Aplicação da geologia de engenharia ao estudo de barragens de enrocamento

323 Pages·2016·12.91 MB·French

MUSEU E LABORA TÓRIO MINERALÓGICO E GEOLOOICO
UNIVERSIDADE DE COIMBRA
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MÁRIO DE OLIVEIRA QUINTA FERREUti~ ..
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CENTRO DE GEOCIÊNCIAS DA UNIVERSIDADE DE COIMBRA
INSTITUTO NACIONAL DE INVESTIGAÇÃO CIENT.fFICA
19<.X)
APLICAÇÃO DA GEOLOGIA DE ENGENHARIA AO ESTUDO DE BARRAGENS DE ENROCAMENTO
ÍNDICE
Pág.
DEDICATÓRIA
ÍN"DICE .............................................................................................................................. I
AGRADECIMENTOS .................................................................................................... IX
xm
RESUMO ......................................................................................................................
1 -IN"TRODUÇÃO ........................................................................................................... 1
1.1 -OBJECTIVOS ......................................................................................•.................. 1
1.2 - SOBRE A CONSTRUÇÃO DE BARRAGENS. ............................................................. 2
1.2.1 - Tipos de barragens ............................................................................... 3
1.2.2 - Barragens de enrocamento ................................................................ .4
1.2.2.1 -Conceito de enrocamento ........................................................ :. ........... 5
1.2.3 - Evolução da construção de barragens de enrocamento ............. 6
1.2.3.1 - Aspectos gerais ..................................................................................... 6
1.2.3 .2 -Realidade Portuguesa ........................................................................... 8
2 -ACERCA DOS MÉTODOS DE ESTUDO E DAS TÉCNICAS DE ENSAIO ........ 13
2.l -ESTUDODEUMABARRAGEMDEENROCAMENT0. ............................................ 13
2.1.1 - Generalidades ...................................................................................... 13
2.1.2 - Metodologia de estudo ...................................................................... 14
2.1.3 - Breve comentário às técnicas de reconhecimento .................... 17
II
Pág.
2.2 -ESTUDO DOS MATERIAIS DE ENROCAMENTO .................................................... 18
2.2.1 - Mineralogia e geoquímica .............................................................. 19
2.2.2 - Ensaios realizados sobre provetes rochosos ............................. .20
2.2.2.1 -Porosidade e pesos volúmicos ............................................................ 20
2.2.2.2 -Determinação da fissuração ................................................................ 20
2.2.2.3 -Permeabilidade ao ar e expansibilidade. ............................................. 24
2.2.2.4 -Determinação da resistência ............................................................... 25
2.2.2.4.1 -Introdução ................................................................................... 25
2.2.2.4.2 -Compressão uniaxial. .................................................................. 27
2.2.2.4.3 -Determinação da resistência em fragmentos irregulares ............ 30
2.2.2.5 -Forma e dimensão dos fragmentos ..................................................... 35
2.2.2.6 -Ensaios de fragmentação e desgaste ................................................... 36
2.2.2.7 - Avaliação da durabilidade .................................................................. 37
2.2.3 - Amostras granulares .......................................................................... 41
2.2.3.1 -Modelação da granulometria .............................................................. 41
2.2.3.2 -Pesos volúmicos e índice de vazios .................................................... 43
2.2.3.3 - Angulo de talude natural. .................................................................... 44
2.2.3.4 -Grau de fracturação ............................................................................ 45
2.2.4 - Determinação das características tensão-deformação ............ .46
2.2.4.1 -Resistência ao corte ............................................................................ 47
2.2.4.2 -Deformabilidade ................................................................................. 48
2.2.5 - Comportamento dos materiais de enrocamento ........................ .48
2.2.6 - Rochas graníticas ................................................................................ 50
2.2.6.1 -Generalidades ..................................................................................... 50
2.2.6.2 -Considerações sobre a alterabilidade das rochas graníticas ............... 51
2.2.6.3 -Caracterização do estado de alteração ................................................ 52
2.2. 7 - Rochas carbonatadas .......................................................................... 55
2.2.7.1 -Composição mineralógica .................................................................. 56
2.2.7.2 -Caracterização das rochas carbonatadas ............................................. 57
2.2.7.3 -Classificação geotécnica das rochas carbonatadas ............................. 59
2.3 -ESTUDO DOS ATERROS DE ENROCAMENTO. ...................................................... 60
2.4 -CLASSIFICAÇÃO DOS ENROCAMENTOS ............................................................. 62
3 -CONDIÇÕES LOCAIS ............................................................................................. 67
3.1 -BARRAGEM DE PARADELA ................................................................................ 68
3.1.1 - Generalidades ...................................................................................... 68
3 .1.2 - Enquadramento geológico ................................................................ 70
3.1.2.1 -Geologia regional ............................................................................... 70
3.1.2.2 -Geologia local. .................................................................................... 70
3.1.2.3 -Litologia ............................................................................................. 71
3.1.2.4 -Estrutura e tectónica ........................................................................... 72
3.1.3 - Fundações da barragem e seus problemas ................................... 73
3.1.4 -Pedreira e locais de empréstimo .................................................... 75
Índice III
Pág.
3.1.5 - Construção do enrocamento ............................................................ 76
3 .1.6 - Considerações finais ........................................................................ 77
3.2 -BARRAGEM DE CASTELO DE PAIVA ................................................................. 78
3 .2.1 - Introdução ............................................................................................. 78
3.2.2 - Enquadramento geológico ................................................................ 78
3.2.2.1 -Geologia regional ............................................................................... 78
3.2.2.2 -Geologia local ..................................................................................... 80
3.2.2.3 -Litologia ............................................................................................. 80
3.2.2.4 -Estrutura e tectónica ........................................................................... 82
3.2.3 - Estudo das fundações da barragem e seus problemas ............. 83
3.2.4 - Zonamento geotécnico ...................................................................... 89
3 .2.5 - Pedreira e locais de empréstimo .................................................... 90
3.2.6 - Considerações finais .......................................................................... 90
3.3 -BARRAGEMDEMIDÕES ..................................................................................... 91
3 .3 .1 - Introdução ............................................................................................. 91
3.3.2 - Enquadramento geológico ................................................................ 92
3 .3 .2.1 -Geologia regional ............................................................................... 92
3.3.2.2 -Geologia local ..................................................................................... 93
3.3.2.3 -Litologia ............................................................................................. 94
3.3.2.4 -Estrutura e tectónica ........................................................................... 95
3.3.3 - Estudo da fundação da barragem e seus problemas ................. 97
3 .3 .4 - Zonamento geotécnico ................................................................... 102
3.3.5 - Pedreira e locais de empréstimo ................................................. 104
3.3.6 - Discussão .......................................................................................... 104
3.4-BARRAGEMDELAGOACH0 ............................................................................. 106
3 .4.1 - Generalidades ................................................................................... 106
3.4.2 - Enquadramento geológico ............................................................. 107
3 .4.2.1 -Geologia regional ............................................................................. 107
3.4.2.2 -Geologia local ................................................................................... 109
3.4.2.3 -Litologia ........................................................................................... 109
3.4.2.4-Estruturae tectónica ......................................................................... 111
3.4.3 - Fundações da barragem e seus problemas ................................ 113
3 .4.4 - Zonamento geotécnico ................................................................... 115
3.4.5 - Pedreira e locais de empréstimo ................................................. 116
3 .4.6 - Discussão ........................................................................................... 116
3.4.7 - Perfil tipo da barragem .................................................................. 119
IV
Pág.
3.5 -BARRAGEM DA APARTADURA ........................................................................ 121
3.5.1 - Introdução .......................................................................................... 121
3.5.2 - Enquadramento geológico ............................................................. 123
3.5.2.1 -Geologia regional ............................................................................. 123
3.5.2.2 -Geologia local ................................................................................... 123
3.5.2.3 -Estrutura e tectónica ......................................................................... 124
3.5.3 - Estudo das fundações da barragem ............................................ 125
3.5.4 - Zonamento geotécnico ................................................................... 127
3.5.5 - Pedreira e locais de empréstimo ................................................. 127
3.5.6 - Perfil tipo da barragem .................................................................. 128
3.5.7 - Discussão ........................................................................................... 129
3.6 -INFLUENCIA DA GEOLOGIA NA SELECÇÃO DO TIPO DE BARRAGEM ......•........ 130
3.6.1 - Generalidades ................................................................................... 130
3.6.2 - Alguns aspectos comparativos sobre os locais estudados ... 133
3.7 -ACERCA DAS FUNDAÇÕES ............................................................................... 135
3.7.1 - Contacto entre a fundação e a barragem .................................. 135
3.7.2 - Condições hidrogeológicas ........................................................... 137
3.7.2.1 -Generalidades ................................................................................... 137
3.7.2.2 -Avaliação das condições de permeabilidade nas fundações
rochosas .............................................................................................. 138
3.7.2.3 -Cortinas de impermeabilização e de drenagem ................................ 141
3.8 -PEDREIRAS E MANCHAS DEEMPRÉSTIM0 ....................................................... 146
3.8.1 - Generalidades ................................................................................... 146
3.8.2 - Exploração e preparação dos materiais para utilização
nos enrocamentos ............................................................................... 149
3.8.3 - Utilização de solos residuais ....................................................... 152
4 -MATERIAIS PÉTREOS ......................................................................................... 157
4.1 -INTRODUÇÃ0 ................................................................................................... 157
4.2 -ROCHAS GRANITICAS. ...................................................................................... 157
4.2.1 - Petrografia dos granitos não alterados ..................................... 157
4.2.2 - Petrografia da alteração ................................................................. 159
4.2.3 - Geoquímica ........................................................................................ 161
4.2.3.1 -Composição química ........................................................................ 161
4.2.3.2 -Perdas e ganhos ................................................................................ 161
Índice V
Pág.
4.2.3.3 -Proporções moleculares .................................................................... 164
4.2.4 - Relações que parecem existir entre a quantificação geo-
química da alteração e as propriedades dos granitos .............. 167
4.3 -ROCHAS CARBONATADAS. ............................................................................... 171
4.3.1 -Introdução .......................................................................................... 171
4.3 .2 - Mineralogia dos materiais do enrocamento da barragem
da Apartadura ...................................................................................... 172
4.3.3 - Composição química ....................................................................... 172
4.4 -CARACTERIZAÇÃO DOS PROVETES ROCHOSOS ............................................... 174
4.4.1 - Fissuração .......................................................................................... 175
4.4.1.1 -Introdução ......................................................................................... 175
4.4.1.2 -Determinação da fissuração .............................................................. 175
a) Fissuração térmica de granitos ............................................................... 175
b) Determinação indirecta da fissuração .................................................... 177
c) Permeabilidade. ...................................................................................... 181
4.4.2 - Determinação da resistência ........................................................ 182
4.4.2.1 -Compressão uniaxial ........................................................................ 183
a) Ensaios na prensa rígida ........................................................................ 183
b) Análise da totalidade dos ensaios de compressão uniaxial.. ................. 192
4.4.2.2 -Ensaios sobre fragmentos irregulares ............................................... 194
a) Resistência ao esmagamento ................................................................. 195
b) Carga pontual ........................................................................................ 197
c) Análise comparativa dos ensaios de carga pontual e de resistência ao
esmagamento. .................................................................................... 199
4.4.2.3 -Influência da água na resistência dos fragmentos rochosos ............. 205
4.4.2.4 -Ensaios de fragmentação e desgaste ................................................. 211
a) Los Angeles ........................................................................................... 211
b) Desgaste em meio húmido e fragmentação dinâmica ........................... 211
4.4.3 - Durabilidade ...................................................................................... 214
4.4.3.1 - Avaliação da durabilidade ................................................................ 214
a) Ataque pelo sulfato de magnésio ........................................................... 215
b) Ataque pela água oxigenada .................................................................. 216
c) Ataque pelo etileno-glicol.. ................................................................... 216
d) Expansibilidade ..................................................................................... 217
e) Avaliação da durabilidade utilizando propriedades índice .................... 222
4.4.3.2 -Considerações finais sobre a durabilidade dos materiais de
enrocamento ........................................................................................ 222
4.5 -DETERMINAÇÃO EXPEDITA DAS CARACTERISTICAS MECANICAS DOS
ENROCAMENTOS .............................................................................................. 226
4.5.1 - Análise das características mecânicas dos enrocamentos ... 227
4.5.2 - Aplicabilidade da caracterização mecânica expedita ........... 230
VI
Pág.
5 -BARRAGEM DE PARADELA. ESTUDO DOS ENROCAMENTOS E
ANÁLISE DO COMPORTAMENTO ESTRUTURAL ......................................... 235
5.1 -OS MATERIAIS DO ENROCAMENTO .................................................................. 236
5.1.1 - Amostragem ....................................................................................... 236
5.1.2 - Porosidade e pesos volúmicos ..................................................... 238
5.1.2.1 -Enrocamento ..................................................................................... 238
5 .1.2.2 - Amostras granulares utilizadas nos ensaios de laboratório .............. 239
5 .1.3 - Forma e dimensão dos fragmentos ............................................. 240
5 .1.4 - Durabilidade dos materiais do enrocamento de Paradela .... 243
5 .2 - AMOSTRAS GRANULARES ................................................................................ 244
5 .2.1 - Modelação da granulometria ........................................................ 244
5.2.2 - Pesos volúmicos ............................................................................... 246
5.2.3 - Angulo de talude natural ............................................................... 248
5 .2.4 - Classificação do enrocamento ..................................................... 248
5.3 -DETERMINAÇÃO DAS CARACTERISTICAS TENSÃO-DEFORMAÇÃO .........•...... 248
5.3.1 - Programa de ensaios ....................................................................... 248
5.3.2 - Resistência ao corte ........................................................................ 250
5.3.2.1 -Execução dos ensaios ....................................................................... 250
5.3.2.2 -Resultados. ........................................................................................ 252
a) Consolidação e corte .............................................................................. 253
b) Submersão ............................................................................................. 255
c) Grau de fracturação ................................................................................ 258
5.3.2.4 -Conclusões ........................................................................................ 258
5.3.3 - Deformabilidade .............................................................................. 260
5.3.3.1 -Resultados. ........................................................................................ 261
5.3.3.2 -Conclusões ........................................................................................ 263
5.4- CALCULOSTENSÃO-DEFORMAÇÃODABARRAGEMDEPARADELA .............. 264
5.4.1 - Introdução .......................................................................................... 264
5 .4.2 - Comparação dos resultados relativos ao enchimento ........... 265
5.5 -CONCLUSÕES RELATIVAS AO ESTUDO DA BARRAGEM DE PARADELA. .......... 267
6 -ATERROS EXPERIMENTAIS. .............................................................................. 273
6.1 -CONSIDERAÇÕES PRÉVIAS ............................................................................... 273
6.2 -0BJECTIVOS ..................................................................................................... 273
Índice VII
Pág.
6.3 -ESCOLHA DO LOCAL E PREPARAÇÃO DO TERRENO. ........................................ 275
6.4 -EXECUÇÃO DOS ATERROS EXPERIMENTAIS .................................................... 276
6.4.1 - Construção das camadas ................................................................ 276
6.4.1.1 -Análise da eficiência da compactação .............................................. 277
6.4.1.2 -Características das camadas e resultados obtidos ............................. 280
6.5 -ENSAIOS ........................................................................................................... 282
6.6 -DETERMINAÇÃO LABORATORIAL DAS CARACTERISTICAS DE
TENSÃO-DEFORMAÇÃO DOS MATERIAIS DOS ATERROS EXPERIMENTAIS
DA APARTADURA ............................................................................................ 284
6.6.1 - Resistência ao corte ........................................................................ 285
6.6.2 - Deformabilidade .............................................................................. 285
6.7 -CONSIDERAÇÕES FINAIS SOBRE A APARTADURA ........................................... 287
7 -CONSIDERAÇÕES FIN"AIS ................................................................................... 293
7.1 -CONCLUSÕES ................................................................................................... 294
7 .2 -TEMAS EM ABERTO E TOPICOS PARA FUTURA INVESTIGAÇÃO ....................... 298
BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................... 303
Anexo 1 - Métodos analíticos utilizados no estudo ge oquímico .... 319
Anexo 2 - Ensaios realizados sobre provetes rochosos ..................... 320
2-a) -Preparação das amostras para o ensaio de compressão uniaxial. .......... 320
2-b) -Execução do ensaio de fragmentação dinâmica ................................... 320
2-c) -Execução do ensaio de ataque pelos sulfatos ........................................ 320
2-d) -Execução do ataque pela água oxigenada ............................................. 321
2-e) -Execução do ataque com etileno-glicol.. .............................................. 321
Anexo 3 - Determinação laboratorial dos pesos volúmicos das
amostras granulares ........................................................................... 321
Anexo 4 - Preparação das amostras para determinação das
características tensão-deformação ................................................ 322
4-a) -Resistência ao corte (ensaios triaxiais) ................................................. 322
4-b) -Deformabilidade (ensaios de compressão unidimensional) ................. 322
APLICAÇÃO DA GEOLOGIA DE ENGENHARIA AO ESTUDO DE BARRAGENS DE ENROCAMENTO
Agradecimentos
A realização do presente trabalho só foi possível com a colaboração prestimosa
de várias pessoas e instituições.
Ao Professor João Manuel Cotelo Neiva expresso o meu sincero
reconhecimento. Ainda enquanto aluno da Licenciatura cedo me despertou o interesse pela
geologia de engenharia. A motivação para o estudo das barragens foi-se reforçando durante
os anos em que fui seu assistente, levando-me a iniciar o presente trabalho. Muito lhe
agradeço a sugestão do tema, o incentivo e o apoio sempre manifestados. A supervisão e
orientação que me dispensou durante a preparação deste trabalho foram imprescindíveis
para a sua concretização.
Aos Professores Martim Portugal Ferreira e António Ferreira Soares agradeço as
condições proporcionadas para o desenvolvimento do trabalho. A minha formação
geológica muito deve aos ensinamentos que me transmitiram enquanto aluno e, mesmo mais
tarde, como assistente.
Agradeço à Professora Ana Margarida Neiva a ajuda no estudo e interpretação
dos dados geoquímicos e a utilização de meios informáticos; e aos Professores Manuel
Maria Godinho, Rui Pena dos Reis, Ferreira Pinto e Almeida Saraiva as trocas de ideias e o
incentivo; e ainda o contributo prestado por diversos colegas, de que destaco a Drª Manuela
da Vinha e o Eng. Manuel Morais.
O Museu e Laboratório Mineralógico e Geológico da Universidade de Coimbra
proporcionou os meios fundamentais para a execução dos trabalhos de campo e para a
realização de grande parte dos ensaios laboratoriais. A contribuição financeira do Centro de
Geociências permitiu a realização de diversas tarefas.
O apoio que recebi do Laboratório Nacional de Engenharia Civil, principalmente
durante os vários estágios que aí realizei, foi da maior importância, tendo-me
proporcionando um contacto mais estreito com o estudo dos enrocamentos e o
acompanhamento do arranque da construção da barragem da Apartadura. Faço particular
referência aos núcleos de Fundações e de Prospecção, onde realizei parte fundamental dos
X
ensaios de laboratório, nomeadamente da barragem de Paradela. Agradeço em especial: ao
Eng. Veiga Pinto a orientação dos estágios aí efectuados, para além do incentivo e
sugestões; ao Dr. Delgado Rodrigues, que desde os tempos da licenciatura me fez ver que a
investigação é tanto mais produtiva quanto amplamente debatida, as sugestões críticas e a
disponibilidade sempre manifestada; o interesse dispensado pelo Eng. Maranha das Neves;
o apoio dos Engs. Manuel Barroso e Nuno Grossman; e as trocas de ideias com os Drs.
Telmo Jeremias e Gomes Coelho.
Não quero deixar de referir a importância que teve, para mim, a especialização
em geologia de engenharia que recebi na Universidade Nova de Lisboa, e que precedeu o
início deste trabalho, pelo que expresso o meu reconhecimento aos docentes do curso de
Mestrado. O entusiasmo, para o estudo de barragens, que então me foi transmitido pelo
Prof. Ricardo Oliveira, foi igualmente importante.
A bolsa de estudo no País, concedida pelo Instituto Nacional de Investigação
Científica (INIC), foi fundamental para o prosseguimento do trabalho.
À Electricidade de Portugal agradeço a possibilidade de ter estudado a quase
totalidade dos locais. Expresso em particular o meu reconhecimento ao Eng. Rodrigues dos
Santos pelas facilidades concedidas para o estudo do local da barragem do Lagoacho e ao
Eng. Emanuel Costa a colaboração prestada durante os trabalhos de campo neste local.
À Direcção Geral dos Recursos e Aproveitamentos Hidráulicos agradeço as
condições proporcionadas durante os trabalhos no local da Barragem da Apartadura.
Ao Departamento de Engenharia Civil da Universidade Coimbra agradeço a
realização de ensaios de Los Angeles.
Durante o estágio efectuado no Imperial College, em Londres, o Professor Mike
de Freitas dispensou um apoio diligente.
Aos funcionários do Museu e Laboratório Mineralógico e Geológico da
Universidade de Coimbra que colaboraram na execução de diversas tarefas relacionadas
com o presente trabalho, espresso os meus agradecimentos: a Maria Georgina Bettencourt e
Mário Simões Cortez, pela execução de parte das análises químicas; a António Vilela, pela
contribuição na preparação e ensaio de algumas amostras; a António Moura, pela execução
e manutenção de equipamento de ensaio diverso; a Sílvio Gouveia e António Silva, pela
execução das lâminas delgadas e corte de rochas para ensaio; a Gândara Gaspar, pela
obtenção de alguns diagramas de raios-X; a Pedro Coutinho, Joaquim Carvalho, Virgílio
Sousa e António Rodrigues, pelo auxílio prestado. O Dr. Humberto Moura executou parte
dos desenhos.