UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO CAMPUS DE SINOP FACULDADE DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL GEOTECNIA III

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO CAMPUS DE SINOP FACULDADE DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL GEOTECNIA III Aula 08 Barragens Elementos de uma barragem Eng. Civil Augusto Romanini (FACET Sinop) Sinop - MT 2016/1

2 INTRODUÇÃO ELEMENTOS DE UMA BARRAGEM TRATAMENTO DE FUNDAÇÕES DIMENSIONAMENTO DOS FILTROS 01/04/2016 Barragens 2

3 INTRODUÇÃO Em vistas dos inúmeros fatores que devem ser considerados na elaboração do projeto de uma barragem de terra ou de enrocamento, ainda que se utiliza a mesma metodologia de trabalho, dificilmente a seção transversal do projeto final de uma barragem será repetido para outras barragens. Para a seleção de uma seção transversal, devem ser analisadas, técnica e economicamente, diversas alternativas, em processo iterativo, partindo de dimensões conservativas, ditadas pela experiência em obras e condições semelhantes a do projeto atual. Se preciso copie a boa experiência de alguém 01/04/2016 Barragens 3

4 ELEMENTOS DE UMA BARRAGEM Crista Taludes Núcleo da barragem Vertedouro e monges Fonte: Gaioto,2003 Borda Livre Elementos de Proteção 01/04/2016 Barragens 4

5 ELEMENTOS Crista A crista é o elemento de acesso à barragem, localizado no topo do barramento. A largura da crista é determinada pela necessidade de trafego, em pequenas barragens espera-se que adote uma crista com largura em torno de 3 metros. No entanto em barragens maiores é recomendada uma crista variando de 6 a 12 metros. Altura da barragem Utilização Esta altura pode ser calculado a partir de um nível máximo e ainda é acrescido um valor de bordo livre. Fonte: Google imagens, 2015 L = Z /04/2016 Barragens 5

6 ELEMENTOS Borda Livre Um reservatório com água e a força dos ventos podem ocasionar o surgimento de ondas que afetarão as margens do reservatório e principalmente a barragem. A construção da barragem deve prever esta diferença entre o nível máximo do reservatório e a crista da barragem, para que estas ondas não ultrapassem o barramento NUNCA MENOR QUE 0,50 M Valor decorrente do vento 01/04/2016 Barragens 6

7 ELEMENTOS Borda Livre Como se trata de um elemento de segurança do empreendimento, estima-se que a borda livre seja no mínimo igual à altura da onda máxima, somando 50% para compensar a corrida sobre o talude, e ainda é claro, um fator de segurança que varia de 0,6 a 3 metros, dependendo da importância da barragem. Para efetuar os cálculos existem ábacos, como o desenvolvido pelo U.S Bureau of Reclamation: F = x i cosα/ cosα A equação 1 permite calcular o fetch efetivo, onde temos α sendo igual ao ângulo entre a direção considerada e a direção principal do vento e x i é a extensão do reservatório na direção α. Os valores de α são tomados a cada 3º, até 45º, em ambos os lados da direção principal. Pode ser traduzido como alcance no caso alcance efetivo 01/04/2016 Barragens 7

8 ELEMENTOS Taludes As inclinações abaixo são utilizadas como valores iniciais para o desenvolvimento do projeto Barragem de Terra 1:2 Barragem de Enrocamento com Núcleo de Terra 1:1,5 até 1:2 Barragem de Enrocamento com Face de Concreto 1:1,13 até 1:1,5 Os materiais de construção, a geometria interna, as características da fundação e as condições de construção e operação influenciarão na escolha da inclinação dos taludes. 01/04/2016 Barragens 8

9 ELEMENTOS Núcleo Este elemento da barragem tem como função principal possibilitar a estanqueidade do barramento, uma vez que estamos armazenando água. Existem duas maneiras de construírem a seção interna, uma se da quando os materiais de empréstimos possuem características distintas, e utiliza-se o material menos permeável para construção do núcleo. 01/04/2016 Barragens 9

10 ELEMENTOS A espessura do núcleo é adotada por fatores como: Perda de água admissível através do maciço Condições construtivas Disponibilidade de materiais Sistema de drenagem interna projetado Projetos semelhantes Núcleo Sherard et al(1976, citado em Gaioto,2003) sugerem os seguintes critérios para o projeto de núcleo das barragens de enrocamento: Espessuras de 30 a 50% da altura da agua do reservatório tem-se mostrado satisfatórias, sob diversas condições; Espessuras de 15 a 20% correspondem a núcleos delgados e requerem filtros adequadamente projetados e construídos. Espessuras menores que 10% não são amplamente utilizadas; somente podem ser adotadas em circunstancias em que grandes fugas de água através do núcleo não conduzam a ruptura da barragem. 01/04/2016 Barragens 10

11 ELEMENTOS Rip - Rap Elementos de proteção Bermas de equilíbrio 01/04/2016 Barragens 11

12 ELEMENTOS Vertedouros e monges 01/04/2016 Barragens 12

13 ELEMENTOS Vertedouros e monges 01/04/2016 Barragens 13

14 ELEMENTOS Filtros e tratamentos de fundações! 01/04/2016 Barragens 14

15 Tratamento de fundações O primeiro tratamento da fundação já é definido quando o eixo da barragem e consequentemente seu maciço são locados, quando não há alternativas, em um local que o material da fundação é pouco resistente e de elevada compressibilidade Existem diversas formas de tratamento, no entanto algumas já entraram em desuso como é o caso da cortina de estaca-prancha, outras no entanto tendem a evoluir como foi o caso dos diafragmas e outras continuam com seu método tradicional como é o caso da trincheira de vedação e o tapete impermeável a montante. Outras não são muito comuns, no entanto podem ser tidas como alternativas, como é o caso dos poços de alivio ou dos filtros invertidos. 01/04/2016 Barragens 15

16 Tratamento de fundações Trincheira de Vedação Massad (2011) define a trincheira de vedação como uma escavação, feita no solo de fundação, que é preenchida como solo compactado. É como se o aterro da barragem prolongasse para baixo, nas fundações. 01/04/2016 Barragens 16

17 Tratamento de fundações Trincheira de Vedação As barragens de aterro construídas com a utilização de núcleo de terra, o tratamento da fundação inicia-se com a remoção de materiais permeáveis, exclusivamente os locados na região do núcleo. Essa operação de retirada de material e substituição por uma aterro compactado nas mesmas condições do núcleo, criando uma camada de solo denominada trincheira de vedação ou cut-off. 01/04/2016 Barragens 17

18 Tratamento de fundações Cortina de injeção A cortina de injeção em maciços rochosos é constituída na maioria das vezes é formado através de uma ou mais linhas de furos, executadas no maciço rochoso, por meio de equipamentos de perfuração e posteriormente preenchido com material vedante, normalmente calda de cimento. O processo de injeção é feito com base nas investigações geológicas do maciço obtidas na fase de investigação 01/04/2016 Barragens 18

19 Tratamento de fundações Cortina de injeção Este processo de tratamento quando executado de maneira incorreta pode causar mais faturamentos ao maciço da fundação, devido a pressões excessivas dos líquidos. A utilização de cortina de injeção também ocorre em aluviões permeáveis, utilizando varias linhas de furos, porém para o calculo das pressões de injeção, os valores são obtidos através do calculo de quantidade de injeção por metro cúbico de solo, devido o solo possuir uma granulometria especifica e determinada porosidade O uso desta técnica possui algumas dificuldades, como por exemplo, a dificuldade se manter o furo de injeção aberto, diferente dos maciços rochosos que usam obturadores, o furo em aluvião necessita de outra técnica de revestimento. 01/04/2016 Barragens 19

20 Tratamento de fundações Parede diafragma O método de execução do diafragma é o mesmo utilizado para escavação profunda, não ocorrendo rebaixamento do lençol freático. Sabendo que a utilização de materiais que tenham maior rigidez na fundação, podendo assim originar concentrações de tensões na zona do aterro, devido a recalques diferencias entre o diafragma e a fundação, para evitar tal situação observa-se que a utilização do diafragma plástico será mais eficiente. Existem duas formas de construção uma utilizando painéis alternados ou colocando os diafragmas em como se fossem estacas justapostas, tal configuração é dependentedo tipo de solo da fundação. 01/04/2016 Barragens 20

21 Tratamento de fundações Tapete impermeável Os tapetes impermeáveis a montante são uma excelente escolha, esta estrutura visa a impermeabilização ou controle da percolação da água através da fundação construindo esta camada de material que é conectada ao núcleo impermeável da barragem, além de um sistema de drenagem a jusante. 01/04/2016 Barragens 21

22 Sistema de drenagem Os tipos de filtros são definidos através de sua posição, no caso os filtros verticais ou filtros em chaminé, e também os filtros ( drenos) horizontais ou tapetes drenante, que formam o sistema vital de drenagem de uma barragem. Existem também o que pode ser denominado como estruturas auxiliares conhecidas como dreno de pé e poços de alivio. FILTROS 01/04/2016 Barragens 22

23 Sistema de drenagem Filtro em chaminé ou Dreno vertical FILTROS O filtro chaminé, possibilita uma maior estabilidade do talude a jusante, o que consequentemente possibilita numa inclinação superior, reduzindo o volume de aterro. Para construção é preferível que seja construído na posição vertical, para facilitar sua locação topográfica e a construção, junto as sucessivas camadas de aterro do maciço da barragem. 01/04/2016 Barragens 23

24 Sistema de drenagem Tapete Drenante ou dreno horizontal FILTROS O tapete drenante, é uma estrutura auxiliar de drenagem, este instrumento serve como defesa adicional ao filtro chaminé, uma vez que é esta estrutura que encaminha a água coleta no filtro chaminé para o pé da barragem. 01/04/2016 Barragens 24

25 Sistema de drenagem FILTROS Dreno de pé O dreno de pé, assim como o tapete drenante, é uma estrutura auxiliar de drenagem, ele coleta a água percolada pelo filtro chaminé e o tapete drenante, este dreno se extende de maneira longitudinal pelo pé a jusante da barragem, dessa forma também surge sua denominação. O dreno de pé reúne toda água captada pelo sistema de drenagem interna, pode-se visualizar a tubulação no corte esquemático da figura 8.4, para lança-la no curso do rio novamente. Ocorrem duas configurações típicas de dreno de pé, a primeira quando há agua represada após o barramento ou quando esta situação não ocorre Quando não existe represamento a jusante, o escoamento de água coletada através do dreno de pé é realizado por meio de um sistema de tubulações conforme as variações topográficas, quando ocorre a outra situação o dreno é incorporado a uma seção de enrocamento fazendo com que a água retorne a curso do rio. 01/04/2016 Barragens 25

26 Sistema de drenagem FILTROS Dreno de pé 01/04/2016 Barragens 26

27 Dimensionamento dos filtros Os procedimentos tomados por Massad (2011) para dimensionamento dos filtros são os seguintes: a) determina-se a quantidade de água,vazão, a ser captada pelos filtros, com base no traçado de rede de fluxo, o que é relativamente fácil, e em estimativas dos coeficientes de permeabilidade do maciço compactado e dos maciços da fundação; b) em função dos materiais granulares disponíveis, fixam-se os valores para os coeficientes de permeabilidade dos filtros e calculam-se as espessuras, com base na Lei de Darcy, ou na equação de Dupuit; c) verifica-se os matérias dos filtros e solos que os envolvem satisfazem o Critério de Filtro de Terzaghi, para se ter uma garantia segura contra o piping. 01/04/2016 Barragens 27

28 Dimensionamento dos filtros O Critério de Filtro de Terzaghi proposto em 1922, baseado em sua experiência profissional estabeleceu relações entre os diâmetros d 15 e d 85 do material da base, com o diâmetro D 15, do material de filtro, expresso por duas inequações, que são denominadas, de relação de permeabilidade. D 15 d15 >4 a 5 D 15 d85 >4 a 5 Sherard et al ( apud GAIOTO, 2003) citam outras regras comumente utilizadas: - a curva granulométrica do filtro deve apresentar, aproximadamente, a mesma forma da curva do solo protegido. - quando o solo for protegido conter uma grande porcentagem de pedregulhos, o filtro dever ser projetado com base na curva granulométrica da porção do material que é mais fino que a peneira com abertura de 25,4 mm 01/04/2016 Barragens 28

29 Dimensionamento dos filtros Determinação da largura dos filtros O traçado de uma rede de fluxo pode auxiliar na determinação da largura B dos filtros de barragem, porém devido a existência de pequenas espessuras e as diferentes constantes de permeabilidade, traçado utilizando este método pode se tornar trabalhoso. Massad (2003) recomenda a utilização de métodos aproximados para determinação dos filtros horizontais e verticais, porém também devem ser feitas duas observações importantes: 1) ao aplicar as expressões que serão apresentadas, devem ser utilizados coeficientes de segurança altos, na casa de 10, pois os cálculos envolvem coeficientes de permeabilidades, que são difíceis de estimar nos problemas práticos, principalmente em relação ao solos naturais. 2) o filtro vertical trabalha com seu gradiente hidráulico na casa de 1, o filtro horizontal faz com que os gradientes sejam quase nulos, da ordem de B/L. Como a vazão é diretamente proporcional ao gradiente, para ter a capacidade de descarga, o filtro horizontal deve trabalhar com valores de permeabilidade altos, e assim deve se utilizar a técnica já citada, denominada filtro sanduiche. 01/04/2016 Barragens 29

30 Dimensionamento dos filtros Determinação da largura dos filtros Largura de Filtros verticais Para os filtros verticais, o fluxo é praticamente vertical, dessa forma assume-se o gradiente( i ) igual a 1, e lei de Darcy e sabendo que Q é a vazão absorvida pelo e filtro k fv é o seu coeficiente de permeabilidade, e A representa a área, no caso (i B), temos: Q = k fv i A Q = k fv 1 B 1 Q = k fv B Sabendo que B é a largura do filtro, e que o gradiente (i) é um, que determina a largura do filtro vertical: B = Q k fv 01/04/2016 Barragens 30

31 Dimensionamento dos filtros Determinação da largura dos filtros A segunda hipótese superestima a espessura do filtro, com base na equação de Dupuit (MASSAD, 2003).Assim, o filtro horizontal trabalha livremente, e os parâmetros utilizados continuam os mesmo. Q = k (h 1 2 k 2 2 ) 2 L Como h 1 e h 2, serão iguais, adotamos H f 2 : ( Equação de Dupuit) Q = k H f 2 2 L Dessa forma o valor de H é obtido pela manipulação das formulas, obtém-se a equação, que determina a largura do filtro horizontal: H f = 2 Q L k f 01/04/2016 Barragens 31

32 Dimensionamento dos filtros Determinação da largura dos filtros Largura de Filtros Horizontais Para determinar a largura dos filtros horizontais em barragens de terra, existem duas hipóteses simplificadas, onde em uma a espessura é subestimada e em outra a espessura é superestimada. Para os filtros horizontais os parâmetros envolvidos são a vazão de água percolada Q, a largura L e a espessura denominada como H f. A hipótese que subestima a espessura, admiti que o filtro trabalhe em carga, utilizando toda a sua seção para o fluxo da água, subestimando o Hf, aplicando a Lei de Darcy obtém-se: Q = k f H F L H f H f 2 Q = k f L H 2 Q L f = k f H f = Q L k f 01/04/2016 Barragens 32

33 REFERÊNCIAS HACHICH, W. ET AL (ED.). FUNDAÇÕES, TEORIA E PRÁTICA. SÃO PAULO: PINI, 751P, MASSAD, F. Escavações a céu aberto em solos tropicais. São Paulo, SP. Oficina de textos, 96p,2005. MASSAD, F. Obras de terra Curso básico de geotecnia. São Paulo, SP. Oficina de textos, 215p,2010 GERSCOVICH, D.M.S. Fluxo em solos saturados. Rio de Janeiro, RJ. Departamento de Estrutura e fundações.faculdade de Engenharia. Notas de Aula.169p, GAIOTO. N. Introdução ao projeto de barragens de terra e de enrocamento. São Carlos, SP. EESC-USP. 126p /04/2016 Fluxo no Solo 33

34 Obrigado pela atenção. Perguntas? 01/04/2016 Barragens 34