1. PROGRESSÃO DA
EROSÃO INTERNA EM
BARRAGENS DE ATERRO
Ricardo Santos
ricardos@lnec.pt
Bolseiro de Doutoramento
Departamento de Geotecnia
Núcleo de barragens e obras de aterro
© LNEC 2012 © LNEC 2012

2. Relevância das barragens de aterro
© LNEC 2012 Fonte: ICOLD

3. Modos de rotura das barragens de aterro
Instabilidade Sismo
de taludes 2%
4%
Galgamento
Erosão 46%
interna
48%
© LNEC 2012
Fonte: Foster, Fell e Spannagle (2000)

4. Fases do processo de erosão interna
FASE 1 FASE 2
INICIAÇÃO CONTINUAÇÃO/FILTRAGEM
Continuação da erosão para
Fuga de água a jusante
montante do núcleo
do núcleo e início de
Ausência ou funcionamento
erosão regressiva
incorrecto do filtro subvertical
FASE 3 FASE 4
FASE 4
PROGRESSÃO PARA EROSÃO TUBULAR FORMAÇÃO DE BRECHA
FORMAÇÃO DE BRECHA B
Brecha na barragem Rotura da
Progressão da erosão para a
Albufeira vazia barragem
formação de um canal até ao
paramento de montante
© LNEC 2012 Vista B-B' B'
Corte transversal pela brecha

5. Fases do processo de erosão interna
FASE 1 - INICIAÇÃO DA EROSÃO
FASE 2 - CONTINUAÇÃO/FILTRAGEM
FASE 3 - PROGRESSÃO PARA EROSÃO TUBULAR
• Erodibilidade do solo
• Capacidade do material permanecer com tubo aberto
• Limitação do caudal por materiais de montante
FASE 4 - FORMAÇÃO DE BRECHA
© LNEC 2012

6. Progressão para erosão tubular
Tunbridge Dam, Tasmânia, Austrália, 11/28/2008
© LNEC 2012 Fonte: Jeffery Farrar (2008)

7. Progressão para erosão tubular
Fonte: Hanson e Hunt (USDA, 2007)
© LNEC 2012

8. Ensaio de erosão por fuga concentrada
Régua
Piezómetro de
montante Cota variável entre
300 mm e 1100 mm
Tanque de montante
abastecido por reservatório
elevado de grande capacidade
Dreno
Medidor de caudal
electromagnético
Piezómetro de
jusante
l/h
˜ 200 mm
Furo Câmara de
Purga pré-formado Purga Perspex de
de ar Ø6 mm de ar Montante
Dreno
Tanque de jusante Válvula de controlo
Câmara de Perspex Solo compactado Cascalho uniforme limpo com
© LNEC 2012 no molde Proctor particulas de 20 mm a 30 mm
de Jusante

9. Ensaio de erosão por fuga concentrada
© LNEC 2012

10. Ensaio de erosão por fuga concentrada
© LNEC 2012

11. Ensaio de erosão por fuga concentrada
> Furo no final do ensaio
© LNEC 2012

12. Ensaio de erosão por fuga concentrada
)
i o s
> Evolução dos caudais nos ensaioss
é com progressão da erosão
-
0 0 0 0 1
E
h
0 0 0
0
0
0 0 0
0
0
0
/
0
0 0 0 4
0 0
l
© LNEC 2012

13. Ensaio de erosão por fuga concentrada
Tests - HET.xls
> Mecânica dos fluidos → Evolução do diâmetro do furo
ODL_HET008-CALC
18 0.0105
Tensão de corte
Estimativa do diâmetro do furo pré-formado, Dt (mm)
Ensaio 008 D
16 Estimativa do diâmetro do furo, Dt(mm)
y=6.199+0.00647x-3.035 10-6x2+7.672 10-10x3
0.009
t .git. t
w .
dDt/dt 4
14 0.0075
dDt/dt (mm/seg)
12 0.006
Taxa de erosão
d dDt
10 0.0045
t
8 0.003
2 dt
6 0.0015
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
© LNEC 2012
Tempo (s)

14. Ensaio de erosão por fuga concentrada
Tests - HET.xls
> Estimação dos parâmetros de erodibilidade, IHET e
ODL_HET008-CALC c
0.01
0.009
Ensaio 008 t kr
e t c
vs
0.008 =ker ( - c), com IHET= -log(ker)
0.007 Ker – Coeficiente de erosão
c – Tensão de corte crítica
0.006
(kg/m2/s)
0.005
. 0.004 Índice de
taxa de erosão
0.003
0.002 y= -0.00901 + 5.87 10-5 x
IH T
E lo kr
g e
0.001 c=153.5 N/m2
ker=5.87x10-5 s/m; IHET=4.24
0
75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350
© LNEC 2012 2
(N/m )

15. Ensaio de erosão por fuga concentrada
> Classificação da erodibilidade em função de IHET
Índice de taxa de Descrição da erosão
Grupo
erosão, IHET através de uma fuga
1 <2 Extremamente rápida
2 2–3 Muito rápida
3 3–4 Moderadamente rápida
4 4–5 Moderadamente lenta
5 5–6 Muito lenta
6 >6 Extremamente lenta
© LNEC 2012

16. Ensaio de erosão por fuga concentrada
> Resultado de IHET nasnas curvas de compactação
IHET representado curvas de compactação
21
Curva de saturação (Gs=2.8)
20.5 Energia de compactação
Leve
Pesada
20 "Reduzida"
Pesada (IHET>6)
[kN/m3]
"Reduzida" (IHET>6)
4.48
19.5
4.61
d
4.49
Peso volúmico seco,
19
4.39
18.5 4.24 4.70
Sr=100%
18 4.11 4.60
17.5 Sr=90%
Sr=70% Sr=80%
17
3.76
16.5
12 13 14 15 16 17 18 19
© LNEC 2012
Teor em água, w [%]

17. Ensaio de erosão por fuga concentrada
> Resultado de 2) representado) nas curvas de compactação
c (N/m c (N/m nas curvas de compactação
2
21
Curva de saturação (Gs=2.8) Energia de compactação
20.5 Leve
Pesada
"Reduzida"
20 Pesada (ND)
"Reduzida" (ND)
[kN/m3]
151.4
19.5 ND = Não foi possível determinar c,
228 dado que o furo não erodiu
d
Peso volúmico seco,
19 170
204.5
151.6 250.2
18.5
239.1 Sr=100%
18
178.3
17.5 Sr=90%
Sr=70% Sr=80%
17
143.2
16.5
12 13 14 15 16 17 18 19
© LNEC 2012
Teor em água, w [%]

18. Limitação da progressão da erosão
Influência de materiais a montante do núcleo
> Restrição do caudal
> Preenchimento do tubo de erosão
Assentamento sucessivo do
material com o arrastamento das Erosão tubular
partículas para o interior do tubo Poço Preenchhimento com material de montante
Filtro inexistente ou sem capacidade
de reter as partículas do núcleo
Partículas do material de
montante são retidas pelo filtro
Enrocamento Enrocamento
Núcleo
Material de
© LNEC 2012 montante

19. Limitação da progressão da erosão
Fonte: Steve Garner, BCHydro (2007)
WAC Bennett Dam | Canadá
Altura de aterro=186 m | Comprimento= 2 km
Produção de energia elétrica= 13 biliões kWh/ano
© LNEC 2012

20. Ensaio de limitação da progressão da erosão
Régua Piezometro Tanque de montante
2300
(mm) de montante 1250 mm a 2250 mm
2200
2100
Piezómetro
2000 da interface
Água proveniente de
tanque elevado
1900
1800
Piezómetro
de jusante
400
Medidor de caudal
Tanque de jusante 300 electromagnético
Furo
200 mm pré-formado
Purga Purga l/h
200
2 molas
concéntricas
100
50
Válvula de Válvula de
controlo controlo
Câmara Placa de
digital vidro acrílico
Câmara de Núcleo Material de
© LNEC 2012 jusante montante

21. Ensaio de limitação da progressão da erosão
> Etapas da assemblagem do equipamento
> Compactação/furação da amostra de ensaio
Núcleo
Material de
montante
Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3 Etapa 4
© LNEC 2012 Etapa 5 Etapa 6 Etapa 7

22. Ensaio de limitação da progressão da erosão
> Célula de ensaio
Material de Núcleo
montante
© LNEC 2012

23. GRANULOMETRIA DOS DIFERENTES TIPOS DE MATERIAIS A MONTANTE
SOIL GRADATION TYPES OF UPSTREAM ZONES
Ensaio de limitação da progressão da erosãoHydrometer Analysis
Materiais com finos plásticos
Material with non-plastic fines
U.S. Standard Sieve Sizes
3 3
#200 #100 #60 #40 #20 #10 #4 /8" /4" 1" 11/2"2" 0
100
Caracteristicas dos materiais a montante com finos não plásticos
de montante com finos com plasticidade
A Zona de elevada permeabilidade (cascalho limpo)
Tipo D - Material com <15% finos não plásticos
Tipo B- Material com curvaa 15% finos com plasticidade(internamente instável)
D2 - Material com 5% granulometrica descontinua
Percentagem acumulada passada em peso
Tipo E- Material oriundo da barragem denão plasticos, capazque suportar um canal 2"),
B1 - Material com 15% a 30% finos Odelouca (material de passa peneiro de
Percentagem acumulada retida em peso
80 capaz - Material oriundo da aberto
E1 de suportar um tubo Barragem de Ribeiro Grande e Arco (< 2") 20
E2 - Material E1 truncado ao peneiro (internamente instável)
B2 com curva descontinua 3/4"
Tipo F - Material com >30% finos não plásticos, capaz de suportar um canal
C - Material com >15% finos com plasticidade, capaz de suportar um tubo aberto
F -- Material B1 truncado ao peneiro 3/4"
C Material D1 truncado ao peneiro 3/8"
60 40
Curvas Granulométricas
Curvas Granulométricas
TipoTipo A
E1
TipoTipo B1
D2
TipoTtipo B2
E2
TipoTipo C
F
40 Material Base
Material base 60
Fronteira de 30%
20 80
Fronteira de 15% 15%
Fronteira de
Fronteira de 5%
0 100
0.001 0.002 0.005 0.01 0.020.03 0.05 0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 1 2 3 4 5 6 78 10 20 30 50 70 100
Tamanho das partículas (mm)
© LNEC 2012 Sand Gravel
Silt or Clay

24. Ensaio de limitação da progressão da erosão
> Resultados: Caudal e Pressão piezometrica vs Tempo restrição do caudal
Progressão da erosão sem
FLET F-01
1750 195
1700 Caudal 180
Caudal (l/h)
Pressão no piezometro a montante (cm)
1650 165
Df =20mm
Pressão no piezometro na interface (cm)
Pressão no piezometro ia jusante (cm) Df = 48mm
1600 150
Pressão piezometrica (cm)
1550 135
Caudal (l/h)
1500 120
1450 Núcleo Material de 105
montante
1400 90
1350 75
MONT
INT
1300 60
1250 45
1200 30
JUS
1150 15
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
© LNEC 2012 Tempo (min)

25. Ensaio de limitação da progressão da erosão
> Resultados: Restrição doFLET B1-02 a montante
Caudal e Pressão piezométrica vs Tempo
caudal
1700 180
Caudal (l/h)
Pressão piez Montante (cm)
1600 Pressão no piezómetro da interface (cm) 150
Pressão no piezometro de jusante (cm)
Df = 26mm Df = 12mm
Pressão piezométrica (cm)
MONT
1500 120
Água com baixa turvação no início
Caudal (l/h)
Água aclara ao fim de 50 minutos
1400 90
Caudal começa a estabilizar nos 1350 l/h
Caudal
Material de
1300
Núcleo 60
montante
1200 INT 30
JUS
1100 0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
© LNEC 2012 Tempo (min)

26. Ensaio de limitação da progressão da erosão
> Resultados: Caudal pressão piezometrica vs Tempo
Caudal para por completo
FLET E1-01a
1400 280
1200 240
INT
MONT
1000
Df = 14mm 200
Pressão piezometrica (cm)
Fecho da torneira do piezómetro intermédio
Caudal (l/h)
800 160
600 120
Material de
Reabertura da torneira do piezómetro
Núcleo Alívio da pressão por remoção de água no piezómetro
400 montante
Caudal (l/h)
80
Pressão no piezometro a montante (cm)
Pressão no piezometro na interface (cm)
Colmatação do furo Pressão no piezometro a jusante (cm)
200 40
JUS
0 Caudal 0
0 20 40 60 80 100 120 140
© LNEC 2012 Tempo (min)

27. Ensaio de limitação da progressão da erosão
> Resultados: Erosão Piezometer Pressure vs Time período tempo
Flow Rate and
diminui durante um
FLET F-03
2000 400
Provável bloqueio do furo a montante do piezometro INT
Caudal
Caudal (l/h)
Pressão piez MONT (cm)
Pressão piez INT (cm)
1500 Pressão piez JUS (cm) 300
Altura piezométrica (cm)
Provável colapso progressivo do furo no material a montante
Caudal (l/h)
1000 200
500 Formação de um novo caminho de erosão 100
MONT
JUS
INT
0 0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
© LNEC 2012 Tempo (min)

28. Conclusões
>O ensaio desenvolvido permite avaliar se existe
restrição do escoamento e se a erosão cessa ou
diminui devido à presença de um material de
montante do núcleo.
>A restrição do escoamento é influênciada por
algumas características do material de montante
(finos plásticos ou não plásticos, % finos,
% cascalho, forma da curva granulométrica, ...).
>As condições de compactação do material de
montante influênciam fortemente a capacidade de
restrição do escoamento e de limitação da erosão.
© LNEC 2012

29. PROGRESSÃO DA
EROSÃO INTERNA EM
BARRAGENS DE ATERRO
Ricardo Santos
ricardos@lnec.pt
Bolseiro de Doutoramento
Departamento de Geotecnia
Núcleo de barragens e obras de aterro
© LNEC 2012 © LNEC 2012