6. CONSIDERAÇÕES FINAIS

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1 6. CONSIDERAÇÕES FINAIS Síntese dos principais aspectos a considerar no dimensionamento de barragens de solo e de solo-enrocamento: a) Estabilidade dos taludes b) Evitar galgamento (folga e cota do coroamento) c) Largura do coroamento d) Acção sísmica e altura da onda de cheia e) Filtros e drenos/ Percolação no corpo da barragem f) Protecção dos paramentos a)estabilidade dos taludes Do ponto de vista da segurança, quanto menos inclinados forem os taludes maior será a segurança mas também tanto maior será o custo. O dimensionamento deverá procurar a inclinação máxima compatível com os materiais empregues e as condições de fundação. Intervalos mais comuns para variação da inclinação: Solos: 1:2 (V:H) e 1:3,5 (V:H) Enrocamentos: 1:1,5 (V:H) e 1:2 (V:H) 1

2 No projecto é necessário estabelecer a inclinação do paramento de montante e do de jusante. Pode ser importante introduzir banquetas a jusante para garantir a estabilidade do talude, para facilitar a inspecção ou para protecção do maciço. O dimensionamento é feito através do cálculo de um factor de segurança FS que se impõe que seja maior do que um valor mínimo (geralmente, FS>1,5). O cálculo faz-se recorrendo a programas de cálculo automático (Slope - solos, Slide - rochas, entre outros). Há, no entanto, algumas regras que podem ser seguidas em pré-dimensionamento. 2

3 a.1) Paramento de montante O dimensionamento é feito para a fase construtiva e para a situação de esvaziamento rápido. O primeiro enchimento não é crítico pois as forças de percolação actuam como acção estabilizadora. Para esvaziamento rápido, as pressões intersticiais não têm tempo de se dissipar e poderá haver instabilização. Este problema só é importante para maciços homogéneos. Neste caso, considera-se FS=1,3 para pequenas barragens e FS=1,4 para grandes barragens (RSB). Distribuição de pressões intersticiais numa barragem zonada após descarga rápida Maciço de montante com permeabilidade baixa Maciço de montante com permeabilidade alta Alonso et al. (2008) 3

4 a.2) Paramento de jusante O dimensionamento é feito para a fase de pleno armazenamento pois é quando há percolação neste paramento. A fase de construção só é crítica se se gerarem pressões intersticiais (medidas pelo parâmetro ru) devidas ao processo de compactação. O paramento de jusante pode ser mais inclinado do que o paramento de montante porque não há problemas de esvaziamento rápido. Inclinação de taludes Marcelino (2007) 4

5 Com base no tipo de solos (Design of Small Dams, US Bureau of Reclamation) Inclinação máxima dos taludes - maciços homogéneos Talude de montante (H/V) Talude de jusante (H/V) Classificação Esvaz. Rápido GW,GP,SW,SP Permeável, não adequado Permeável, não adequado GC,GM,SC,SM 2,5/1 3,0/1 2,0/1 CL,ML 3,0/1 3,5/1 2,5/1 CH,MH 3,5/1 4,0/1 2,5/1 Inclinação máxima dos taludes barragens zonadas Tipo Esvaziamento Rápido Material Maciços Material do Núcleo Montante Jusante Zonada, núcleo mínimo não crítico Enrocamento, GW, GP, SW, SP GC,GM,SC,SMCL, ML,CH,MH 2,0/1 2,0/1 Zonada, núcleo máximo não Enrocamento, GW, GP, SW, SP GC,GM SC,SM CL,ML 2,0/1 2,25/1 2,5/1 2,0/1 2,25/1 2,5/1 CH,MH 3,0/1 3,0/1 Zonada, núcleo máximo sim Enrocamento, GW, GP, SW, SP GC,GM SC,SM CL,ML 2,5/1 2,5/1 3,0/1 2,0/1 2,25/1 2,5/1 CH,MH 3,5/1 3,0/1 5

6 Com base em ábacos de estabilidade (em desuso) Michalowski (2002) F factor de segurança φ - ângulo de resistência ao corte c- coesão γ- peso volúmico β- inclinação do talude h- altura máxima da barragem ru- coeficiente de pressão intersticial u ru = γh Problema de aplicação I: Verifique a segurança da pequena barragem de 14m de altura representada na figura. Em pré-dimensionamento adoptaram-se as inclinações 1:3 e 1:2,5 nos paramentos de montante e jusante, respectivamente. O material destes dois maciços tem peso volúmico de 18kN/m 3, com φ =30º e c=5kpa. Durante a construção foram geradas pressões intersticiais devidas à compactação tais que ru=0,1. GP CL GP 6

7 b) Evitar galgamento ou overtoping b.1) Folga A folga de uma barragem é definida como a diferença entre a cota do coroamento e o NMC. A fixação de um valor para a folga depende dos seguintes parâmetros: Ondulação causada pelo vento (depende das características hidrológicas e geométricas da albufeira) Ondulação causada por sismos As ondas dependem também da variação da profundidade da albufeira e da inclinação e rugosidade do maciço de montante. Não há um valor mínimo regulamentar. O seu valor pode ser estimado em função do comprimento do maior segmento de recta que é possível traçar na albufeira a partir da barragem (fetch): Fetch (km) <1,5 1,5 5,0 7,5 15,0 Folga (m) Fell et al. (1992) Recomendada mínima 1,2 1,0 1,5 1,2 2,0 1,5 2,5 1,8 3,0 2,0 Marcelino (2007) 7

8 b.2) Cota do coroamento A cota de coroamento CC define o nível de segurança da barragem em relação a quaisquer fenómenos que possam ter como consequência o galgamento. A fixação do seu valor depende do NMC e do NPA fixados no dimensionameno hidráulico: CC> NPA + folga seca + altura de onda devida a vento excepcional (v=160km/h, ICOLD, 1993) CC> NMC + 1,5 altura de onda devida a vento habitual (v=80km/h, ICOLD, 1993) Para além dos outros factores já mencionados, a definição da altura de onda em função da velocidade do vento tem em consideração a probabilidade da ocorrência do vendaval. c) Largura do coroamento A largura do coroamento deve ser estabelecida considerando: Utilização (passagem de veículos) Altura da barragem Aspectos construtivos O RSB impõe o valor mínimo de 3m (ou 3,7m - fase construtiva). Caso se preveja tráfego no maciço, o valor mínimo é 5m. 8

9 Uma maior largura do coroamento corresponde a uma maior segurança em caso de sismo para prevenir os efeitos negativos de um escorregamento. Maciço de jusante sem galgamento Maciço de jusante com galgamento Existem algumas expressões propostas por vários autores/ regulamentos estrangeiros. Todas dependem da altura da barragem h (Marcelino, 2007): Bureau of reclamation (1977) L c 3 Preece L c 5 = h + 3, = 1,1 h + 1 Regulamento Japonês para zonas sísmicas L c = 3,6 3 h 3 Comisión Interministerial de Normas Sismoresistentes de Espanha (1968) L c = 3+ 1,5 h 3 1, 5 9

10 d) Acção sísmica De acordo com o RSB, as barragens de Portugal devem ser dimensionadas para resistir às acções sísmicas. Devem ser usados os métodos de cálculo pseudoestáticos para a análise da situação de pleno armazenamento. No entanto, também é necessário analisar a estabilidade de barragens para sismos actuantes noutras fases de vida da obra. O factor de segurança mínimo a admitir é F=1,0. Em casos excepcionais podem aceitar-se valores de F inferiores a 1,0 desde que se verifique que as deformações resultantes do sismo sejam admissíveis. Cálculo simplificado (solo puramente friccional): Forças estabilizadoras N tanφ' = ( P cosα kp sinα ) tanφ' Forças instabilizadoras P sinα + kp cosα Coeficiente de segurança (cosα k sinα) tanφ' F = sinα + k cosα kp (sismo) α P F a =Ntanφ 10

11 Ábacos para a verificação da estabilidade Michalowski (2002) F factor de segurança φ - ângulo de resistência ao corte c- coesão γ- peso volúmico β- inclinação do talude h- altura máxima da barragem K h g aceleração horizontal A fixação a CC também depende da acção sísmica: CC> NMC + 1,5 altura de onda devida ao sismo Altura da onda devida ao sismo H sismo : H sismo = k T h 2 gh Normas espanholas de 1968 k h coeficiente sísmico T período predominante g aceleração da gravidade h altura de água a montante 11

12 Problema de aplicação II: Verifique a segurança do talude de jusante da pequena barragem de 14m de altura estudada anteriormente para uma acção sísmica que se possa traduzir por uma aceleração horizontal k h =0,2g. Dados importantes: inclinações 1:3 e 1:2,5 nos paramentos de montante e jusante, respectivamente; material destes dois maciços com peso volúmico de 18kN/m 3, com φ =30º e c=5kpa. GP CL GP e) Filtros e drenos Filtro Dreno Uma barragem nunca é estanque e é necessário introduzir filtros e drenos no seu interior para que a percolação se faça de forma controlada. Os materiais dos filtros e dos drenos têm que ser dimensionados em função dos materiais usados no restante corpo da barragem. 12

13 e.1) Materiais para filtros e drenos Os filtros são construídos com areias e os drenos são construídos com areões/britas. Os materiais provém geralmente de explorações de inertes. Filtros Critérios propostos por Terzaghi e Cedergren (1973) Condição D 15 (filtro) 5d 85 (base) D 15 (filtro) 5d 15 (base) Cu=D 60 /D Objectivo Assegura a capacidade de retenção pelo filtro das partículas de solo a proteger Assegura um adequado contraste entre os materiais Destina-se a minimizar a segregação durante a construção Critérios propostos por Sherard e Dunningan (1989) Material a proteger Argilas e siltes finos com mais de 85% de material passado no peneiro nº 200 Siltes e argilas arenosas com 40% a 80% de material passado no peneiro nº 4 passado no peneiro nº 200 Areias silto-argilosas com menos de 15% da parte passada no peneiro nº 4 passado no peneiro nº 200 Solos grosseiros de baixa permeabilidade com menos de 15% passado no peneiro nº 200 Condição D 15 <9d 85 e D 15 0,7mm D 15 0,7m D 15 4d 85 e d 85 pode ser 85% da curva granulométrica do material integral D 15 4d 85 e D 15 0,7mm E ainda: As areias dos filtros não podem conter partículas finas que comprometam o funcionamento desejado, pelo que se limita a 15% a percentagem passada no peneiro nº 200 Dmáx <50mm (peneiro 2 ) A percentagem passada no peneiro nº 4 é >40% O diâmetro do peneiro nº4 é 4,76mm 13

14 Drenos Os drenos servem para conduzir para jusante os caudais afluentes ao sistema de filtros. Critérios propostos por Cedergren (1973) Condição D 15 (dreno) 5d 85 (filtro) D 15 (filtro) 5d 15 (filtro) Cu=D 60 /D Objectivo Assegura a capacidade de retenção pelo dreno das partículas do filtro Assegura um adequado contraste entre os materiais do dreno e do filtro Destina-se a minimizar a segregação durante a construção Permeabilidade Existem expressões aproximadas que permitem estimar a permeabilidade de solos granulares tendo como base a sua granulometria. Expressão de Kozeny válida para solos com menos de 5% de partículas que passam no peneiro nº 200 (d =0,074mm) 3 150n k[ m / s] = 2 S (1 n) S = f W n 2 6 x1 x2 n porosidade S parâmetro que depende da distribuição granulométrica W n percentagem em peso do material com dimensões entre x 1 e x 2 f factor de forma (geralmente f=1,1) 14

15 Problema de aplicação III: Usando a expresão de Kozeny, calcule o coeficiente de permeabilidade do solo (n=0,25) a usar num filtro cuja curva granulométrica se apresenta na figura. Material passado (%) Diâmetro (mm) Peneiro D(mm) % que passa Wn (%) S'n=6/ w (x1x2) WnS'n (mm-1) # 3/8" # # # # S=343,1mm -1 ; k=3, m/s e.2) Dimensionamento da capacidade do filtro O filtro subvertical tem que ser capaz de escoar o caudal de percolação afluente do maciço a montante. Capacidade de vazão do filtro: Q = kai k permeabilidade do filtro a secção (ou espessura) i inclinação do filtro De acordo com o RSB, deve-se considerar um coeficiente de segurança mínimo de 100 entre a capacidade colectora do filtro e o caudal calculado pela análise do escoamento da barragem em situação de pleno armazenamento. 15

16 e.3) Dimensionamento de drenos Uma das soluções mais correntes adoptadas em drenos considera a existência de camadas de materiais com várias permeabilidades, tipo sanduíche. Quando em contacto directo com o dreno, o solo de fundação também terá que ser considerado. Filtro de areia Zona central construída com material mais grosseiro (dreno) Q = i Maciço de jusante Filtro de areia Solo de fundação Escoamento em paralelo: n k n a n i gradiente hidráulico a 1 a 2 a 3 f) Protecção dos paramentos f.1) Paramento de montante O paramento de montante tem que ser protegido da acção erosiva das ondas. As ondas dependem do vento e das características geométricas e hídricas da barragem (já referido). A protecção é feita geralmente com a colocação de uma camada de enrocamento 16

17 O dimensionamento da camada de protecção consiste na determinação da dimensão e composição granulométrica das diversas camadas que a compõem: NMC E T E Enrocamento T Filtro (transição) S S solo da barragem Espessura de E: h>1,5d 50 e h>d máx Espessura de T: Altura da onda (m) 0-1,2 1,2-2,4 2,4-3,0 Espessura da camada T (mm) Enrocamento E Filtro T Geomembrana de protecção de S 17

18 Dimensão D dos blocos 3 4 D 3 W = γ e Peso característico do enrocamento, W 50 : W 50 = K D a γ eh ( G 1)(cot α ) e b W 100 =4W 50 W 0 =1/4W 50 γ e peso volúmico da rocha H altura de projecto da onda (H=1,27H s ) G e - massa volúmica dos blocos de enrocamento α- ângulo do enrocamento com a horizontal a, b e K D são determinados experimentalmente Taylor ICOLD sem danos ICOLD com danos a=2,6 b=1 e K D =3,2 a=3 b=0,67 e K D =3,62 a=3 b=1 e K D =4,37 f.2) Paramento de jusante O paramento de jusante é a zona com potenciais problemas de erosão e de ravinamento. A protecção consiste nos seguintes aspectos: Revestimento adequado da superfície (enrocamento ou revestimento vegetal) Colocação de banquetas para limitar a distância entre pontos sem drenagem controlada Drenagem das banquetas Se adoptada, a espessura da camada de enrocamento não necessita de dimensionamento especial 18