Unidade 05 - BARRAGENS DE TERRA E ENROCAMENTO

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1 Unidade 05 - BARRAGENS DE TERRA E ENROCAMENTO INTRODUÇÃO 5.1- Definição e objetivos Barragem pode ser definida como sendo um elemento estrutural, construída transversalmente à direção de escoamento de um curso d água, destinada a criação de um reservatório artificial de acumulação de água. Os objetivos que regem a construção de uma barragem são vários e os principais se resumem em : a) aproveitamento hidrelétrico b) regularização das vazões deo curso d água para fins de navegação c) abastecimento doméstico e industrial de água d) controle de inundações e) irrigação Os objetivos acima citados poderão ser explorados individualmente ou em conjunto. Se, por exemplo, uma baragem é implantada com a finalidade imediata de obtenção de energia elétrica, outras atividades ditas secundárias poderam ser também desenvolvidas correlatamente. Assim é que os aspectos como recreação, piscicultura, saneamento, etc., são comumente desenvolvidos. Um exemplo característico pode ser a barragem de Barra Bonita no Rio Tiête ( Estado de São Paulo ), cujos objetivos principais foram a obtenção de energia elétrica ( potência de kw ) e a regularização do rio para fins de navegação. O projeto sugere também uma reserva de vazão média diária de 4m 3 /seg.,para fins de irrigação de áreas circunvizinhas. Posteriormente foi desenvolvido também o turismo, através da recreação em certas áreas do reservatório, e se resume na prática dos esportes aquáticos, com a implantação de clubes de campo e hotéis neste locais Elementos de uma barragem As definições expostas a seguir tem a finalidade apenas de orientar e alxiliar a compreenção da importância da geologia, nos trabalhos de construção de barragens. 1

2 Outros elementos encontrados no conjunto de obras que compõem uma barragem são: a) ensecadeira - destinada a desviar as águas do leito do rio, total ou parcialmente, com o objetivo de permitir o tratamento das fundações nessas áreas e, às vezes, nas áreas das planícies de inundação, possibilitando a comstrução em seco dso diques de terras ou estrutura de concreto. As ensecadeiras mais comuns são aquelas construídas com terras e blocos de rocha. Em alguns casos, é necessária a utilização de chapas metálicas ou diafragmas impermeáveis. b) túneis de desvio - possuem a mesma finalidade das ensecadeiras, sendo porém, construídos em cursos d água com vales íngremes, e quando possível, nos locais onde existam curvas. Em muitos casos, o túnel de desvio é usado posteiormente como túnel de adução, para transportar as águas do reservatório para a casa das máquinas. c) vertedouro - seu objetivo é funcionar como um dispositvo de segurança, quando a vazão do curso d água assumir valores que tornem a estabilidade da baragem perigosa, ou impedir que o nível máximo estabelecido para a barragem cause prejuísos às propiedades agrícolas ou industrias a jusante da barragem. A capacidade do vertor é calculada para permitir o escoamento máximo ( enchente catastrófica ), que poderia ocorrer na secção da barragem. d) tomada d água - representa o conjunto de obras que permite a retirada, do resevatório, da água a ser utilizada, seja para a obtenção de energia ou para outros fins. O tipo de tomada d água varia com o tipo de barragem. Assim, as barrragens de concreto, a tomada d água consiste geralmemte em um conduto que pode se desenvolver através do maciço da barragem ou em sua proximidade, enquanto na barrragem de terra, aparece nas ombreiras do resevatório. 5.3 Tipos de barragens 2

3 As barragens podem ser classificadas em diferentes tipos, de acordo com o seu objetivo, seu projeto hidráulico e os tipos de materiais empregados na sua construção. Com relação a este aspecto, as barragens podem ser classificadas em: 1. Concreto a) Gravidade b) Arco 2. Terra 3. Enrocamento VISTA DE UMA BARRAGEM DE TERRA EM QUE SÃO IDENTIFICADOS OS PRINCIPAIS ELEMENTOS GEOMÉTRICOS DENTRE ELES ESTRUTURAS DE CONCRETO Barragens de Concreto Uma das mais antigas barragens de concreto foi construída no Egito, em torno do ano A.C., sendo a relação largura da base x altura estimada em 4:1. Hoje em dia, tem sido possível a construção de barragens imensas, como a Hoover Dam nos Estados Unidos, com 221 metros de altura, sendo a relação da largura da base para a altura, considerável, ou seja, menos de 1:1. - Barragens de Concreto - Gravidade É o tipo de barragem mais resistente e de menor custo de manutenção. Este tipo pode ser adaptado para todos os locais, mas a sua altura é limitada pela resistência das fundações. Quando são constituídas de material de aluvião incoerente, a altura dessas barragens tem sido limitada a 20m. No caso da fundação ser de rocha sã, porém situada a considerável profundidade da superfície do terreno, é mais adequado e econômico construirse uma barragem de terra, porque a mesma não necessita repousar sobre fundação em rocha e assim avita-se uma quantidade de escavação. Comparadas com as barragens de terra ou de enrocamento, as de concreto tipo gravidade são de maior custo. 3

4 - Barragens de concreto - Arcos São mais raras, uma vez que o comprimento dessas barragens deve ser pequeno em relação à sua altura, o que exige a presença, nas encostas do vale, de material rochoso adequado e de grande resistência, capaz de suportar os esforços a elas transmitidos. Essas barragens são mais comuns na Europa, onde os vales são profundos e fechados. A fotografia ilustra um exemplo de barragem (de concreto) com finalidade de geração de energia elétrica no Rio Paraibuna, próximo à Juiz de Fora, conhecido como Usina Quatro. Local que aproveita a ocorrência de um grande desnível no curso do rio. Abaixo da fotografia vêse o barramento de concreto, ao centro o canal que conduz água a dois dutos forçados que chegam a casa de força para a produção de energia Barragens de Terra Desde os tempos antigos, barragens de terra foram construídas com a finalidade de armazenar água para irrigação, sendo algumas das estruturas de tamanho considerável, como por exemplo, uma construída no Ceilão no ano 504 A.C., que possuía 17 quilômetros de comprimento, 21 metros de altura e contendo cerca de 15 milhões de metros cúbicos de material. Antigamente todas as barragens de terra eram projetadas por métodos empíricos e a literatura de engenharia está repleta de registros de ruptura e acidentes dessas barragens. Somente a partir de 1.907, surgiram os primeiros procedimentos racionais para projeto dessas obras. Atualmente tais procedimentos permitem a construção de barragens de terra com mais de 150 m de altura. No Estado de São Paulo, a barragem de Xavantes no Rio Paranapanema, atinge 90 m de altura. As barragens de terra são as mais elementares obras de barragens e normalmente se prestam para qualquer tipo de fundação, desde a rocha compacta, até terrenos construídos de materiais incosolidados. Esses últimos, aliás, são seu campo típico de 4

5 aplicação. Existe uma certa variabilidade no tipo de barragem de terra, que poderá ser homogêneo ou zonado. a) Homogêneo - é aquele composto de uma única espécie de material, excluindo-se a proteção dos taludes. Nesse caso, o material necessita ser suficientemente impermeável, para formar uma barreira adequada contra a água, e os taludes precisam ser relativamente suaves, para uma estabilidade adequada. b) Zonado - esse tipo é representado por um núcleo central impermeável, envolvido por zonas de materiais consideravelmente mais permeáveis, zonas essas que suportam e protegem o núcleo. As zonas permeáveis consistem de areia, cascalho ou fragmentos de rocha, ou uma mistura desses materiais Barragens de Enrocamento Esse tipo de barragem é aquele em que são utilizados blocos de rocha de tamanho variável e uma membrana impermeável na face de montante. O custo para a produção de grandes quantidades de rocha, para a construção desse tipo de barragem, somente é econômico em áreas onde o custo do concreto fosse elevado ou onde ocorresse escassez de materiais terrosos e houvesse, ainda, excesso de rocha dura e resistente. Devemos lembrar que a rocha de fundação adequada para uma barragem de enrocamento pode não ser aceitável para uma de concreto. A rocha que deve preencher a maior parte da barragem precisa ser inalterada pelo intemperismo, não sendo facilmente desintegrada ou quebrada. Rochas que, quando sujeitas à ação de explosivos, fragmentam-se facilmente em pedaços muito pequenos, com elevada porcentagem de lascas e pó, são igualmente inadequadas. As rochas para essas barragens, devendo ter resistência ao intemperismo físico e químico, gnaisse, diabásio, etc. Os blocos de rocha são colocados de modo a se obter o maior contato entre suas superfícies e os vazios entre elas, que são preenchidos por material de menor tamanho. - Exemplo de Barragem de Terra construida Um exemplo de Barragem de Terra associada a uma de enroncamento citamos: A barragem de Passo Severino, situa-se na bacia hidrológica do rio Santa Lucia, 70Km ao norte da cidade de Montevideo, Uruguai,. Destina-se a formar um reservatório de acumulação de águas no rio Santa Lucia e mater uma vazão mínima regulada em 8m 3 /s, a jusante, onde está instalada a toma da de água para abastecimento da cidade de Montevideo e municípios vizinhos. A obra de barramento consta de uma estrutura vertedora em concreto, com comprimento de 71,2m implantada no leito natural do rio, uma tomada d água na sua extremidade direita, dois maciços de solo e rocha compactados, sendo um de cada lado da estrutura vertedora e uma estrutura complementar para extravasamento de grades enchentes (Sangradouro), situada numa sela topográfica da margem direita. O comprimento total das obras de barramento é de 2.300m e sua altura máxima é de 28m. A Figura 1 mostra a localização geral da obra e as seções típicas de cada uma das estruturas componentes. 5

6 SEÇÃO TÍPICA DO VERTEDOURO 6

7 LEGENDA 1- Argila 2- Saprolito 3- Areia 4a- Pedra Britada Fina 4b- Pedra Britada Grossa 5- Enrocamento ( máx. = 0,60) 5a- Enrocamento Fino ( máx =0,30) 6- Enrocamento Selecinado (Riprap) Seleção do Tipo de Barragem A escolha do tipo mais adequado de barragem, para um determinado local de um curso d água, depende dos seguintes aspectos: 1) Segurança da Obra - ligada às características inerentes do próprio local: condições geológicas, configuração do vale e dimensões da obra. 2) Custo da obra - em função do preço e disponibilidade do material. A ausência, por exemplo, de rocha resistente do tipo granito,gnaisse, basalto ou diabásio, para ser usada como agregado para concreto, rip-rap ou enrocamento, ou de cascalho, para os mesmos fins, pode causar alterações profundas no custo da obra. Além desse critérios, deve ser considerada uma série de fatores físicos que governam a seleção do tipo de barragem. A não ser em condições excepcionais, mesmo o mais experimentado projetista é incapaz de dizer se um determinado tipo de barragem é adequado ou mais econômico para um dado local. Na seleção do melhor tipo de barragem para um determinado local, devem ser consideradas as características físicas do local, o objetivo da obra, fatores econômicos, de segurança, etc. Normalmente, o maior fator individual que determina a escolha final é o custo da construção. Os fatores físicos, expostos a seguir, são também importantes. 7

8 Topografia À primeira vista, a topografia determina as primeiras alternativas para o tipo de barragem. É claro que, se o local estudado estiver localizado num vale estreito com paredes rochasas, a sugestão será de uma barragem de concreto. É o caso da barragem do Funil, no Rio Paraíba. Porém, em áreas de topografia aplainada e vales bastante abertos, indica-se normalmente a barragem de terra. É o exemplo das barragens de Jupiá e Ilha Solteira, no Rio Paraná ou de Promissão, no Rio Tietê. Existem, é claro, os casos intermediários Geologia e Condições das Fundações As condições das fundações dependem da espessura e características físicas, químicas e minerológicas da rocha, que suportará o peso da barragem. Aquelas características incluem a permeabilidade, a presença ou não de determinadas estruturas, como acamamento, xistosidade, dobras, fraturas, etc. As condições estão diretamente ligadas com a altura da barragem, isto é, as considerações diferem para uma barragem baixa e uma alta. Normalmente, são encontradas as seguintes condições de fundações: 1) - Rocha Sã e Sólida - normalmente aceita qualquer tipo de barragem. Inclui, via de regra, a escavação da camada superficial quando alterada (mesmo sendo rocha) e tratamento eventual por injeção, para consolidação. 2) - Sedimentos (Aluviões) - incluem os cascalhos, areias, siltes e argilas. Os cascalhos estão sujeitos à intensa percolação, os siltes e as areias ocasionam recalques e percolação, e as argilas sofrem recalques, principalmente quando saturadas de água. Dependendo do tipo de barragem, da sua altura e com aplicação de tratamentos adequados, qualquer desses materiais poderá ser utilizado Materiais de Construção Os materiais necessários para a construção de uma barragem são vários e devem estar localizados o mais próximo possível do local da barragem. Esses materiais são os seguintes: a) solos, para os diques de terra. b) rocha, para do diques de enrocamento e proteção dos taludes. c) agregado, para concreto, que inclui areia, cascalho natural e pedra britada. d) areia, para filtros e concretos Fases Gerais no Estudo de Barragens A implantação de uma barragem em determinado curso d água envolve sempre uma sequencia natural de trabalho. Toda obra de vulto agrupa diferentes turmas especializadas de técnicos, com a finalidade de seguirem, à medida do possível, os seguintes ítens: Levantamento Topográfico Analisa as características geográficas e topográficas do curso a ser estudado. A função desse levantamento é a de preparar plantas topográficas que permitam verificar as secções transversais mais favoráveis para uma barragem, calcular a área de inundação das secções escolhidas e obter o perfil longitudinal do curso d água. 8

9 O método mais moderno para a obtenção de mapas topográficos é o uso da aerofotogrametria, com o levantamento de mapas por meio de fotografias aéreas e de pontos de controle altimétrico de campo Dados Hidrológicos Um grupo de técnicos especializados se encarrega de definir as características hidrológicas da bacia hidrográfica do curso d água estudado. Trata da obtenção direta de valores de vazão através de leituras diárias, que permitem calcular as vazões médias, diárias, mensais e anuais. Lembrando que a potência de uma barragem é função da vazão do curso na secção da barragem e do seu desnível, pode-se perceber a importância dos cálculos de vazão. Alguns exemplos típicos de vazões médias são fornecidos pelo Rio Sapucaí Paulista que, no período de 1931 a 1962, apresentou nas suas cabeceiras (São Joaquim da Barra), para uma bacia de Km 2, uma vazão média de 67 m 3 /seg. Na sua parte baixa (São Domingos), a bacia desse rio abrange uma área de Km 2, e a vazão passa para 100 m 3 /seg. O Rio Pardo, messe mesmo período ( ), apresentou vazão média nas cabeceiras (São José do Rio Pardo) de 83 m 3 por segundo, para uma bacia de Km 2. Na parte média (portanto, sem receber ainda seu afluente Mogi-Guaçu) e nas proximidades de Ribeirão Preto, para uma bacia de Km 2, a vazão é 161 m 3 /seg, e na sua parte baixa (São Bartolomeu, Viradouro), a vazão passa a 420 m 3 /seg. No Rio Tietê, para o qual uma série de aproveitamentos hidrelétricos estão sendo desenvolvidos, podemos considerar como vazões média as seguintes: Mapeamento e Estudo Geológico Este assunto já foi visto na unidade 01 deste curso de Tópicos em Geotecnia e Obras de Terra quando estudamos conceitos de Geologia Aplicada à Engenharia. Os trabalhos de geologia, realizados numa área onde se pretente implantar uma barragem, se apóiam no desenvolvimento de ítens fundamentais: 1) - Mapemamento geológico da área 2) - Estudo da rocha de fundação 3) - Estudo dos materiais de construção Para o esclarecimento desses três ítens, é normal a separação dos trabalhos geológicos em duas etapas distintas, que se resumem nos trabalhos preliminares e nos de detalhe. No primeiro caso, os trabalhos são de caráter apenas estimativo, uma vez que a geologia da área, o tipo da rocha de fundação e os materiais de construção disponíveis são determinados com a finalidade de reconhecimento apenas. Os dados colhidos nos trabalhos preliminares, e no caso dos mesmos serem favoráveis para a localização de uma barragem, irão servir apenas de base para os trabalhos de detalhe Planejamento 9

10 As informações obtidas nos ítens anteriores pelo levantamento topográfico (perfil longitudinal do rio, secção transversal, área a ser inundada), pela hidrologia (vazão do curso nas alternativas propostas), pelo mapeamento geológico (mapa dos tipos de rochas e solos existentes na área, tipo da rocha de fundação, estudo dos materiais de construção, etc.), irão permitir aos projetistas do setor de planejamento escolherem o tipo de barragem mais adequado e suas dimensões Orçamento Este grupo analisa posteriormente os projetos propostos pelo grupo de planejamento. Estimando a quantidade e respectivo preço dos materiais de construção a serem utilizados na obra, as escavações de terra e rocha a serem utilizadas, as indenizações das propriedades e terras a serem inundadas, etc., é possível calcular-se o preço do kw a ser obtido e em função do seu valor, escolher e aprovar, ou não, os projetos sugeridos Exemplo de Barragens Brasileiras Em seguida, são dados alguns exemplos de situações geológicas e características de algumas barragens brasileiras. a) Barragem de Barra Bonita, no Rio Tietê, Estado de São Paulo É uma barragem de concreto, com uma potência de 132 MW. Sua altura máxima é de 24 m, sua extensão de 483 m e o volume de concreto foi de m 3. A geologia local é constituída por derrames de basalto, aparecendo o tipo maciço e o vesicular. Entre eles, apareceram camadas de arenito. O fraturamento dos basaltos exigiu trabalhos intensos de injeção nas fundações. O desenho a seguir esquematiza a barragem e a geologia local. RRAGEM DE CAPIVARA, RIO PARANAPANEMA. ESTADO DE SÃO PAULO - EM DERRAMES DE BASALTO Gerais b) Barragem de Jaguará, no Rio Grande, na divisa dos Estados de São Paulo e Minas Geologicamente, a barragem está localizada em quartzitos putos silicificados, com camadas de xistos intercaladas. A barragem apresentou interessante problema geológico. Dada a grande vazão do rio, foram executadas, na fase preliminar, somente duas sondagens no seu leito. Na fase de detalhe, as sondagens confirmaram a presença de uma camada de xisto decomposto de pequena resistência. Esse fato exigiu o deslocamento das estruturas de concreto para 50 m a jusante; a fim de reduzir os custos de escavação da rocha decomposta. Nas margens do rio, a decomposição da rocha varia de 10 m a 15 m. No leito do rio, a rocha está bastante fraturada. 10

11 A camada decomposta no local das estruturas citadas mergulhava cerca de 150 em direção à margem esquerda. O esquema a seguir resume a posição da camada em relação às condições geológicas. A camada de xisto não oferecia condições de fundação para as estruturas de concreto. Porém, a sua remoção total e a do quartzito subjacente exigiram um volume extra de escavação e concreto. A solução foi deslocar o eixo da barragem em 50 m na área da tomada d água e da casa de força. Conclusões: o exemplo descrito mostrou os seguintes aspectos importantes para qualquer estudo geológico de barragens: 1. o número insuficiente de sondagens na fase preliminar. 2. a importância do estudo geológico e, no caso; de se encontrar rocha desfavorável no local de fundação. 3. o grau de fraturamento excessivo da rocha exigiu grandes trabalhos de injeções. c) Barragem de Sobragi, no Rio Paraibuna, próximo à Juiz de Fora - MG. A usina hidroelétrica de Sobragi, está localizada no Rio Paraibuna, entre os municípios de Belmiro Braga e Simão Pereira, próximo a Juiz de Fora. Este empreendimento, iniciado em março de 1996, pela empresa de Engenharia Paranapanema para a Companhia Paraibuna de Metais - CPM - e tem como objetivo a geração de Energia Elétrica no sentido de diminuir os insumos (custos) da empresa na fabricação de seus produtos. Exemplo de Usina em que há aproveitamento de grande desnível entre dois pontos próximos, sendo executado um túnel ( escavado ) de adução sob a encosta natural (terreno). Barragens foram também necessárias no caso para fechamento próximo a tomada d água e no de fechamento de 8,7m de altura na casa de força. 11

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13 Tópicos em Geotecnia e Obras de Terra

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15 Tópicos em Geotecnia e Obras de Terra Dimensionamento de taludes de uma Barragem de Terra Análise de Estabilidade O projeto do maciço compactado de uma barragem é principalmente controlado pelas características dos materiais de contrução disponíveis, pela natureza das fundações, pelos métodos construtivos especificados e pelo grau de controle de construção previsto.pelas considerações relativas aos custos dos materiais de contrução, há um máximo interesse de se utilizar os solos disponíveis nas proximidades imediatas do local de implantação da barragem; em função da qualidade e das propriedades destes solos no estado compactado, deve-se dimensionar as declividades dos taludes em termos econômicos e seguros, o que reverterá em benefícios substâncias, principalmente quando se trata de barragem de grande altura; para atingir tais objeivos, será necesssário programar cuidadosamente análises de estabailidade adequadas, as quais exigem estudos prévios detalhados bem como a fixação de critérios de projeto compatíveis com as caracteristicas da obra. Em termos gerais, pode-se afirmar que é possível contruir uma barragem de terra sobre quase todos os tipos de fundações; desde que ela sejam adequadamente investigadas e desde que o projeto se adapte convenientemente às condições relevadas. De acordo com o tipo de fundação existente, os estudos de estabilidade dos taludes de uma barragem podem ser divididas em três grupos, de acodo com as características predominantes dos materiais presentes do maciço de fundação: 10 grupo: fundações em rochas, as quais não apresentam, em geral, probemas graves. 20 grupo: fundações em solos permeáveis ( solos arenosos ou com pedregulhos ): nesse caso, deve-se considerar dois aspectos principais : quantidasde de água perdida por percolação e grandeza das forças de percolação; esse último aspecto assume especial importância nos casos de fundações contituídas por areias limpas e saturadas ( geralmente finas e uniformes ) de baixa compacidade. 30 grupo : fundações em solos impermeáveis ( solos essencialmente argilosos ), onde os principais problemas são associdos à estabilidade contra a ruptura por cisalhamento e aos assentamentos excessivos. 15

16 Os solos empregados na construção de uma barragem de terra e enrocamento podem ser classificados em duas grandes categorias : * os materiais permeáveis ( areias e cascalhos ), caracterizados por uma resistência ao cisalhamento elevada; * os materias pouco permeáveis ( argilas, areis e siltes argilosos ), caracterizados por uma resistência ao cisalhamento mais fraca. No caso de se dispor, nas proximidades imediatas da obra, de quantidades importantes de materiais pouco permeáveis e de pequeno volume de materias permeáveis, a solução recomendável é de se projetar uma barragem homôgenia utilizando os materias pouco permeáveis. Ao contrário, se a proporção desses dois tipos de materiais é invertida, deve-se adotar uma solução de barragem com núcleo impermeável, o núcleo sendo contruido com materiais pouco permeáveis e os espaldares com materiais permeáveis. No caso dos espaldares serem contituidos por materias de permeabilidades sensivelmente diferentes, os materias deverão ser distribuidos de forma que os menos permeáveis sejam posicionados junto ao núcleo da barragem ( barragens zoneadas ); nas barragens com núcleo e nas barragens zoneadas, os espaldares extenos têm uma função estabilizadora enquanto compete ao núcleo o papel de elemento ipermeabilizador. Numa barragem de seção homogênia, a linha freática tem a tendência de emergir no talude de jusante, o que exige colocação de material permeável, judiciosamente posicionadas. Nas barragens com núcleo impermeável, a espessura do núcleo dependerá da quantidade de materiais argilosos disponíveis, das suas características geotécnicas, de seus índices físicos naturais ( teor de umidasde ) e do condicionamento climático ( índice pluviométrico anual e distribuição das chuvas ao longo do ano ). A posição do núcleo ( vertical ou inclinada ) dependerá das resistências relativas dos materiais permeáveis e impermeáveis: para uma mesma declividade do talude de montante, um núcleo construido com materiais pouco permeáveis cuja a resistência for ligeiramente menor que a dos materiais do contranúcleos, poderá ser mais inclinado ( mais deitado ) que um núcleo construído com materiais muito argilosos cuja a resistência for sensivelmente menor que as dos materiais dos contranúcleos, esta posição dependerá também das caracteísticas de compressibilidade da fundação do núcleo e dos espaldares. A programação dos estudos de estabilidade exige obedecer a uma sequência de atividades cuja impôrtancia individual não pode ser desprezada, lembrando-se que os projetos teoricamente bem elaborados e apoiados sobre análises de estabilidade detalhadas causaram sérios problemas por omitir ou subestimar determinados aspectos importantes. Consequentemente, deve-se escolher criteriosamente: - as condições de carregamento a analisar - as seções mais críticas, ( essa escolha exigirá a elaboração prévia de seções geotecnicas longitudinal e transversáis ). - os parâmetros de resistência - os métodos de análises - os fatores de segurança mínimos Condições de Carregamento 16

17 Durante e após a construção de uma barragem, e durante e após o primeiro enchimento do reservatório, ema barragem, de terra é submetida a um conjunto de solicitações que variam com o tempo, sendo portanto necessário verificar, se os fatores de segurança correspondentes à ruptura por cisalhamento são compatíveis com os valores prefixados. Em linhas gerais, as situações críticas a considerar são as seguintes. 1 o ) - fim de construção: durante a construção de uma barragem de terra, à medida que as camadas vão sendo colocadas e compactadas, a pressão total num determinado nível vai aumentando, sendo que este aumento provoca simultaneamente pressões intersticiais, devido à compressibilidade do maciçoc e ao seu baixo coeficiente de permeabilidade. Assim os esforços solicitantes provém, para uma determinada declividade do talude, do peso das terras e das consequentes pressões neutras induzidas, as quais são uma função do tipo de solo, do teor de umidade dos solos colocados e do rítmo construtivo. 2 o ) - fluxo em regime permanente com o reservatório cheio: durante o primeiro enchimento com o reservatório, estabelecemse fluxos de percolação, constituindo-se progressivamente uma rede de fluxo permanente. Uma vez que a água percola de montante para jusante, a pressão de percolação é favorável à estabilidade do talude de montante e desfavorável à do talude de jusante. esta condição de solicitações é também denominada a longo prazo. 3 o ) - esvaziamento rápido do reservatório: a um rebaixamento rápido do nível do reservatório, corresponde uma situação crítica para o maciço de montante da barragem. 4 o ) - solicitações dinâmicas: provocadas por sismos, este tipo de situação é rotineiramente considerado em regiões sísmicas; nestes últimos anos, tem sido recomendado como indispensável verificar sob tais solicitações, mesmo em zonas historicamente assísmicas em virtude da possibilidade de ocorrência de sísmos induzidos pelo enchimento do reservatório da própria barragem. As características geométricas externas de uma barragem de terra são geralmente determinadas pelo seu desempenho correspondente ao fim de construção e ao rebaixamento rápido do reservatório: o talude de jusante é dimensionado levando em consideração as pressões neutras que pode3m se desenvolver no maciço até o fim de sua construção. o talude de montante é dimensionado levando em consideração as condições criadas pelo rebaixamento instantâneo do reservatório. Entretanto, no casos de maciços construídos com materiais muito pouco a pouco argilosos compactados do lado seco com relação à umidade ótima do ensaio de compactação, pode se tornar necessário modificar a declividade obtida para o talude de jusante e/ou melhorar a capacidade drenante do sistema de drenagem interna, a fim de garantir a estabilidade da obra para as condições de operação normal (longo prazo) Escolha das seções a serem analisadas 17

18 A escolha judiciosas das seções transversais críticas cujas condições de equilíbrio devem ser verificadas, pressupõe o profundo conhecimento prévio do condicionamento geotécnico dos meciços de fundações e ombreiras. Torna-se portanto necessário elaborar o perfil longitudianal pelo eixo da barragem, o que constitui um subsídio substancial para os estudos de projeto. A montagem deste perfil ajuda também a programação das investigações geotécnicas necessárias, já que, ao elaborar tal perfil, serão identificadas as zonas pobres em resultados de investigações, subsidiando assim a equipe de projeto na programação dinâmica e objetiva dos estudos e investigações de campo e laboratório necessárias à obtenção dos parâmetros condicionantes do projeto. As informações necessárias à montagem do modelo geotécnico da fundação da barragem a ser utilizado para as verificações de estabilidade dos taludes devem abranger todos os dados atinentes às principais condições de solicitações, isto é, fim de construção, fluxo em regime permanente e rebaixamento rápido do reservatório. Ressalta-se que a necessidade e/ou a importância de certos dados só aparecem após a conclusão das primeiras análises de estabilidade, já que estas análises indicam quais são os parâmetros que devem ser determinados com maior precisão e com maiores detalhes, por terem maior peso nos resultados destas análises. Em contrapartida, os estudos esclarecerão também quais são os parâmetros que pouco condicionam o estado de equilíbrio, pelo fato da adoção de valores conservativos dos referidos parâmetros resultar em fatores de segurança aceitáveis. Da mesma forma, a seleção das seções transversais críticas a serem analisadas obedecerá p processo iterativo, uma vez que os resultados das análises de estabilidade preliminares realimentarão o processo de identificação das seções mais críticas. Desde já, cabe salientar que a experiência e o bom senso representam trunfos de grande peso na preseleção das seções críticas de uma barragem, evitando-se perdas de tempo e gastos inúteis no estudo de seções pouco perigosas. Lembra-se também que quanto mais complexo o condicionamento geotécnico das fundações, maior será o número de seções e situações a serem analisadas. Basicamente, o processo de escolha das seções críticas exige a consideração de vários fatores condicionantes tais como a altura da barragem, as características de resistência dos solos de fundação, a espessura das comadas de fundação, a permeabilidade relativa das mesmas, etc Escolha dos parâmetros de resistência ao cisalhamento Um dos aspectos mais importantes envolvido nas análises de estabilidade, e provavelmente, um dos mais complexos, é a seleção dos valores dos parâmetros de resistência ao cisalhamento. Antes de se proceder à análise deste problema, o qual deve ser estudado separadamente para cada tipo de solicitações, cabe abrir uma curta parêntese geral sobre as análises em termos das tensões totais e das tensões efetivas. Antigamente, quando os recursos tecnológicos não permitiam a medição das pressões neutrtas, quer no campo quer no laboratório, utilizavam-se apenas as análises em termos das tensões totais. Com o progresso da tecnologia laboratorial e instrumental, tornou-se gradativamente possível medir as pressões neutras em corpos de prova ensaiados em laboratório, bem como pressões neutras reais desenvolvidas dentro de maciços compactados. Tais avanços permitiram utilizar métodos de análises de estabilidade em termos das tensões efetivas, o que não quer dizer que os métodos em termos das tensões totais foram abandonados, havendo casos em que estes métodos são ainda considerados como mais confiáveis e mais recomendáveis. - Análise por tensões totais 18

19 A análise em termos das pressões totais admite que as pressões neutras de cisalhamento estão levadas implicitamente em consideração no ensaio de determinação da resistência ao cisalhamento, considerando-se portanto que as condições de carregamento no campo estão simuladas no ensaio (condições de drenagem, trajetórias de tensões, etc...). O ensaio usualmente utilizado é o de compressão triaxial. Cabe frisar que o efeito das condições de carregamento sobre a resistência não drenada, é singnificativo, o que induz grande variabilidade nos resultados dos ensaios, principalmente para solos parcialmente saturados. - Análise por tensões efetivas Nas análises em termos das tensões efetivas, parte-se das hipóteses que a resistência efetiva dos solos é conhecida e que pode prever as pressões intersticiais. A primeira hipótese só é válida parcialmente, dependendo da origem das pressões neutras consideradas. 1 0 as pressões neutras de percolação podem ser facilmente determinadas através do traçado de redes de percolação. 2 0 as pressões neutras de adensamento também podem ser determinadas através de ensaios de laboratório cujos resultados são facilmente transportáveis nas análises. 3 o as pressões neutras de cisalhamento cuja transposição dos valores obtidos de ensaios laboratoriais para as análises de estabilidade é mais complexa, já que estas pressões neutras estão relacionadas aos valores das variações das tensões. Observa-se portanto que as análises de estabilidade em termos das tensões efetivas se baseiam sobre hipótese aceitáveis a não ser a referente à avaliação das pressões neutras de cisalhamento que exige hipóteses simplificadores. Uma grande vantagem do uso de análises em função das tensões efetivas é associada ao fato do que a resistência efetiva dos solos pode ser determinada com bôa precisão e que as pressões neutras construtivas dentro do maciço podem ser medidas, conseguindo-se assim verificar as hipóteses de projeto Fatores de segurnaça Os fatores de segurança a serem introduzidos nas análises de estabilidade de taludes de barragens devem cobrir as incertezas relacionadas com: - as resistências dos diversos horizontes dos solos de fundações e ombreiras e das diversas zonas dos solos compactados do maciço da barragem, levando-se em consideração todos os fatores que influenciam estas resistências tais como representatividade e qualidade das amostragens, duplicação do carregamento de campo, anistropia, erros de ensaios, etc. as pressões neutras construtivas. a distribuição das pressões intersticiais de rede de fluxo permanente. a grandeza e a distribuição das subpressões nas fundações a eficiência de sistemas de vedação. a eficiência de sistemas de alívio de subpressões. as vazões de percolação. a eficiência do sistema de drenagem interna. as imprecisões dos métodos de cálculo. as eventuais falhas construtivas. 19

20 a configuração geométrica dos taludes internos e externos e dos materiais. O quadro abaixo reproduz as recomendações do Corps of Engineers para os diversos tipos de solicitações impostos a uma barragem: Tipo de Solicitação Fator de Segurança mínimo Envoltória de Resistência Observações Fim de construção 1,3 (2) Q ou S (3) Taludes de montante e jusante Rebaixamento rápido a partir do N.A. máx.normal Reservatório parcialmente cheio com fluxo permanente. Reservatório cheio com fluxo permanente. 1,0 (4) R, S Talude de montante (usar envoltória composta). 1,5 (R+S)/2 para Talude de montante (usar R<S e S para envoltória intermediária) R>S 1,5 (R+S)/2 para R<S e S para R>S Talude de jusante (usar envoltória intermediária) Sismos (5) 1,0 (6) Taludes de montante e jusante Notas: (1) esses valores não são aplicáveis ao caso de maciços apoiados sobre fundações de argilito; neste caso, deverão ser adotados fatores de segurança maiores. (2) para barragens de mais de 15 m de altura apoiadas sobre fundação relativamente fraca, adotar F.S. mínimo igual a 1,4. (3) nas zonas onde são previstas pressões neutras elevadas, utilizar a envoltória S. (4) o fator de segurnaça não deverá ser menor que 1,5 quando as análises de estabilidade utilizam a velocidade de rebaixamento e as pressões neutras obtidas a partir de redes de fluxo. (5) as verificações de estabilidade sob a ação de sísmos são realizadas para os casos de fim de construção e de fluxo permanente. (6) as envoltórias a serem utilizadas são aquelas correspondentes aos casos analisados sem sismos. Tendo em vista que um deslizamento eventual durante o período construtivo não causa danos substanciais (perdas materiais e de vidas humanas) quando comparados com os danos que seriam provocados pela ruptura de uma barragem com o reservatório cheio, que as pressões neutras introduzidas nos cálculos de estabilidade são geralmente maiores que as pressões neutras reais, e que é possível de se medir as pressões neutras construtivas pela instalação de piezômetros bem posicionados, é justificável a adoção de fator de segurança mínimo mais baixo para este tipo de condição. No que diz respeito aos valores propostos pelo Corps of Engineers (FS = 1,3 a 1,4), recomendam-se alguns cuidados ao se adotar tais valores; considera-se imprescindível fixar o valor mínimo do fator de segurança em cada projeto específico em função da peculiaridade do mesmo, de acordo com o grau de conservatismo na fixação das hipóteses de projeto, o grau de confiança dos resultados das investigações de campo e dos ensaios de laboratório, o método de análise adotado, etc... As mesmas considerações se aplicam à condição do reservatório cheio, aconselhando-se entretanto maior prudência neste caso tendo em vista as gravíssimas consequências que seriam causadas por um desempenho insatisfatório ou por uma ruptura. Acredita-se que um fator de segurança mínimo de 1,5 é aceitável uma vez que este valor já tem sido adotado em inúmeras barragens em operação no Brasil e no Exterior, apesar das diversas modalidades utilizadas para a determinação da resistência ao cisalhamento 20

21 dos solos, a previsão das pressões intersticiais e as análises de estabilidade. De qualquer maneira, convem pensar no início do projeto a respeito deste assunto, analizando-se cuidadosamente os tipos de materiais que serão utilizados na construção da barragem e o tipo de fundação em que a barragem será apoiada. Por exemplo, se a barragem será construída sobre uma fundação rochosa extremamente resistente, usando-se materiais permeáveis compactados (cascalho arenoso ou enrocamento de rocha sã) e um núcleo impermeável delgado inclinado, é praticamente evidente que não há risco de ruptura do talude de jusante nas condições a longo prazo, mesmo se o fator de segurança calculado parece ser relativamente baixo. Pelo contrário, se a barragem será construída com solos essencialmente argilosos sobre uma fundação construída por solos altamente plásticos, a obtenção de um valor mínimo de 1,50 para o fator de segurança deverá exigir cuidados especiais adicionais a fim de avaliar se os parâmetros de resistência ao cisalhamento utilizados e as pressões intersticiais determinadas são suficientemente dignos de confiança Exemplo de análise de estabilidade São apresentadas como exemplo algumas seções que foram analizadas quanto as suas condições de estabilidade e a possibilidade de alteamento do dique (barragem - pequeno tamanho). A seção topográfica estudada apresenta os resultados de SPT obtidos em uma prospecção geotécnica realizada para se caracterizar o sub-solo do local. Seção Topográfica 12 - Trecho da análise A 21

22 Seção analizada: Talude à Juzante do reservatório Condição do NA na cota atual do reservatório. Fator de segurança de 1,439. Seção analizada: Talude à Montante do reservatório Condição do NA na cota atual do reservatório. Fator de segurança de 3,

23 Seção analizada: Talude à Juzante do reservatório Condição do NA na cota da base do dique do reservatório. Fator de segurança de 3, Construção do Maciço nos Trechos de Contacto entre Materiais Diferentes Durante a construção de maciços de barragens são requeridos serviços especiais, indispensáveis para a garantia do perfeito funcionamento de alguns dispositivos dos quais eles são dotados. Entre esses serviços destacam-se os relativos à contrução de filtros, transições, rip-rap, membranas de concreto, etc Filtros O sistema de drenagem interna de uma barragem de terra é geralmente constituído de um tapete drenante e um filtro em chaminé. Os tapetes drenantes, geralmente ficam apoiados sobre a superfície de fundação e são constituidos de camadas múltiplas de materiais, com elevada permeabilidade, para permitr o escoamento das águas drenadas através da fundação e do maciço de barragem. Quando a superfície da fundação é horizontal, ou pouco enclinada, o tapete é construído em camadas e compactado por meio de rolos vibratórios ou tratores de esteira, imediatamente após intensa irrigação. Quando a fundação é mais inclinada ( ombreira ) a construção do tapete é conduzida juntamente com o aterro, em pequenos lances, sendo a sua compactação feita por meio de rolo pneumático ou placa vibratória. Os filtros em chaminé podem ser verticais ou inclinados e geralmente são constituídos de um único material, na maioria das barragens, de areia natural. Sua espessura é da ondem de 1 metro, geralmente estabelecida em função da mínima dimensão requerida para a sua construção. Pode ser construído em camadas finas, de espessura igual a uma ou duas vezes a espessura do aterro, lançadas antes e compactadas juntamente com as camadas deste, através do rolo vibratório ou pneumático; ou pode ser contruído após o aterro ter atingido uma certa espessura ( 1 a 2 metros ), por escavação deste e substituição por material de filtro, 23

24 sendo compactado em camadas por meio de placa vibratória ( figura 6 ). No primeiro caso o consumo do material de filtro é maior, pois a geometria final do filtro construído fica constituída de seções trapezoidais superpostas, de altura igual à espessura da camada e a largura no topo igual à dimensão mínima do projeto. Para a construção dessas camadas são utilizados equipamentos, que preenchidos por material de filtro e puxados por um trator fazem o lançamento da camada com espessura e largura desejada. No segundo caso, quando o filtro é inclinado, também há necessidade de maior consumo de material, para se observar a dimensão mínima do projeto. Quanto maior a espessura do aterro escavado para substituição, maior o excesso de consumo de material de filtro Transições As transições entre enrocamento e aterros são construídas com técnicas semelhantes às utilizadas na execussão dos filtros em chaminé, em camadas concomitantes, apoiadas sobre a face do aterro ou do enrocamento. Junto as transições é importante que o enrocamento contenha certo teor de pedras miúdas e finos, e que seja empalhado com a lâmina do trator movimentando-se no sentido em que se afasta da transição, conduzindo as pedras maiores para longe desta. Os materiais de transição são compactados com rolos pneumáticos ou vibratórios, tomando-se cuidado especial para que o aterro adjacente à transição não fique sem compactação Rip - rap Os projetos de rip-rap prevêem a inclusão de uma ou mais camadas de transição entre as pedras e o aterro. As camadas de transição do rip-rap são lançadas depois de uma certa espessura de aterro. Toda terra solta sobre a face do talude é raspada por um trator de lâmina e espalhada na superfície do aterro. A seguir são lançadas as camadas de transição do rip-rap. Quando se dispõe de enrocamento bem graduado pode-se construir o rip- rap sem as camadas de transição, adotando-se uma técnica de espalhar o enrocamento de cima para baixo, com a lâmina do trator abaixada, que vai gradativamente sendo levantada, a medida que o tratror vai descendo pela superfície da latitude. Assim, consegue-se fazer com que o material mais fino fique em contato com o aterro, que servirá de transição para as pedras grandes a serem lançadas no próximo lance de construção do rip-rap. Na Barragem de Água Vermelha foi utilizado este processo, sendo o rip-rap construídos em lances de cerca 3 a 4 metros de altura, aproveitando-se a ocorrência de material adequado na pedreira, constituído de pedras miúdas, provenientes de uma camada de basalto denso e colunar, bastante fraturado, sobreposta de um derrame de basalto vesicular são, que dava origem as pedras graúdas. a) Filtro de chaminé - construído concomitantemente com o aterro 24

25 b) Filtro em chaminé - construído por escavação do aterro Figura 1 - Métodos Construtivos de Filtro em Chaminé Contacto entre o aterro e as estruturas de concreto Para a compactação do aterro junto às superfícies de concreto são geralmente utilizados soquetes manuais. Quando essas superfícies são contínuas pode-se executar a compactação por meio de rolos pneumáticos, fazendo-se com que os pneus passem o mais próximo possível do concreto, com o rolo movimentando-se paralelamente à linha de contacto. Constitui boa prática de projeto prever uma ligeira inclinação da superfície do concreto, por exemplo 1 : 10 ( H : V ), o que facilita a compactação do contacto, além de minimizar problemas de deslocamento do aterro, que seriam provocados por deformações oriundas do recalque da maciço Construção de membranas de concreto na face de montante do enrocamento Nos últimos dez anos observou-se um grande progresso nos projetos de barragem de enrocamento com face de concreto, com acréscimo do uso desse tipo de barramento, que também passou a ser adotado nas barragens com altura superior a 100 metros. Essa difusão ocorreu graças ao desenvolvimento das técnicas de construção de enrocamentos conpactados, das trincheiras de vedação e dos dispositivos de impermeabilização das juntas de lajes. A barragem de Foz do Areia, da COPEL, recentemente concluída no Rio Iguaçu é um exemplo dos mais importantes desse tipo de obra. Para minimizar os problemas de recalques, o enrocamento na zona sobrejacente à laje de concreto é construído com rocha sã, lançada e compactada em camadas de pequena espessura. Entre o enrocamento e a laje são constituídas camadas de transição, de granulometria adequada, que são compactadas por meio de rolos vibratórios, movimentandose sobre os taludes por meio de um sistema de cabos e guinchos. A laje de concreto, com cerca de 30 cm no topo e espessura crescendo na ordem de 0,3 % com a profundidade, é constituída em painéis, com formas deslizantes, preferencialmente sem juntas horizontais. A junta que merece maiores atenções é a situada próximo às ombreiras ( junta perimetral ), onde são introduzidos vedajuntas duplos e enchimentos especiais, onde os recalques diferenciais são mais acentuados. Na figura 2 é apresentada uma seção típica da Barragem de Foz do Areia com indicação dos materiais utilizados e na figura 3 um detalhe da junta perimetral adotada na construção dessa barragem. 25

26 Seção típica da barragem MATERIAL ENROCAMENTO I TRANSIÇÃO II ATERRO III MATERIAIS TABELA DE CLASSIFICAÇÃO ZONA MÉTODO DE COLOCAÇÃO I A LANÇADO COMPACTADO EM I B CAMADAS DE 0,80m BASALTO MACIÇO (ATÉ 25% DE BRENCHA BASÁLTICA) INTERCALAÇÃO DE BASALTO MACIÇO E BASÁLTICA BASALTO MACIÇO - ROCHAS SELEC. DE O,80 m BRITA CORRIDA DE BASALTO MACIÇO MATERIAL IMPERMEÁVEL CAPA DE TERRA I C I D I E II B III D COMPACTADO EM CAMADAS DE 1,60m COMPACTADO EM CAMADAS DE 0,80m ROCHA DE FACE COLADA GRADUAÇÃO MENOR QUE Ø 6 COMPACT. EM CAMADAS - 0,40m MENOR QUE 3 / 4 COMPACT. EM CAMADAS 0.30m DADOS DE COMPACTAÇÃO ROLO VIBRATÓRIO 4 PASSADAS 25% DE ÁGUA ( 10 TON ) ROLO VIBRATÓRIO 4 PASSADAS 25% DE ÁGUA ( 10 TON ) ROLO VIBRATÓRIO 4 PASSADAS 25% DE ÁGUA ( 10 TON ) CAMADAS ROLO VIBR. MIN 4 PASSADAS. FACE ROLO VIBR.MIN. 6 PASSADAS ASCEN. ROLO PNEUMÁTICO OU EQUPAM. DE CONSTRUÇÃO Figura 2 - Zoneamento da barragem de Foz do Areia. ( apud N. S. Pinto et. al. ) 26

27 Figura 3 - Detalhe da Junta Perimetral da Barragem de Foz do Areia ( apud N. S. Pinto et. al. ) 27