante os trabalhos de lavagem e injeção, foram utilizados “bits” que permitiram diâmetros mínimos de furação não inferiores a 2 ½ polegadas. Admitiu-se também, na realização dos trabalhos, a utilização de equipamentos adequados para o eventual corte de armaduras ou chapas de aço. 5.3.4.2. LIMPEZA O procedimento de limpeza é o conjunto de operações, a realizar em todos os furos, uma primeira vez na sequência da sua abertura para retirada dos sedimentos provocados pela furação, e, posteriormente às operações de lavagem, uma segunda vez como preparação final do furo antecedendo a fase de injeções. A limpeza foi conduzida pela injeção alternada de água e ar até completa expulsão da própria água utilizada na limpeza do furo. 5.3.4.3. LAVAGEM A lavagem compreendeu o conjunto de operações envolvendo vários furos destinada a remover materiais que preenchem descontinuidades nas imediações dos furos. A realização da lavagem é uma das questões que normalmente constitui um problema controverso no conjunto de operações que integram um tratamento de fundações. No caso da barragem do Baixo Sabor Montante, achou-se necessária a sua realização em virtude da presença de algumas descontinuidades preenchidas com material argiloso. A lavajem foi feita com o objetivo de permitir a substituição do material de preenchimento por cimento, sendo como tal executada de uma forma energética e sistemática entre furos de um mesmo perfil e de perfis contíguos, utilizando uma técnica baseada na injeção alternada de jatos de água e ar segundo regras descriminadas mais à frente. Perante as características do preenchimento argiloso, reconheceu-se que a utilização de um dispersante na lavagem poderia conduzir a uma maior eficiência do processo, mas tal levantava 69 também algumas observações que, após pesadas e confrontadas com o acréscimo de benefícios resultantes, levaram à opção da dispensa da sua utilização. Assinala-se como obstáculo principal, o facto de a sua utilização conduzir à obrigatoriedade de considerar prazos mais dilatados para execução dos trabalhos, que se justificam pela necessidade da existência de um tempo de espera, para permitir que o dispersante possa produzir efeito nos materiais de recheio e, depois por acarretar operações de lavagem mais intensas destinadas, não só a retirar o material desfloculado, mas também para assegurar a eliminação de restos de dispersante cuja atuação após o final da lavagem deixa de ser benéfica. Indica-se de seguida, em termos gerais, as normas orientadoras do processo de lavagem, estabelecidas pela EDP com base na experiencia de tratamentos em condições similares:  A lavagem do terreno foi conduzida através de furos reunidos em grupo;  Cada grupo, regra geral, teve 9 furos (3 em cada um de 3 perfis consecutivos) ou 12 furos (4 em cada um de 3 perfis consecutivos);  As pressões máximas da água utilizadas na lavagem foram, por norma, de valor igual a 80% das fixadas para a injeção, em casos especiais admitiu-se que pudessem ser elevadas até 100%;  A lavagem foi realizada por troços sucessivos, partindo do fundo de cada furo para a boca, os quais não podiam ultrapassar 6 metros de comprimento, no caso de o comprimento total dos furos não ser um múltiplo deste valor, os acertos foram realizados considerando troços de menor comprimento posicionados mais próximos da boca dos furos;  Duração mínima de lavagem por cada troço de furo foi ½ hora, só depois de concluído um troço, se desloca o obturador para uma nova posição;  Em cada troço de furo, a lavagem foi conduzida pelo processo de “jetting”, sendo feita uma sequência de 10 minutos de lavagem a água, seguidos de 5 minutos de lavagem a ar, consequentemente cada furo será lavado pelo menos duas vezes;  Em cada operação de lavagem de um troço de furo e a partir da última saída de material sólido realizou-se, no mínimo, uma sequência de lavagens com água e ar;  No caso de um troço de um furo não absorver o processo de “jetting” foi abandonado, e foi substituído por uma lavagem durante o período de ½ hora, se entretanto, o troço começasse a absorver de uma maneira normal (isto é, comunicar com outros furos), passava-se a ser tratado segundo a regra geral;  No caso de um troço de furo absorver, mas não fosse possível detetar as correspondentes ressurgências por outros furos (designadas por “normais”), ou diretamente através da fundação (“anormais”) não era utilizada a lavagem a ar, sendo o período de tempo correspondente substituído por igual período de lavagem a água;  Durante a operação de lavagem do troço de um furo foram cuidadosamente anotadas as comunicações para furos do mesmo grupo, bem como os tempos ao fim dos quais elas se 76 Em relação ao processo injeção das cortinas de estanqueidade, conforme já anteriormente referido, foram realizadas pelo método ascendente, por troços de 5 metros de comprimento. No entanto, quando nos ensaios prévios de absorção de água se verificou algum troço com absorção nula, este troço pôde ser associado ao imediatamente superior, passando a ser considerados, para efeitos de injeção, como um só troço. 5.6. ANÁLISE DOS RESULTADOS Durante as injeções realizadas no âmbito do tratamento de consolidação generalizada foram registadas as absorções de calda de cimento em todos os trechos em volume de calda e em massa de cimento. A partir da informação das absorções desenvolveu-se um gráfico que representa a massa de cimento absorvida por metro de furo em cada perfil de injeção. Da sua observação e da linha de tendência é percetível, de certo modo, a variação de características ao longo do desenvolvimento da barragem, concluindo-se que as características da zona do fundo do vale e um pouco da margem direita tiveram absorções mais elevadas do que nas demais. Figura 36 – Absorção de cimento em cada perfil de injeção de consolidação em Kg por metro de furo, representado num corte visto de jusante para montante da barragem A partir da informação foi também possível contruir figuras, por perfil de injeção, que representam as absorções de cada um desses trechos e também as eventuais comunicações de água ou calda entre diferentes furos ou leques. Pela sua análise concluiu-se que o comportamento da margem esquerda foi bastante bom, de um modo geral, apresentando absorções bastante baixas, excetuando trechos pontuais, apresentando também comunicações com pouca frequência sendo as existentes pouco importantes. A Figura 37 representa um perfil representativo desta zona da fundação. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 77 Figura 37 – Esquema resumo do tratamento de consolidação num dos perfis da Junta 13 O mesmo não se verificou na margem direita ou no fundo do vale, havendo nestas zonas, em especial nos furos que intersetam as zonas de falha, registos de volumes da absorção de calda relativamente mais elevados. Estas foram frequentemente observadas em associação com comunicações entre furos e leques vizinhos chegando por vezes a percorrer distâncias da ordem das dezenas de metros. Na Figura 38 está representado um perfil tipo da margem direita. Nesta margem também se verificou um comportamento nas injeções bom, no entanto verificou-se a com alguma frequência a existência de fraturação no maciço que conduziu a trechos de injeção com volumes relativamente elevados. 78 Figura 38 – Esquema resumo do tratamento de consolidação num dos perfis da Junta 24 A Figura 39 representa o tratamento de consolidação generalizada na zona do fundo do vale. Nesta região da fundação a magnitude dos consumos de calda, especialmente nas zonas próximas das falhas, levantou preocupações quanto à efetividade dos trabalhos de consolidação efetuados, ficando em aberto a necessidade futura de uma nova campanha de tratamento localizado para que se atinjam as características necessárias para a fundação. 79 Figura 39 – Esquema resumo do tratamento de consolidação num dos perfis da Junta 18 Depois da conclusão do tratamento de consolidação pode-se começar com a execução da cortina de impermeabilização. As injeções realizadas para esse efeito foram feitas através do método split-spacing, ou seja, havendo maior quantidade de furação nas zonas em que o maciço apresenta uma permeabilidade acima do pretendido para a cortina. Tabela 8 – Quantidade total de furação e massa de cimento injetada para a impermeabilização Margem Esquerda Fundo do Vale Margem Direita Furação (m) 3169 5967 4841 Massa de cimento injetada (Kg) 18454 69033 24149 Massa de cimento injetada (Kg/m) 5,8 11,6 5,0 80 Pela análise dos dados da sua execução, tanto a quantidade de furos que foi necessária como os valores das absorções (Tabela 8), tal como tinha acontecido com os resultados das injeções para a consolidação, se conclui que a margem esquerda apresenta melhores características, ao ser possível construir a cortina com menor quantidade de furação e menor quantidade de cimento. Na Figura 40 estão representadas as furações e as respetivas absorções, por trecho, das injeções que foram necessárias para a execução da cortina na margem esquerda. Logo à partida é clara a qualidade desta zona da fundação, pois não foi necessário recorrer a furação além da primária, salvo as exceções da região mais superior do encontro com a margem, onde não houve consolidação, e nos furos representados mais à direita da figura, que estão condicionados pelas falhas do fundo do vale. Quanto aos volumes de calda consumidos pelos trechos dos furos, é clara a predominância da cor azul, que representa o nível mais baixo de absorções, com as mesmas exceções referidas anteriormente. Figura 40 – Injeções da cortina de impermeabilização da margem esquerda (vista de montante para jusante) A margem direita apresenta uma quantidade média de cimento injetada relativamente semelhante à esquerda, mas como se observa na Figura 41, a execução da cortina necessitou de uma 81 quantidade muito superior tanto de furação como de volume total de calda de cimento para que esta fosse concluída com sucesso diluindo então o valor médio de cimento colocado por metro de furo. Nesta margem foi necessário recorrer a injeções em furações secundárias ao longo de todo o seu desenvolvimento sendo que, em aproximadamente um terço deste, nas imediações das falhas, foi mesmo necessário recorrer a furações terciárias para que a condutividade hidráulica atingisse valores suficientemente baixos. Esta necessidade de furação adicional foi causada pelos elevados volumes absorvidos observados, em trechos pontuais espalhados um pouco por toda esta zona do maciço, como pode ser facilmente identificado na Figura 41. Figura 41 – Injeções da cortina de impermeabilização da margem direita (vista de montante para jusante) Nas injeções de impermeabilização realizadas no fundo do vale foi necessário recorrer à realização de injeções terciárias ao longo de todo o seu desenvolvimento, dado que se registaram absorções muito elevadas nos furos primários e secundários. Nesta zona da fundação da barragem, como se pode observar na Tabela 8, foram consumidas 69 toneladas de cimento para que se atingisse a permeabilidade máxima de 1 U.L.. Este consumo elevadíssimo deve-se essencialmente às absorções registadas em alguns furos da série primária e 82 da secundária interessando a zona central da fundação (zona das falhas) onde existe um cruzamento da furação representado na Figura 42. Destes furos destacam-se o furo PIE1 e o PIE3 que consumiram respetivamente 19,6 e 13 toneladas. No total a furação nesta região de cruzamento de furos consumiu 45.6 toneladas, ou seja, 40% de toda a quantidade de cimento colocado em toda a fundação para a cortina de impermeabilização. Figura 42 – Injeções da cortina de impermeabilização no fundo do vale (vista de montante para jusante) Previamente à de qualquer trabalho por injeções, realizou-se uma campanha de tomografia sísmica através do método cross-hole com medição de velocidades das ondas longitudinais. A partir da informação obtida foi elaborado um perfil (Figura 43) onde se representa a qualidade do maciço fundação inalterado em função da velocidade de propagação das ondas sísmicas. Após a conclusão do tratamento foi realizada uma nova campanha com o objetivo de avaliar os tratamentos realizados. Os valores da velocidade (Vp) que se registam no ensaio no maciço de fundação, podem-se relacionar diretamente com o seu grau de compacidade e integridade, tornando-se um indicador fiável da eficácia de qualquer tratamento de melhoramento ao serem avaliadas as alterações das velocidades antes e depois do tratamento. Em maciços sãos e pouco fraturados a transmissão destas ondas sísmicas é feita com velocidades elevadas pois não existem interferências à sua propagação. No entanto, a propagação das ondas 83 sísmicas é cada vez mais lenta com maiores graus de alteração e frequência da fraturação da rocha de um maciço. Figura 43 – Esquema resultante dos ensaios de cross-hole sísmico antes do tratamento (vista de jusante para montante) Nos resultados da Figura 43, as velocidades baixas estão representadas em tons do espectro azul e as velocidades elevadas por tons roxos. Da sua análise conclui-se que a encosta esquerda do maciço teve de um modo geral muito boa qualidade, apresentando uma homogeneidade bastante boa com velocidades de propagação quase sempre superiores a 4,000 Km/s (velocidade representada pela cor amarela). Do outro lado do vale, a margem direita tinha o maciço percetivelmente em pior estado, como mais tarde se veio a verificar nas injeções, e necessitou de uma muito maior quantidade de trabalho para atingir os objetivos pretendidos. No fundo do vale é visível a perturbação provocada pelas falhas longitudinais, que já haviam sido identificadas nos trabalhos de prospeção realizados inicialmente, no âmbito da escolha do local de construção e também nas escavações da fundação para a inserção da estrutura de betão. Na execução da tomografia sísmica por ensaios de cross-hole, toda a furação foi feita com recuperação contínua de amostra acompanhada ainda pela realização de ensaios de Lugeon. Os resultados destes ensaios de absorção e do log geológico apresentaram, como era espectável, qualidade de resultados bastante inferiores na margem direita devido a trechos, identificados recorrendo aos tarolos recolhidos, com fracturação intensa muitas vezes acompanhados de preenchimentos e oxidação. Também no fundo do vale houve uma harmonia da informação, verificando-se valores da absorção notáveis chegando a ultrapassar 10 unidades de Lugeon, resultado da fraturação intensa aí existente. 84 Figura 44 – Esquema resultante dos ensaios de cross-hole sísmico depois do tratamento de consolidação (vista de jusante para montante) Foi realizada entretanto uma segunda campanha de ensaios com cross-hole. Esta apresenta o maciço após a conclusão dos tratamentos de consolidação, tendo como única exceção a região central, onde se situam as falhas, onde ainda não está fechado o processo de tratamento. A partir da realização destes foi elaborado um novo perfil das velocidades de transmissão das ondas sísmicas (Figura 44) com o objetivo de possibilitar a comparação do maciço antes e depois dos tratamentos já finalizados. Pela comparação das duas imagens, conclui-se que de um modo geral o tratamento melhorou as propriedades do maciço. Este facto pode-se constatar pela análise das regiões que apresentavam inicialmente velocidades muito reduzidas (espectro azul), no encontro da margem esquerda da fundação e um pouco por toda a margem direita, o surgimento destas zonas nos resultados é praticamente inexistente. Apesar desta evolução positiva na generalidade do maciço, tal não é evidenciado na zona conturbada do fundo do vale, podendo-se até afirmar que, pelos resultados da tomografia sísmica, o tratamento não terá conduzido a uma melhoria significativa das características do maciço rochoso, permanecendo estas aparentemente inalteradas. 85 6 CONCLUSÕES Nesta dissertação apresenta-se uma síntese do estado de arte do tratamento de fundações rochosas de barragens por injeções de calda à base de cimento. Nesse contexto, abordam-se os aspetos relacionados com o processo de tratamento, desde a conceção até à conclusão da execução, mencionando-se um pouco da sua evolução histórica, bem como as diferentes metodologias consagradas utilizadas atualmente um pouco por todo o mundo. Numa breve síntese considerando os diferentes tipos de caldas de cimento e sua utilidade, verificase que a sua seleção é função das características pretendidas para a mesma. Serão diferentes conforme os objetivos pretendidos e adaptadas às características dos maciços onde são injetadas. A caracterização geológica e geotécnica do maciço de fundação é indispensável para a definição de um tratamento eficaz e o correto dimensionamento da cortina de impermeabilização. Desta caracterização deve constar sobre o maciço de fundação da barragem um zonamento das características, a compartimentação, as tensões instaladas, a injetabilidade, a permeabilidade das formações que o constituem e a albufeira bem como os escoamentos que nele se poderão instalar, as suas propriedades mecânicas e dos taludes da albufeira situados imediatamente a jusante e ainda as propriedades mecânicas e hidráulicas dos materiais disponíveis nas zonas de empréstimo bem como o seu zonamento e avaliação dos volumes disponíveis para a construção da barragem. Para o projeto do tratamento de uma fundação são realizados estudos de percolação tendo em conta a variação da permeabilidade com o estado de tensão e, portanto a abertura ou fecho das diáclases e outras descontinuidades, estudos da erosão devida à passagem de água e estudos de estabilidade da fundação. Para julgar a necessidade de cortina de impermeabilização usa-se o critério de Lugeon. Também deve ser sempre instalada uma cortina de drenagem com o objetivo de minimizar a subpressão na fundação. Os resultados dos estudos de estabilidade da fundação poderão mostrar a necessidade de medidas suplementares para garantir a segurança, tais como consolidações, pregagens e ancoragens. Para além da condutividade hidráulica, o conhecimento adequado de outras características hidrogeológicas, como sejam o regime de percolação e comportamento das fraturas, possibilitam definir os critérios de fecho das injeções, ou seja, a observação de valores capazes de indicar que