CURSO DE CAPACITAÇÃO EM ESTRUTURAS DE BARRAGENS: TERRA, ENROCAMENTO E REJEITOS Critérios de projeto de barragens de terra e enrocamento PROFESSOR: Dr. Sidnei Helder Cardoso Teixeira
Elementos principais de uma barragem Gaioto (2003) afirma que para a seleção de uma seção transversal, devem ser analisadas, técnica e economicamente, diversas alternativas, em um processo iterativo, partindo-se de: Dimensões conservativas, ditadas pela experiência em obras e condições semelhantes à do projeto atual; Otimização gradativa das dimensões, à medida que as análises são processadas. Os principais elementos a serem definidos são : Borda livre ( Free Board ); Crista; Taludes; Geometria interna da seção; Proteção de taludes e da crista.
Borda Livre ( Free Board ) Conceito...é a diferença que deve ser observada entre o nível da crista da barragem e o nível máximo do reservatório, para que as ondas formadas não ultrapassem a barragem. Critérios O nível máximo do reservatório é definido através de estudos hidrológicos e hidráulicos, em função das cheias consideradas para o projeto do barramento e das características dos órgãos de extravasão. A altura das ondas que podem chegar ao talude de montante da barragem é função da velocidade do vento e da extensão do reservatório na direção do vento considerada ("fetch"). No mínimo, o valor da borda livre deve ser igual à altura da onda máxima, acrescida de 50%, para compensar a sua corrida sobre o talude da barragem e ainda, de um valor correspondente a uma altura de segurança, variável entre 0,60 e 3.00 metros, dependendo da importância da barragem.
Borda Livre ( Free Board ) Fetch Para o cálculo da altura da onda máxima existem ábacos, como o desenvolvido pelo U. S. Bureau of Reclamation. Como a linha do reservatório pode ser muito irregular, deve-se calcular o "fetch" efetivo, F, através da fórmula: F = x i cos αi / cos αi onde: αi = ângulo entre a direção considerada e a direção principal do vento, e x i = extensão do reservatório na direção. Os valores de a. são tomados a cada 3o, até 45, em ambos os lados da direção principal.
Borda Livre ( Free Board ) Altura da onda (H) American Society of Civil Engineers apresenta formulações empíricas para a estimativa das ondas máximas geradas pela ação de ventos, a saber: SGM Fetch efetivo superior a 32 km Onde: U - velocidade do vento (m/s); F - fetch efetivo (km). Hmáx = 0,4724 (UF) Fetch efetiva inferior a 32 km Hmáx = 0,4724 (UF). 3,6942 F.8,2 Onde: U - velocidade do vento (m/s); F - fetch efetivo (km).
Borda Livre ( Free Board ) Pequenas barragens Para o projeto de pequenas barragens de terra, o "Bureau of Reclamation" indica as folgas normais e mínimas a adotar, considerando uma proteção em enrocamento e baseadas respectivamente, em velocidades do vento de 50 a 100 milhas/hora. Onde: Folga mínima Folga acima do nível máximo do reservatório; Folga normal Folga acima do nível normal do reservatório.
Crista da barragem - Largura Gaioto (2003) cita que a largura da crista é determinada pelas necessidades de tráfego sobre ela. Na maioria das barragens varia entre 6 e 12 metros, adotando-se maiores larguras para as barragens mais altas, com estruturas de concreto mais importantes. Mesmo para pequenas barragens, não é recomendável largura inferior a 3 metros, para garantir condições mínimas de acesso, para a execução de serviços de manutenção. Em barragens de terra, a largura é baseada em casos precedentes, recorrendose as fórmulas empíricas, entre as quais a recomendada pelo Bureau of Reclamation. Lc = + 3,0 (m) Onde: Lc Largura da crista da barragem (m); H Altura da barragem (m);
Crista da barragem - Inclinação Para a drenagem das águas de chuva, a superfície da crista deverá ter inclinação, geralmente para montante, evitando-se que elas escoem sobre o talude de jusante. Os recalques da barragem e da fundação, que ocorrem após o final da construção, devem ser estimados, para que se providencie a sua compensação, projetando-se a crista com a respectiva sobrelevação. *Obs: O bom senso sugere sobrelevação de 10cm.
Taludes Os taludes de montante e de jusante da barragem dependerão dos tipos de materiais com os quais ela será construída, da sua geometria interna, da fundação e das condições a que será submetida durante a sua construção e operação; Devem ser adotados, em caráter preliminar, em função da experiência em outras barragens já construídas, com materiais e sob condições semelhantes; As análises de estabilidade, processadas para as condições de carregamento previstas, irão revelar se os taludes adotados devem ser revistos, para garantir as condições mínimas de estabilidade fixadas nos critérios de projeto ou para tornar o projeto mais econômico; Pode-se partir das seguintes inclinações (vertical : horizontal): Barragem de terra: 1:2 a 1:3 Barragem de enrocamento com núcleo de terra: 1:1,5 a 1:2,0 Barragem de enrocamento com face de concreto: 1:1,3 a 1:1,5.
Taludes Inclinação ( Bureau of Reclamation) Homogênea sobre fundações estáveis
Taludes Inclinação ( Bureau of Reclamation) Zoneada sobre fundações estáveis Onde: 1 1 Núcleo mínimo sobre fundações impermeáveis ou impermeáveis com cut-off; 2 2 Núcleo mínimo para barragens sobre fundações permeáveis sem cut-off ; 3-3 Núcleo máximo. Neste caso os valores da tabela devem ser tomados como ponto de partida, pois algumas barragens funcionam adequadamente com Núcleo de largura L = 0,30H a 0,50H, sendo H a altura da água.
Geometria interna da seção Quando os materiais disponíveis para a construção do maciço da barragem permitem uma diferenciação das suas características de resistência e de permeabilidade, é interessante tomar partido dessas diferenças, para se adotar uma seção mista, de terra- enrocamento ou de terra zoneada. Os materiais de maior resistência ao cisalhamento, como enrocamentos, cascalhos e solos arenosos: São posicionados nos espaldares (zonas externas); Garantir a estabilidade contra o escorregamento dos taludes. Os materiais menos permeáveis, que geralmente apresentam menor resistência ao cisalhamento, como os solos argilosos: São dispostos no núcleo(parte interna da seção da barragem); O núcleo, por corresponder à zona mais alta da barragem, fica submetido a tensões mais elevadas Sujeito a maiores recalques; Os solos argilosos, colocados nesta zona, têm maior capacidade de se submeterem a recalques diferenciais sem fissuramento, que os solos arenosos; Compactar os solos do núcleo com teor de umidade mais elevado, ligeiramente acima da umidade ótima Favorece a diferenciação acima referida; Proporcionar características de maior flexibilidade para acomodação dos recalques diferenciais.
Geometria interna da seção A espessura mínima do núcleo é adotada em função de alguns fatores práticos, tais como: Perda d'água admissível através da barragem; Condições construtivas; Tipos de materiais disponíveis; Projeto do sistema de drenagem interna; Experiência em projetos semelhantes. Sherard et al (1976) sugerem os seguintes critérios para o projeto do núcleo das barragens de enrocamento: Espessuras de 30 a 50% da altura da água do reservatório têm-se mostrado satisfatórias, sob diversas condições; Espessuras de 15 a 20% Núcleos delgados e requerem filtros adequadamente projetados e construídos; Espessuras menores que 10% não são amplamente utilizadas; somente podem ser adotadas em circunstâncias em que grandes fugas de água através do núcleo não conduzam à ruptura da barragem. Nas barragens de enrocamento com face de concreto mais recentes, a espessura da laje (t) através da expressão: t = 0,30 + 0,003H (m) Onde: H a carga hidráulica na profundidade considerada. Obs: A armação da laje corresponde a 0,3 a 0,4% da seção de concreto, em ambas as direções.
Proteção de taludes e da crista O talude de jusante das barragens deve ser protegido contra: Erosão superficial (causada pelas águas de chuva) que podem adquirir grandes velocidades, ao percorrer a distância entre o topo e o pé do talude; Nas barragens de enrocamento com núcleo de terra ou com face de concreto, o problema de erosão é resolvido, deslocando e arrumando os blocos graúdos do enrocamento para a face de jusante. Nas barragens de terra, a primeira providência consiste em: Subdividir o talude em trechos, de altura não superior a 10 metros, por meio da intercalação de bermas, com cerca de 3 a 5 metros de largura. A superfície das bermas deve apresentar pequena declividade para montante, a fim de evitar que as de chuva que nelas caem desçam para o talude inferior. Nessas bermas, são instaladas canaletas de concreto, para coletar as águas que caem no talude do trecho superior e na própria berma, conduzindo-as, com declividade da ordem de 0,5 %, para caixas, também dispostas nas bermas, a cada 100 metros, aproximadamente.
Proteção de taludes e da crista O talude de montante deve ser protegido contra a: Erosão causada pelas ondas que se formam no reservatório; Essa proteção, geralmente é feita com enrocamento, denominado "rip-rap", cujos blocos devem apresentar dimensões mínimas, suficientes para não serem arrastados pelas ondas. O U. S. Army Corps of Engineers, apresenta as seguintes sugestões para o diâmetro médio (D50) e espessura da camada de "rip-rap", mínimos, em função da altura máxima das ondas: Altura máxima da onda - H(m) Diâmetro médio - D50 (m) 0-0,60 0,25 --- 0,60-1,20 0,30 0,46 1,20-1,80 0,38 0,61 1,80-2,40 0,46 0,76 2,40-3,00 0,53 0,91 Espessura da camada - e(m) Altura máxima da onda - H(m) Espessura da camada de transição - e (m) 0-1,20 0,15 1,20-2,40 0,23 2,40-3,00 0,30 Nas barragens onde não se dispõe de rocha sã para a construção de "rip-rap"', a uma distância economicamente interessante, a proteção do talude de montante pode ser feita com solo-cimento, construída em camadas, juntamente com o aterro da barragem.
Proteção de taludes e da crista Nas barragens onde não se dispõe de rocha sã para a construção de "rip-rap"', a uma distância economicamente interessante, a proteção do talude de montante pode ser feita com solo-cimento, construída em camadas, juntamente com o aterro da barragem. Solo-cimento, em camadas, com espessura efetiva deve ser da ordem de, pelo menos, 0,70m, o que corresponde a cerca de 2m de largura, na direção horizontal. Na construção, devem ser utilizados solos arenosos, com cerca de 10 a 25 % passando na peneira #200, com índice de plasticidade menor que 8 % (Fell et al,1992); A crista geralmente é protegida com pavimento asfáltico, com características semelhantes à da estrada que dá acesso à barragem. Em algumas barragens a proteção tem sido construída com material granular (pedra britada ou cascalho).
Proteção de taludes e da crista A proteção deve cobrir todo o trecho do talude, desde o seu topo, até cerca de 1 metro abaixo do nível mínimo de operação do reservatório.
Proteção de canal de restituição Segundo o Manual da Eletrobras(2003), para orientar o controle de erosão a jusante das obras de drenagem, deverão ser adotados os seguintes critérios: V = 6 D onde: V = velocidade média do escoamento, em m/s; D = Diâmetro médio do material, em m.