ANÁLISE DO FLUXO DE ÁGUA NO MACIÇO DE UMA …

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CENTRO UNIVERSITÁRIO CESMAC EMMANUEL LIRA GAMELEIRA FILIPE NAASSON DA SILVA AMARAL ANÁLISE DO FLUXO DE ÁGUA NO MACIÇO DE UMA BARRAGEM DE TERRA COM FILTRO MACEIÓ-AL 2018/2

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CENTRO UNIVERSITÁRIO CESMAC

EMMANUEL LIRA GAMELEIRA FILIPE NAASSON DA SILVA AMARAL

ANÁLISE DO FLUXO DE ÁGUA NO MACIÇO DE UMA BARRAGEM DE TERRA COM FILTRO

MACEIÓ-AL 2018/2

EMMANUEL LIRA GAMELEIRA FILIPE NAASSON DA SILVA AMARAL

ANÁLISE DO FLUXO DE ÁGUA NO MACIÇO DE UMA BARRAGEM DE TERRA COM FILTRO

MACEIÓ-AL 2018/2

Trabalho de conclusão de curso apresentado

como requisito final, para conclusão do curso de

Engenharia Civil do Centro Universitário Cesmac,

sob a orientação da professora Ma. Danúbia

Teixeira Silva.

REDE DE BIBLIOTECAS CESMAC

SETOR DE TRATAMENTO TÉCNICO

G184a Gameleira, Emmanuel Lira

Análise do fluxo de água no maciço de uma barragem de terra

com filtro / Emmanuel Lira Gameleira, Filipe Nasson da Silva.- Maceió: 2018.

50 p.: il.

TCC (Graduação em Engenharia Civil) – Centro Universitário

CESMAC, Maceió – AL, 2018.

Orientadora: Danúbia Teixeira Silva.

1. Barragem de terra. 2. Percolação. 3. Filtro. 4. SEEP/W. 5. Fator de

segurança. I. Silva, Filipe Nasson. II. Silva, Danúbia Teixeira. III. Título.

CDU:624.131.6

Bibliotecária: Ana Paula de Lima Fragoso Farias CRB/4 2195

AGRADECIMENTOS

Agradecemos em primeiro lugar a Deus, que permitiu que mais essa etapa importante

das nossas vidas fosse concluída.

À Professora Danúbia Teixeira, pelo tempo disponibilizado, pela confiança,

conhecimentos transmitidos e exemplo de profissional dedicado, contribuindo para a

nossa formação profissional.

Aos nossos pais, esposa, irmãos, familiares e amigos que acreditaram no nosso

potencial e nos apoiaram durante toda a nossa caminhada.

A esta universidade, seu corpo docente, direção, administração e funcionários que

oportunizaram a janela que hoje vislumbramos um horizonte superior.

E a todos que direta ou indiretamente fizeram parte da nossa formação, o nosso muito

obrigado.

ANÁLISE DO FLUXO DE ÁGUA NO MACIÇO DE UMA BARRAGEM DE TERRA COM FILTRO

ANALYSIS OF FLOW OF WATER IN AN EARTH DAM WITH A FILTER

Emmanuel Lira Gameleira Graduando do curso de Engenharia Civil

[email protected] Filipe Naasson da Silva Amaral

Graduando do curso de Engenharia Civil [email protected]

Danúbia Teixeira Silva Mestre em Geotecnia

[email protected]

RESUMO

Para qualquer tipo de estrutura na engenharia, deve-se fazer estudos e análises quanto a estabilidade e segurança de utilização em fase de projeto. Uma das maiores causas de ruptura de barragens é a erosão regressiva, também conhecido como piping, que ocorre tanto no corpo da barragem como nas suas fundações. Apresenta-se neste trabalho uma análise de percolação de água em uma barragem de terra hipotética por meio de softwares que utilizam o método dos elementos finitos, SEEP/W e SLOPE/W. Após terem sido inseridos os dados de entrada no programa, o SEEP/W é capaz de apresentar os seguintes dados: linhas equipotenciais, linhas de fluxos, gradiente hidráulico, vazão e poropressão. Diante dos resultados analisados, o maciço sem a utilização do filtro apresentou uma saída de fluxo de água pela face do talude de jusante e fator de segurança de 1,1. Uma das possíveis soluções para este fenômeno é o emprego de filtro, estrutura de contenção na frente da jusante ou ainda o muro de gabião para estabilizar a face da jusante. Esta pesquisa investigou a aplicação de quatro tipos de filtros construídos com material granular no corpo barragem. Pode-se concluir que o dreno inclinado a 130° foi o que melhor conduziu a água com segurança, e a partir dessa análise foi verificado a estabilidade do talude de jusante e montante indicando a necessidade de estabilização e dessa forma foi proposto a utilização de bermas para um aumento no fator de segurança.

PALAVRAS-CHAVE: Barragem de terra. Percolação. Filtro. SEEP/W. Fator de segurança.

ABSTRACT

For any kind of structure in engineering, studies and analyzes regarding stability and safety of use in the design phase should be made. One of the major causes of dam rupture is regressive erosion, also known as piping, occurring both in the dam body and in its foundations. This paper presents an analysis of water percolation in a hypothetical earth dam using software that uses the finite element method, SEEP / W and SLOPE / W. After entering the data in the program, the SEEP / W is able to present the following data: equipotential lines, flow lines, hydraulic gradient, flow and pore pressure. Considering the results analyzed, the mass without the filter had a water flow outflow from the face of the downstream slope and a safety factor of 1.1. One of the possible solutions to this phenomenon is the use of filter, containment structure in front of the downstream or the gabion wall to stabilize the downstream face. This research investigated the application of four types of filters constructed with granular material in the dam body. It can be concluded that the drain tilted at 130 ° was the one that best led the water safely, and from this analysis was verified the stability of the downstream and upstream slope indicating the need for stabilization and in this way it was proposed the use of berms for an increase in the safety factor.

KEYWORDS: Earth dam. Percolation. Filter. SEEP/W. Factor of safety.

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 8 1.1 Considerações iniciais .................................................................................... 8

1.2 Objetivos .......................................................................................................... 9 1.2.1 Objetivo Geral ................................................................................................ 9 1.2.2 Objetivos Específicos ..................................................................................... 9 2 REFERENCIAL TEÓRICO ................................................................................. 10 2.1 Barragens de terra ......................................................................................... 10

2.2 Segurança de barragem ................................................................................ 12

2.2.1 Reavaliação da segurança de barragens ..................................................... 13

2.2.2 Gestão de riscos em barragens ................................................................... 14 2.3 Principais elementos de uma barragem de terra ........................................ 15 2.3.1 Fundação ..................................................................................................... 16 2.3.2 Crista ............................................................................................................ 17

2.3.3 Borda Livre ................................................................................................... 17 2.3.4 Núcleo .......................................................................................................... 17 2.3.5 Proteção dos taludes.................................................................................... 17

2.3.6 Trincheira de vedação .................................................................................. 18 2.3.7 Tapete impermeável..................................................................................... 18

2.4 Estudos geotécnicos para a construção de barragens de terra ............... 18 2.5 Solos saturados ............................................................................................. 22 2.6 Considerações sobre métodos construtivos de barragens ...................... 23

2.6.1 Locação da construção ................................................................................ 24

2.6.2 Limpeza, preparação do local e escavação ................................................. 25 2.6.3 Transporte, separação e espalhamento ....................................................... 27 2.6.4 Correção de umidade, homogeneização e compactação ............................ 27

2.7 Filtros ............................................................................................................. 28 2.7.1 Filtros chaminé (vertical ou inclinados) ........................................................ 30

2.7.2 Filtros horizontais (tapetes drenantes) ......................................................... 31 2.8 Estabilidade da barragem de terra ............................................................... 32 2.9 Estudos sobre as ferramentas computacionais SEEP/W e SLOPE/W ...... 34 3 METODOLOGIA ................................................................................................. 35 3.1 Configuração da barragem hipotética ......................................................... 35

3.2 Utilização do programa SEEP/W e SLOPE/W .............................................. 36 3.2.1 Geometria da estrutura ................................................................................ 36

3.2.2 Especificações dos materiais e condições de contorno ............................... 37 3.2.3 Aplicação dos medidores de vazão .............................................................. 38 3.2.4 Inserção dos filtros ....................................................................................... 38 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ......................................................................... 41 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................... 47

5.1 Conclusão ...................................................................................................... 47 5.2 Sugestões para trabalhos futuros ............................................................... 48 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 49

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1 INTRODUÇÃO

1.1 Considerações iniciais

Construídas de forma natural ou artificial sobre córregos, rios ou canais, as

barragens têm a função de reter e/ou controlar o fluxo de água ou rejeitos.

Independentemente de sua finalidade e do tipo de funcionamento, que varia bastante,

elas apresentam um elemento comum: em algum ponto do percurso, a água fica retida

no reservatório formado pelos suportes erguidos. De acordo com Gouveia (2015), a

tipologia da barragem é definida em função de sua forma construtiva e do material

utilizado em seu corpo principal. Os principais tipos de barragens são: barragens de

terra, barragens de enrocamento com face de concreto, barragens de contrafortes,

barragens em arcos, entre outras.

Segundo Vargas (1977), com objetivo de combater as secas, as primeiras

barragens de terra brasileiras foram construídas no Nordeste, no início do século XX.

A barragem de Curema, erguida na Paraíba em 1938, contava com os novos

conhecimentos da Mecânica dos Solos. Somente em 1947, com a barragem do

Vigário, atual barragem Terzaghi, localizada no estado do Rio de Janeiro, é que se

inaugurou o uso da moderna técnica de projeto e construção de barragens de terra no

Brasil. Sendo assim, pela primeira vez, Terzaghi empregou o filtro vertical ou chaminé

como elemento de drenagem interna de barragens de terra. Hoje, existem centenas

de barragens de terra e terra-enrocamento em operação no país, inclusive de

enrocamento com face de concreto, como a barragem de Foz do Areia (PR), com 156

m de altura, a maioria delas projetada e construída por brasileiros.

A barragem de terra é o tipo mais comum e é facilmente encontrada devido à

disponibilidade de material terroso no Brasil. Pode ser construída sobre fundações

com resistência mais baixa, apoiada sobre solos moles, sendo uma considerável

vantagem quando comparada com as barragens de concreto.

Um dos maiores e mais preocupantes problemas enfrentados pelos projetistas de

barragens de terra, é o fenômeno ‘’piping’’ ou erosão regressiva tubular, que ocorre

no próprio corpo da barragem ou no solo de fundação, quando o solo se encontra com

o fluxo de água ascendente, consequentemente deixando a areia fina em seu estado

movediço. Segundo Massad (1978), esse fenômeno consiste no carreamento de

partículas de solo pela água em fluxo, numa progressão de jusante para montante,

daí o termo "regressivo" empregado para designá-lo, com o passar do tempo, forma-

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se um tubo de erosão, que pode evoluir para cavidades relativamente grandes no

corpo das barragens, levando-as ao colapso total. Para evitar sua ocorrência, é

necessário um controle da percolação, tanto no corpo da barragem em si, como em

seu terreno de fundação.

Por outro lado, mesmo a barragem de terra possuindo vantagens e sendo o tipo

de barragem mais comum no Brasil, existe um déficit de pesquisas, pois a maior parte

das pesquisas geotécnicas na área de barragens é orientada para o estudo de obras

de grande porte, como barragens de concreto ou de aterro hidráulico, deixando em

segundo plano as obras menores. Dessa maneira, os projetistas ficam limitados

apenas a buscarem orientações provenientes de manuais técnicos, livros didáticos e

recomendações empíricas.

Este trabalho tem como objetivo a análise do fluxo de água no maciço de uma

barragem de terra homogênea com filtro com o auxílio dos softwares SEEP/W e

SLOPE/W, da plataforma GeoStudio.

1.2 Objetivos

1.2.1 Objetivo Geral

Analisar o emprego de filtros construídos com material granular no corpo de uma

barragem de terra para controle de fluxo de água.

1.2.2 Objetivos Específicos

• Obter as linhas de fluxo e determinar as equipotenciais no terreno de fundação da

barragem, através da ferramenta computacional SEEP/W;

• Levantar dados referentes ao gradiente hidráulico crítico no pé do talude de

jusante, valores da velocidade de vazão;

• Analisar a estabilidade do talude de jusante, através da ferramenta computacional

SLOPE/W;

• Verificar se o fluxo de água gera erosão interna no corpo da barragem de terra;

• Apresentar solução de estabilização disponíveis para a barragem.

10

2 REFERENCIAL TEÓRICO

Neste capítulo são abordados os principais aspectos de uma barragem de terra

homogênea, segurança de barragens, estudos geotécnicos, solos saturados e não

saturados, métodos construtivos, estabilidade da barragem de terra e estudo sobre as

ferramentas computacionais SEEP/W e SLOPE/W.

2.1 Barragens de terra

As primeiras barragens surgiram pela necessidade de se usufruir dos múltiplos

benefícios da água, inicialmente o objetivo era apenas o armazenamento de água

para o abastecimento e irrigação. De acordo com Jesus (2011), várias civilizações já

praticavam a arte da construção de barragens, sendo os egípcios os pioneiros na

construção dessas estruturas entre 2.950 a.C. e 2.750 a.C., principalmente devido aos

períodos de seca a que estavam sujeitos.

Segundo Cruz (2004), as barragens são estruturas para reter e acumular água,

e a arte de projetá-las está intimamente ligada ao controle do fluxo de água pelo

conjunto barragem-fundação. Silva (2016) ainda reforça que o não controle desse

fluxo pode gerar saturação no aterro compactado, além da barragem ficar submetida

a elevados valores de poropressão, que implica na redução da resistência ao

cisalhamento do solo podendo levar a estrutura à ruptura.

Já o Comitê Brasileiro de Barragens (2013) abrange um pouco mais essa

definição de barragem, como sendo, obstáculos artificiais com a capacidade de reter

água ou qualquer outro líquido, rejeitos, detritos, para fins de armazenamento ou

controle, podendo variar em tamanho desde pequenos maciços de terra, usados

frequentemente em fazendas, a enormes estruturas de concreto ou de aterro.

Estes aterros construídos para o armazenamento e controle especificamente

da água, são destinados para o abastecimento doméstico e industrial, à recreação, à

navegação, à irrigação, ao controle de sedimentação, ao controle de cheias e à

produção de energia elétrica. De modo geral, as barragens são construídas não para

servir apenas à uma função, mas sim para diversas funções, essas são conhecidas

como “barragens de usos múltiplos”.

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Figura 1 - Barragem de terra Fonte: Quintas (2010)

As barragens mais comuns em todo o mundo são as barragens de terra (Figura

1), traduzindo cerca de 63% do total mundial. Logo após, vêm as barragens em

concreto, de gravidade, com cerca de 17% (SOUZA, 2013). Segundo Massad (2010),

devido à disponibilidade de material terroso, pelas condições topográficas e com vales

muito abertos, essa barragem se torna a mais usual no Brasil. Além disso, essa

estrutura tolera fundações mais deformáveis, podendo ser construídas apoiadas sobre

solos moles, como no caso da barragem do rio Verde, próxima a Curitiba, com 15

metros de altura máxima.

Conforme Massad (2010, p. 178):

Uma variante desse tipo é a barragem de terra zoneada, construída com um único solo de empréstimo, mas compactado em condições diferentes de umidade, o que confere ao solo características geotécnicas diferentes [...]. Trata-se de uma otimização da seção de uma barragem de terra, para tirar partido das características do solo seco, usado nos espaldares, onde se deseja mais resistência (estabilidade), e do solo úmido, no núcleo, onde se quer baixa permeabilidade (estanqueidade).

Idealmente, os materiais de aterro deverão ser extraídos dentro da área do

reservatório ou áreas próximas da construção. De acordo com Stephens (2011), os

materiais semi-permeáveis tais como os solos argilo-arenosos, são os mais

adequados para compor o maciço de montante. Estes permitirão uma passagem de

água limitada e resistirão ao abatimento, quando molhado. Uma atenção especial às

técnicas de compactação deve ser dada quando solos de qualidade inferior são

12

usados, para diminuir ao máximo o volume de espaços de vazios e maximizar a sua

estabilidade quando molhados.

Ainda segundo Stephens (2011) no maciço de jusante e seções do aterro que

precisem massa e drenagem são usados materiais permeáveis, tais como areia

grossa e cascalho miúdo, sendo sempre necessário o conselho do profissional da área

para a utilização destes materiais em trabalhos de drenagem e filtro. Em geral, estes

podem ser melhor compactados se secos ou apenas ligeiramente úmidos.

2.2 Segurança de barragem

Em 1983 o Comitê Brasileiro de Barragens publicou alguns documentos para o

correto entendimento das diretrizes para a segurança de barragens, estes

documentos continham recomendações para procedimento de operação, inspeção,

verificação e instrumentação de barragens no Brasil. Em 2010, foi publicada a Lei

Federal 12.334 (BRASIL, 2010), que estabeleceu a Política Nacional de Segurança

de Barragens. As barragens em operação devem ser classificadas quanto ao risco e

dano potencial e confeccionar o Plano de Ação Emergencial.

A segurança de barragens é a condição que visa manter a sua integridade

estrutural e operacional da barragem e a preservação da vida, da saúde, da

propriedade e do meio ambiente. A responsabilidade sobre a segurança da barragem

recai sobre o proprietário e o concessionário e envolve todas as fases desde a

construção, comissionamento, operação e eventual abandono, respondendo pelas

consequências de eventuais incidentes e acidentes.

De acordo com a Política Nacional de Segurança de Barragens (PNSB), o

agente privado ou governamental com direito real sobre as terras onde se localizam a

barragem e o reservatório ou que explore a barragem para benefício próprio ou da

coletividade é o responsável legal pela segurança da barragem. Cabe a ele o

desenvolvimento de ações para garanti-la, entre as quais a realização de inspeções

de segurança e a elaboração de um Plano de Segurança de Barragens.

Com efeito o art. 2o, III da PNSB estabelece que:

13

“Segurança de barragem é condição que vise a manter a sua integridade

estrutural e operacional e a preservação da vida, da saúde, da propriedade e do meio

ambiente.”

Ainda segundo a PNSB, a segurança da barragem é responsabilidade do

empreendedor. Já a responsabilidade pela fiscalização da segurança das barragens

é dividida entre quatro grupos, de acordo com a finalidade da barragem. A saber:

i) Barragens para geração de energia: Agência Nacional de Energia Elétrica

(ANEEL);

ii) Barragens para contenção de rejeitos minerais: Departamento Nacional de

Produção Mineral – DNPM;

iii) Barragens para contenção de rejeitos industriais: Instituto Brasileiro do Meio

Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis (IBAMA) ou órgãos ambientais

estaduais, a depender da emissão da Licença Ambiental;

iv) Barragens de usos múltiplos: Agência Nacional de Águas (ANA) ou de

órgãos gestores estaduais de recursos hídricos.

Com todos os avanços obtidos relacionados à segurança de barragens, a

engenharia ainda não possui um domínio total dos mecanismos que levam aos

acidentes e incidentes nas rupturas. Os modelos e simulações matemáticas utilizados

para os cálculos de estabilidade das estruturas geram algumas incertezas, visto que

depende de dados de entrada pouco confiáveis ou inexistentes, além da dependência

de equipes técnicas qualificadas para as atividades de manutenção e monitoramento

das barragens (MEDEIROS, 2003).

2.2.1 Reavaliação da segurança de barragens

Com a intenção de detectar eventuais deteriorações e recomendar ações

remediáveis todas as barragens devem ser inspecionadas periodicamente sendo

analisadas as estruturas, o desempenho e verificação dos registros originais de

projeto e construção, para assegurar que estes obedeçam aos critérios em vigor. As

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recomendações envolvem inspeções de rotina, formais, de especialistas e de

emergência.

A periodicidade das reavaliações feitas deve ser em tempos regulares, tanto

para a barragem, como para suas estruturas associadas, incluindo-se seus planos de

operação, manutenção, inspeção e de emergência. Assim, é possível determinar se

as estruturas estão seguras, e caso não estejam, determinar as melhorias necessárias

para a segurança. Para uma barragem nova, a primeira reavaliação de segurança

deve ser completada em até 5 anos após o enchimento inicial.

Segundo sua classificação quanto às consequências de ruptura as barragens

devem ser submetidas periodicamente a uma reavaliação de suas condições de

segurança, caso seja necessária obra de reparo ou de manutenção, estas deverão

ser implementadas com a maior brevidade, bem como as providências e

recomendações devem ser registradas. Em caso de acidente, objetivando a

segurança das pessoas residentes nas proximidades das barragens um plano

emergencial deverá ser adotado visando o menor impacto possível.

2.2.2 Gestão de riscos em barragens

A gestão de riscos em barragens refere-se à realização de medidas para mitigar

o risco e à reavaliação frequente da sua eficácia. São aplicadas técnicas e princípios

de gestão adequados para minimizar as consequências de uma ocorrência ou a

severidade de consequências adversas (PEREIRA, 2009). A análise de risco está

intimamente ligada ao impacto da sua ruptura sobre indivíduos, sociedade e meio

ambiente e à avaliação das condições de segurança de barragens.

No contexto geral de avaliação das condições de segurança dessas estruturas,

têm-se a instrumentação e o monitoramento como partes integrantes do plano de

gestão de riscos e podendo ser usadas como ferramentas para a detecção de certas

ações. A manutenção de riscos em níveis toleráveis requer um controle contínuo

através de medidas como o monitoramento e inspeções periódicas da obra, além de

qualificação técnica dos responsáveis pela execução e projetos, e por fim, de

procedimentos corretos de operação e manutenção (USSD,.2003).

15

2.3 Principais elementos de uma barragem de terra

As barragens de terra podem variar quanto ao seu tipo de acordo com a

disponibilidade dos materiais de construção, sendo homogênea quando usado apenas

um tipo de solo e heterogênea (zoneada) quando usado dois o mais.

O primeiro exclui a proteção dos taludes, dessa forma, o material deve ser

suficientemente impermeável para formar uma barreira adequada contra a água, e os

taludes precisam ser relativamente suaves para uma boa estabilidade. A segunda, de

acordo com Gaioto (2003), possui um núcleo impermeável vertical ou inclinado,

espesso ou delgado envolvido por materiais considerados mais permeáveis. O artifício

de inclinar o núcleo para o talude de montante é para aumentar a estabilidade no

talude de jusante, uma vez que as superfícies potenciais de ruptura nesse talude

cortam uma pequena parcela do núcleo que possui uma menor resistência ao

cisalhamento do que os espaldares. Para compensar a perda de resistência no talude

de montante o reservatório deve-se manter cheio para exercer uma pressão que

estabilize esse talude.

A seguir serão apresentados alguns dos principais elementos que compõem

uma barragem de terra, de acordo com as Figuras 2 e 3.

Figura 2 - Barragem de terra homogênea Fonte: Carvalho (2011)

16

Figura 3 - Barragem de terra zoneada Fonte: Carvalho (2011)

2.3.1 Fundação

A fundação é o embasamento geológico onde é apoiado o aterro, sendo os

principais aspectos a se analisar para a construção a estanqueidade, a

deformabilidade e a estabilidade.

A estanqueidade diz respeito à dificuldade da passagem da água pelo maciço

ou fundação. Já a deformabilidade está ligada à deformação que a fundação pode

apresentar sem apresentar a ocorrência de ruptura da estrutura. A estabilidade, por

fim, se relaciona ao estudo da possibilidade de ruptura das cargas impostas pelo

reservatório ou pela presença de solos de baixa resistência ou compressíveis

(COSTA, 2012).

As investigações desses aspectos podem ser feitas através do estudo de

mapas topográficos e geológicos, abertura de poços, sondagens e ensaios de

laboratório para a caracterização do material granular (LL, LP, ensaio de

granulometria e compactação).

17

2.3.2 Crista

A largura da crista é determinada em função da necessidade de tráfego sobre

ela. Em geral, adota-se valores entre 6 e 12 metros, podendo ser mais para barragens

mais robustas. O mínimo recomendado para qualquer tipo de aterro é de 3 metros,

pois deve-se garantir condições mínimas de acesso, para a execução de serviços e

manutenção (GAIOTO, 2003).

2.3.3 Borda Livre

Segundo Gaioto (2013) borda livre é a diferença entre o nível da crista e do

nível máximo do reservatório, para que as ondas formadas não ultrapassem a

barragem. A altura máxima da onda é calculada em função da velocidade do vento e

da extensão do reservatório na direção do vento considerada (fetch). O valor mínimo

para a borda livre é de 0,5 metros.

2.3.4 Núcleo

Usado em aterros mistos, são materiais pouco permeáveis, em geral

apresentam pouca resistência ao cisalhamento, como os solos argilosos e são

dispostos na parte interna da seção da barragem para limitar a percolação de água.

A estabilidade é garantida pelos materiais com maior resistência, como os

pedregulhos que são colocados na parte lateral do barramento (GAIOTO, 2003).

2.3.5 Proteção dos taludes

Gaioto (2003) explica que devido a distância entre o topo e o pé do talude, as

águas da chuva podem ganhar grandes velocidades e causar erosão no talude de

jusante. Esse problema pode ser resolvido com a subdivisão do talude em trechos de

altura não superior a 10 metros, com cerca de 3 a 5 metros de largura (bermas), esse

mecanismo é utilizado para reduzir a velocidade da água. Além disso, para combater

a erosão superficial planta-se grama com raízes profundas em toda a área do talude

e bermas.

Já para a proteção contra a ação erosiva das ondas que surgem no volume

acumulado do reservatório, Lima (2011) recomenda que no talude de montante seja

18

executado estruturas como rip rap, a aplicação de concreto projetado, de concreto

betuminoso ou de solo-cimento.

2.3.6 Trincheira de vedação

Massad (2010) define a trincheira de vedação ou cut off como uma escavação,

feita no solo de fundação, que é preenchida com o solo compactado, é um tipo de

prolongação do aterro para baixo.

2.3.7 Tapete impermeável

De acordo com Massad (2010) o tapete impermeável é uma prolongação da

barragem de terra para montante aumentando assim o caminho de percolação, que

acarreta nos seguintes itens:

a) Aliviar as pressões neutras a jusante do aterro;

b) Diminuir os gradientes de saída;

c) Reduzir a vazão ou perda d’água.

2.4 Estudos geotécnicos para a construção de barragens de terra

Para a construção de barragem são realizadas investigações geotécnicas em

diversas etapas pelas quais, acompanham a evolução gradativa do projeto, desde a

fundação do local da construção até os materiais do aterro. Os parâmetros mais

importantes para analisar são: resistência, permeabilidade e compressibilidade. Nas

investigações é importante considerar o transporte do material até o local da obra,

pois o custo de transporte, muitas vezes, representa a maior parcela do custo total do

aterro compactado (GAIOTO, 2003).

Alguns dos principais ensaios são: LP, LL, ensaio de granulometria,

compactação e permeabilidade.

Para solos finos ou coesivos, a consistência está associada à quantidade de

água que existe no solo (teor de umidade), uma vez que a consistência descreve o

grau de ligação entre as partículas da substância. A determinação dos limites de

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consistência do solo (Limites de Atterberg) são descobertos através dos ensaios de

Limite de Liquidez e Plasticidade.

Pinto (2006) explica que quando muito úmido, o solo se comporta como um

líquido, com resistência ao cisalhamento quase nula. Quando a água é gradualmente

reduzida, a argila oferece resistência a deformações, fica plástica. Com a contínua

perda de água, o solo entra no estado semissólido e posteriormente no estado sólido

(maior rigidez), como ilustra a Figura 4. Os Limites de Liquidez e Plasticidade são os

teores de umidade correspondente às mudanças de estados, sendo a diferença entre

eles a faixa de valores em que o solo se apresenta plástico, é definido como Índice de

Plasticidade (IP) do solo.

Figura 4 - Limites de Atteberg dos solos Fonte: Suporte (2017)

Em geral as partículas de solo são de diversos tamanho, realiza-se então a

análise granulométrica para reconhecimento do “diâmetro” (diâmetro equivalente) dos

grãos de um solo, que consiste em duas fases: peneiramento e sedimentação. Com

o peneiramento é obtido a porcentagem de solo que passa em cada peneira relação

ao peso do solo seco total, dessa forma é possível visualizar graficamente a curva de

um solo, como ilustrado genericamente na Figura 5. Para diâmetros menores que

0,075mm emprega-se a técnica da sedimentação, que se baseia na Lei de Stokes.

Essa lei relaciona a velocidade de queda das partículas, o peso específico do solo, o

20

peso específico do fluido, a viscosidade do fluido e o diâmetro da esfera, na Equação

1 (PINTO, 2006):

𝑣 =𝛾𝑠 − 𝛾𝑤

18 ∙ 𝜇∙ 𝐷2 (1)

Figura 5 - Curva de distribuição granulométrica do solo Fonte: Pinto (2006)

O coeficiente de permeabilidade pode ser determinado a partir dos seguintes

ensaios:

a) Permeâmetro de carga constante

O ensaio de carga constante é aplicado em solos granulares ou solos com alta

permeabilidade, consiste em manter uma carga h, durante um certo tempo, a água

que percolou é retirada e medida seu volume. O esquema é mostrado na Figura 6.

Com os valores conhecidos, o coeficiente de permeabilidade pode ser

calculado a partir da Lei de Darcy (Equação 2):

𝑘 =𝐿 𝑄

ℎ 𝐴

(2)

21

Figura 6 - Permeâmetro de carga constante Fonte: Autores (2018)

b) Permeâmetro de carga variável

Segundo Pinto (2006), quando a permeabilidade é muito baixa, a determinação

do coeficiente de permeabilidade pelo permeâmetro de carga constante não é muito

precisa. Uma alternativa é o de carga variável, apresentado na Figura 7.

Figura 7 - Permeâmetro de carga variável Fonte: Autores (2018)

Esse ensaio baseia-se na verificação da variação do tempo em relação a

variação de altura da água na bureta, segundo a Equação 3:

22

𝑘 = 2,3𝑎 𝐿

𝐴 𝑡log

ℎ𝑖

ℎ𝑓

(3)

c) Ensaio de permeabilidade in situ (Lefranc)

Os ensaios de permeabilidade em furos de sondagens consistem na medida

da vazão, representada pelo volume d’água absorvido ou retirado, durante um

intervalo de tempo, em função da aplicação de diferenciais de pressão induzida por

colunas d’água, resultante da injeção ou da retirada de água do furo (WILSON, 1999).

Os ensaios de campo são menos precisos do que os de laboratório, devido os

parâmetros envolvidos. Contudo, são realizados no solo em situação real. A precisão

do ensaio laboratorial é em relação a amostra, mas não representa fielmente o solo

(SILVA, 2006).

d) Métodos indiretos

Para solos argilosos, é mais adequado a determinação do coeficiente de

permeabilidade durante o ensaio de adensamento, uma vez que a velocidade com

que a água sai dos vazios é consequência da velocidade com que um solo recalca

quando submetido a uma compressão.

2.5 Solos saturados

De acordo com Cruz (2004), a permeabilidade é a facilidade (ou dificuldade)

que um meio poroso oferece à passagem de um fluido pelos seus vazios. Já o termo

condutividade hidráulica se refere a facilidade que um meio delimitado oferece ao

fluxo, como é o caso de fissuras ou fraturas rochosas e “caminhos confinados” em

descontinuidades rochosas.

O deslocamento da água, que ocupa uma fração considerável dos vazios do

solo, ocorre quando há diferenças de potenciais. Esse deslocamento está vinculado à

dimensão e a forma dos vazios existentes, o que define a permeabilidade (SILVA,

2016).

Os fatores que podem influenciar no coeficiente de permeabilidade do solo são

resumidos por Pinto (2006):

23

• Estado do solo: proporcionalidade entre o coeficiente de permeabilidade (k) e o

índice de vazios (e) do solo. Quanto mais fofo o solo mais permeável ele é;

• Grau de Saturação: a percolação da água não remove todo o ar existente num

solo não saturado. Desta forma, o coeficiente de permeabilidade de um solo não

saturado é menor do que de um solo totalmente saturado;

• Estrutura: a permeabilidade depende não só da quantidade de vazios do solo,

como também da disposição relativa dos grãos;

• Anisotropia: geralmente, o solo não é isotrópico em relação à permeabilidade;

coeficientes médios de permeabilidade na direção horizontal 5, 10 ou 15 vezes

maiores do que na vertical são comuns;

• Temperatura: o coeficiente de permeabilidade depende do peso específico e da

viscosidade do líquido. Ora, estas duas propriedades da água variam com a

temperatura, sendo a viscosidade muito sensível.

2.6 Considerações sobre métodos construtivos de barragens

De acordo com Gaioto (2003) no processo executivo de uma barragem de terra,

alguns métodos são considerados, tais como, escavação das jazidas, processamento

dos materiais, transporte dos materiais, acomodação do material no maciço da

barragem, controle da umidade, controle da compactação, controle de qualidade, etc.

Várias possibilidades devem ser levadas em consideração na escolha do

método construtivo, à medida que se segue a construção da barragem é aconselhável

estar sempre à disposição a maior quantidade possível de maquinas e equipamentos

devido aos diferentes tipos de materiais e locais a serem coletados que compõe a

barragem.

Com relação aos custos de logística dos materiais deve-se levar em

consideração o trajeto e o carregamento. Para um bom percurso o carregamento é

que tem que ser analisado e quando esse percurso tem uma distância considerável o

método do transporte que se tem à disposição tem que ser analisado.

Deve-se ter um cuidado excessivo na escavação das jazidas que irão compor

a barragem para que não ocorra mistura de materiais, para isso, a escolha do

equipamento adequado deve ser feita com cuidado, com isso é aconselhável fazer-se

24

várias pequenas escavações com pequenos equipamentos e só utilizar-se de grandes

escavadeiras para remoção de materiais homogêneos. Outro cuidado é na exposição

do material ao tempo e ao sol que em alguns casos altere a umidade excessiva

natural.

Gaioto (2003) ainda afirma que para a construção de um maciço em uma

barragem de terra deve-se seguir as seguintes etapas: locação da construção,

limpeza e preparação do local, escavação, transporte, separação e espalhamento dos

materiais, correção da umidade, homogeneização e compactação, atendendo

também todos os cuidados a fundação para com materiais e equipamentos.

2.6.1 Locação da construção

Segundo Stephens (2011), pré-requisito para o início da construção para que

não haja desperdício de trabalho e materiais, tais como, evitar limpezas de solo

desnecessárias e a perda de estacas e de piquetes de referência. O eixo da barragem

deverá ser novamente estabelecido com estacas de referência adicionais e em

número substancial quando ocorrer a perda de estacas de levantamento originais,

instaladas nas extremidades do eixo, a uma boa distância de onde ocorrerá a

construção.

As estacas utilizadas serão para indicar o núcleo e o coroamento ou

crista/soleira, caso o núcleo seja central e possua a mesma largura do coroamento ou

crista/soleira as mesmas terão dupla função.

No lado do descarregador/vertedor, as estacas são postas onde começa e

acaba o corte do descarregador/vertedor (se existente) e estacas adicionais são

colocadas em arco ao longo dos lados do canal do descarregador/vertedor.

De acordo com Stephens (2011) é desejável um intervalo de 15 m entre estacas

e cada uma deve indicar a profundidade de escavação necessária, fazendo nota do

declive dentro do próprio descarregador/vertedor (normalmente 1:400), necessário

para levar a vazão de cheia a fluir para fora do muro-guia e do sopé do aterro.

25

2.6.2 Limpeza, preparação do local e escavação

Segundo Stephens (2011), toda vegetação e solo superficial têm que ser

removidos, o que deverá normalmente ser feito à mão com auxílio de equipamentos

adequados previamente disposto no local da obra, a pá niveladora ou pá de arrasto

deverá ser usada para o deslocamento de cerca de 10 cm da camada superficial do

solo e deverá ser armazenada num local destinado para que mais tarde possa ser

reutilizado para recobrir o aterro concluído ou outras áreas.

As áreas de empréstimo deverão ser locadas, antes do início da construção, e

as amostras do solo deverão ser analisadas por um laboratório local previamente. Em

barragens de pequeno porte poderá ser suficiente a avaliação físico-visual. Embora

seja desejável que as áreas de empréstimos se localizem dentro da área demarcada

para a obra (STEPHENS, 2011).

O material retirado da área de empréstimo será monitorado periodicamente a

fim de verificar que o teor de umidade e a qualidade não foram alterados e garantam

poder ser reutilizados.

Segundo Gaioto (2003), a forma mais adequada de escavação é através do

auxílio de maquinas, tais como, escavadeiras (Figura 8), pás carregadeiras (Figura 9),

dragas (Figura 10), “scrapers”, “loaders”, etc. Onde cada equipamento terá sua

vantagem embora todos sejam utilizados na mesma obra.

Figura 8 – Escavadeira Fonte: Alle (2018)

26

Figura 9 - Pá carregadeiras Fonte: CDI (2014)

Figura 10 – Draga Fonte: EaeMáquinas (2016)

De acordo com Massad (2010), deve-se ter cuidados com as escavações nas

áreas de empréstimos quanto as drenagens, com o intuito de evitar a saturação em

épocas de chuva. O material orgânico de pouca espessura que aflora na superfície

27

poderá ser estocado e reutilizado após as escavações a fim de propiciar a

recomposição da vegetação natural.

2.6.3 Transporte, separação e espalhamento

Segundo Gaioto (2003), diversas formas de transporte podem ser utilizadas

na obra, o que deve ter atenção é no tráfego de máquinas devido ao peso, para que

não haja supercompactação do solo. Os principais meios de transportar os materiais

são os caminhões basculantes, vagões, calhas, correias transportadoras, tubulações,

etc.

O mesmo autor ainda ressalta que a separação dos matérias provenientes

das escavações é feita por meio de grades a fim de remover blocos de rochas e/ou

matacões para não prejudicar a compactação. Para evitar a formação de possíveis

caminhos preferenciais de percolação na direção montante-jusante, o espalhamento

deve ser feito em camadas, podendo também ser feito em pilhas e leiras e essas são

espalhadas por meio de tratores de lâmina ou motoniveladoras.

2.6.4 Correção de umidade, homogeneização e compactação

Segundo Gaioto (2003), antes da compactação, deverá ser feita a correção

da umidade do material do aterro predominantemente na área de empréstimo e devido

as dificuldades de homogeneização no máximo 1% deverá ser ajustado no local da

barragem. No caso de haver diferença de umidade natural entre área de empréstimo

e a desejada, operações de correção devem ser iniciadas com muita antecedência

em relação a de escavação com irrigação ou aeração. Já no caso em que o material

apresenta excesso de umidade será necessário à sua exposição ao sol junto ao

gradeamento contínuo da camada superficial. A etapa que antecede a compactação,

e não menos importante, é a homogeneização do material solto, remanescente da

camada inferior e o da camada lançada da área de empréstimo como também a

uniformização da humidade em toda a espessura da camada. Este processo certifica

uma perfeita uniformização na compactação.

De acordo com Gaioto (2003), para chegar ao resultado desejado na

compactação do material, as empreiteiras dispõem de uma grande variedade de

28

equipamentos compactadores, onde quem define o equipamento adequado é o tipo

de material e a espessura da camada a ser compactada. Os principais tipos de

compactadores são: rolos pé-de-carneiro, rolos “tamping”, rolos pneumáticos

pesados, rolos vibratórios, compactadores manuais e placas vibratórias (Quadro 1).

Quadro 1 – Principais tipos de compactadores

Equipamento Compactador

Tipo de solo Espessura da

camada

Rolos pé-de-carneiro Argilosos 15 a 30 cm

Rolos tipo "tamping" Argilas arenosas ou siltes argilosos 15 a 30 cm

Rolos pneumáticos Argilas arenosas, siltes argilosos e

areias com pedregulhos 10 a 20 cm

Rolos vibratórios Enrocamentos e materiais

granulares 15 a 30 cm

Compactadores manuais Primeira camadas de fundação em rocha e em locais de difícil acesso

10 cm

Placas vibratórias Filtros em chaminé 30 cm Fonte: Autores (2018)

2.7 Filtros

O dimensionamento a eficiência e a segurança de uma barragem devem ser

assegurados no projeto inicial. Para atender estes requisitos básicos deve ser

garantido um correto dimensionamento do filtro, prevenindo dessa forma, a

insurgência de água na face do talude de jusante para controlar o fluxo e as

poropressões no maciço e fundação.

O uso de filtros é fundamental para o controle da erosão interna em barragens,

sendo destacado por Fell et al. (2015) que, se os filtros não funcionarem

adequadamente, maior será a probabilidade de desenvolvimento da erosão interna, o

que poderá induzir a ruptura da barragem.

Até o começo do século XX eram desconhecidas as causas da erosão interna,

ainda que fossem frequentes as rupturas por ela ocasionadas. Uma das primeiras

tentativas de análise de casos de erosão interna resultou em uma série de regras

29

baseadas na admissão de que a única causa deste fenômeno era devida a erosão

que ocorria ao longo da superfície de contato entre a base da barragem e a fundação

(ESTEVES, 1964).

Assim, o material constituinte do filtro deve ser suficientemente fino para que

evite o carreamento de partículas do solo através dele e por outro lado, deve ter

granulometria grossa para que as forças de percolação desenvolvidas no seu interior

sejam pequenas. Desta forma, têm sido estabelecidos vários critérios de projeto de

filtro para atender aos seus requisitos. O que se observa, entretanto, que os materiais

para filtro devem satisfazer os critérios aparentemente antagônicos. Por um lado evitar

a erosão interna (“piping”) em que os vazios dos filtros devem ser suficientemente

pequenos para impedir que partículas do solo, que se deseja proteger, migrem através

dos filtros e por outro lado à permeabilidade onde os vazios dos filtros devem ser

suficientemente grandes para permitirem a passagem livre do fluxo e, desta forma,

possibilitar o controle de sub- pressões.

O dimensionamento é efetuado por meio das equações do método do Massad

(2003), que foram deduzidas através da Lei de Darcy:

𝑏 = 𝑄/𝐾 para filtros verticais e

(4)

𝐵 = √𝑄 𝐿

𝐾 para filtros horizontais

(5)

onde Q é a vazão absorvida pelo filtro; K é o seu coeficiente de permeabilidade; L é o

seu comprimento.

É também previsto uma prevenção contra o piping e garantia da passagem de

água através das Equações 6 e 7.

𝐷15 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜 > 5 ∙ 𝐷15 𝑠𝑜𝑙𝑜 (6)

𝐷15 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜 < 5 ∙ 𝐷85 𝑠𝑜𝑙𝑜 (7)

Segundo Pimenta (2013), os projetos de dimensionamentos de filtros de

barragens são estabelecidos com base em critérios obtidos por meio de ensaios

30

laboratoriais, necessitando de uma abordagem teórica para o seu melhor

desempenho. O projeto de um filtro também deve conter a granulometria do material

a ser empregado. Esta granulometria deve ser tal que:

a) As partículas menores se acomodem nos vazios entre as partículas maiores, de

modo que o conjunto atue sempre como camada filtrante, ou seja, o material sólido

deve ser retido e a água consiga percolar com facilidade. Quando tal ocorre, a água

que surge a jusante do filtro se apresenta límpida e isenta de material sólido;

b) O material mais fino seja retido pelo filtro, evitando o carreamento de partículas

sólidas e, consequentemente, a formação de erosão regressiva (“piping”);

c) Os vazios do material do filtro devem ser suficientemente pequenos, de forma que

impeçam a passagem das partículas do solo a ser protegido;

d) os vazios do filtro devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a

livre drenagem das águas e o controle de forças de percolação, impedindo o

desenvolvimento de altas pressões hidrostáticas, isto é, a carga dissipada no filtro.

Observa-se que os filtros críticos se localizam, à jusante do núcleo (filtro

vertical) e no encontro do aterro de jusante com a fundação (tapete drenante). Os

filtros referentes às regiões críticas são essenciais, devendo ter prioridade no tempo

gasto no projeto de controle de fluxo. Os filtros, referentes ao fluxo paralelo às

interfaces dos taludes de montante e jusante, são propostos respectivamente para

controle de erosão superficial, devido à ação das ondas advindas do reservatório da

barragem e das precipitações. Se tratando de barragem de contenção de água, na

prática, utiliza-se rip rap para proteção do talude de montante, sendo uma camada de

cobertura parcial que vai do meio do talude até à crista, e proteção vegetal no talude

de jusante. Os principais tipos de filtros são:

2.7.1 Filtros chaminé (vertical ou inclinados)

Os filtros chaminé tem por função evitar que o material seja carregado de

montante para jusante. Estes tipos de filtros devem ser utilizados para barragens de

terra de seções homogêneas, além de drenos de pé e deverá ter seu topo na cota

correspondente ao nível d’água máximo do reservatório, barragens de pequeno porte,

poderão dispensar os filtros vertical e/ou sub-horizontal contínuos podendo ser

31

substituídos por um sistema de drenos de pé e de fundação. Ressalta-se, entretanto

a importância dos filtros verticais nos diques de selas, mesmo que de pequena altura.

No caso de barragens de seção mista, o sistema de drenagem interna será

constituído por camadas filtrantes e o espaldar de enrocamento de jusante. Os

sistemas de drenagem na fundação consistirão, onde pertinente, de trincheiras

drenantes e poços de alívio espaçados regularmente a jusante, além do próprio filtro

ou dreno sub-horizontal do maciço, com o objetivo de controlar gradientes hidráulicos

de saída na parte jusante da barragem e de reduzir as subpressões.

Mello (1977), demonstrou que a adoção de um filtro inclinado apresenta

vantagens significativas sobre o dreno vertical, pois proporciona menor risco de uma

ruptura do talude de jusante na fase de operação. Este autor, ainda indica o

posicionamento do filtro inclinado para montante, proporciona menor risco de uma

ruptura do talude de jusante na fase de operação. A adoção do dreno inclinado para

montante gera um maior peso na porção jusante e tende a melhorar as suas condições

de estabilidade. Os filtros chaminé tem função “cicatrizante”, ou seja, no caso da

ocorrência de uma trinca no maciço perto da zona de filtro em que os materiais finos

do filtro tendem a migrar para dentro da fratura funcionam como selante e evitam o

desenvolvimento e a propagação da mesma. Desta forma podem ser projetados com

largura mínima construtiva uma vez que, normalmente, sua capacidade de vazão é

grande em relação à vazão de percolação através do maciço compactado.

2.7.2 Filtros horizontais (tapetes drenantes)

Os drenos horizontais além de controlar o fluxo da água através da fundação

têm a função de dar vazão à água que percola pelo maciço da barragem. Por esta

razão, os drenos horizontais devem ser contínuos e revestir toda área da fundação,

leito do rio e ombreiras, até pelo menos o nível freático do reservatório. Neste tipo de

filtros, a gradiente deve ser baixa e para que as pressões piezométricas sejam “nulas”.

Assim, é necessário que a permeabilidade do dreno seja suficientemente elevada para

proporcionar uma vazão de fluxo sob gradientes muito baixos (CRUZ 1996). A

execução de “filtros-sanduíche” composto por areia e brita é uma das alternativas para

a construção da drenagem horizontal, a vantagem deste procedimento é proporcionar

diminuição nas espessuras do filtro e maior capacidade drenante.

32

2.8 Estabilidade da barragem de terra

Segundo Massad (2010), os métodos atuais para a análise de estabilidade de

talude, baseiam-se na hipótese de existir equilíbrio em uma massa de solo, atribuída

como corpo rígido-plástico, com prenúncio de sofrer o processo de escorregamento.

Pelas equações de equilíbrio e conhecimento das forças atuantes, é determinado as

tensões de cisalhamento induzidas. O Fator de segurança (F) é definido através da

relação entre a resistência ao cisalhamento do solo (s) e a tensão cisalhante atuante

(𝜏) no estudo da estabilidade de taludes de barragem de terra e naturais (Equação 8).

𝐹𝑠 = 𝑠/𝜏 (8)

De acordo com Meirelles (2013), usualmente utiliza-se valores para Fator de

Segurança maiores ou igual a 1,5 para o final da construção e reservatório no nível

máximo de operação, e a partir de 1,2 para rebaixamento rápido do nível do

reservatório (se for o caso). Carvalho e Paschoalin Filho (2004) utilizaram valores

próximos a estes na análise de barragens de terra (Quadro 2).

Quadro 2 - Fatores de Segurança para Verificação da Estabilidade

Condição de solicitação Talude FSmínimo

Final da construção Montante 1,3

Jusante 1,3

Regime permanente de operação Montante 1,5

Jusante 1,5

Rebaixamento do reservatório (Nível Água máximo - NA mínimo)

Montante 1,1

Fonte: Carvalho e Paschoalin Filho (2004)

Segundo Meirelles (2013), o carreamento das partículas mais finas através

das partículas mais grossas do mesmo material, configura como processo de erosão

interna e o controle do fluxo de água no corpo da barragem é decorrente da

possibilidade de ocorrer o piping e a emergência da água no talude de jusante, pois a

percolação da água é um dos maiores fatores da ocorrência de escorregamento de

taludes, onde após a penetração da agua o solo perde resistência por encharcamento,

fato esse fez com que ao longo dos anos engenheiros desenvolvessem soluções para

tal problema. Onde a implantação de filtros com diversas características e de materiais

granulares resolveu o problema, capitando e direcionado o fluxo.

33

De acordo com Meirelles (2013), para atender adequadamente ao princípio

de estabilidade, os taludes de montante e de jusante por regra são diferentes. A

pressão de percolação é favorável a estabilidade do talude de montante para jusante

e desfavorável ao talude de jusante após a percolação da água do montante para o

de jusante. Devido a diminuição da resistência ao cisalhamento do solo e ao aumento

das forças atuantes, escorregamentos são provocados, por isso a necessidade de

comparar as tensões cisalhantes e a resistência ao cisalhamento numa superfície

potencial.

Meirelles (2013) também ressalta que sejam realizadas análises sobre abalos

sísmicos na região, para que não seja gerado solicitações dinâmicas ao aterro com

uma possível ruptura. Outros cuidados são em relação ao adensamento; devido ao

próprio peso da barragem e do trafego de cargas móveis sobre o aterro (Figura 11),

afundamento; quando a camada da base da barragem tem uma baixa capacidade de

suporte (Figura 12) e escorregamento; quando uma camada com baixa resistência ao

cisalhamento está sobre uma camada resistente (Figura 13).

Figura 11 - Adensamento de Barragens de Terra

Fonte: Sandoval (2011)

Figura 12 - Ruptura por Afundamento Fonte: Almeida, s.d.

34

Figura 13 - Ruptura por Escorregamento Fonte: Almeida, s.d.

2.9 Estudos sobre as ferramentas computacionais SEEP/W e SLOPE/W

Para casos simples e muito particulares onde não há linearidade geométrica,

os problemas de superfície livre podem ser solucionados analiticamente. É necessário

que se adote algum método numérico baseado na discretização do domínio de

percolação para que situações mais complexas possam ser analisadas. Entre os

vários métodos disponíveis, o Método dos Elementos Finitos (MEF) ainda é,

provavelmente, o mais utilizado (STRUFALDI, 2004).

Segundo Pavanello (1997), “... o Método dos Elementos Finitos foi criado com

o objetivo de resolver os problemas de mecânica que não admitem soluções fechadas

(de forma analítica)”. De outro modo, ele se baseia em uma discretização de domínios

para se chegar numa aproximação do comportamento da estrutura como um todo,

que podem ter geometrias irregulares arbitrárias, gerando assim elementos poligonais

básicos através da resolução das aproximações em seu nós (MORAES, 2015).

O SEEP/W e o SLOPE/W são programas em elementos finitos que analisam

problemas de percolação de água, dissipação de poropressões em solos e

estabilidade de talude. Os programas permitem vários tipos de análises, desde as

mais simples em meios saturados e regime estacionário até as mais complexas

envolvendo materiais não saturados em regime transitório. Esta plataforma permite

que o usuário crie a geometria na própria área de trabalho ou importe um arquivo no

formato .dxf, gere a malha de elementos finitos, imponha as condições de contorno e

resolvendo numericamente o problema e tratando graficamente os resultados obtidos.

35

3 METODOLOGIA

Esta pesquisa está relacionada à análise do emprego de filtros com material

granular no corpo de uma barragem de terra homogênea para o controle de fluxo de

água e à análise de estabilidade do talude de jusante cujo filtro melhor controlou o

fluxo e as poropressões no maciço e fundação. Sendo assim, a metodologia proposta

e aplicada nesta pesquisa consistiu na seguinte sequência:

3.1 Configuração da barragem hipotética

Os parâmetros geométricos e geotécnicos da barragem analisada, como:

inclinação dos taludes de montante e jusante, largura da crista e altura da barragem

foram obtidos em literatura, em que foram encontrados alguns tipos de estruturas e

comportamento (MASSAD, 2003; STRUFALDI, 2004; MIRANDA, 2009; DIAS, 2015).

Os dados geotécnicos da barragem e da fundação estão indicados nas Tabelas 1 e

2.

Tabela 1 - Materiais geotécnicos utilizados na análise

Material Classificação do solo Peso específico

natural (kN/m³)

Maciço Areia silto argilosa 18

Filtro vertical Areia natural fina 18

Tapete

drenante/Areia

Areia natural média e

grossa

19

Fundação Arenito 20

Fonte: Autores (2018)

Tabela 2 - Parâmetros geotécnicos adotados

Intercepto

coesivo (kPa)

Ângulo de

atrito interno

(º)

Θ

(m³/m³)

Θr

(m³/m³)

kv

(m/s)

kh

(m/s)

20 22 0,85 0,1275 1,0x10-8 1,0x10-7

0 32 0,45 0,045 1,0x10-4 1,0x10-4

0 34 0,45 0,045 1,0x10-3 1,0x10-3

25 35 - - 1,0x10-6 1,0x10-6

Fonte: Autores (2018)

36

No caso de não haver ensaios de laboratório para a determinação dos

parâmetros geotécnicos, foram adotados peso o específico efetivo do solo, o ângulo

de atrito e o intercepto coesivo a partir dos valores propostos em Cintra (2010). Os

dados de propriedades hidráulicas foram adotados tomando como referência Pinto

(2006) que apresenta valores típicos de coeficiente de permeabilidade.

3.2 Utilização do programa SEEP/W e SLOPE/W

O software SEEP/W é um modelo matemático que simula o processo físico real

da água fluindo por entre as partículas do solo, através do método dos elementos

finitos, é formulado apenas para que o fluxo siga a Lei de Darcy. Lembrando também

que as condições reais são simplificadas para o modelo tornar-se possível de ser

resolvido e para se obter a melhor resposta possível. O programa SLOPE/W utiliza a

teoria de equilíbrio limite para calcular o Fator de Segurança de taludes em solos ou

rochas. Estes programas necessitam de dados de entrada (presentes nas Tabelas 1

e 2) para iniciar o processamento de dados e fornecer o possível comportamento da

barragem.

3.2.1 Geometria da estrutura

A geometria da seção da barragem foi definida com o auxílio do software

AutoCad 2018 e salvo no formato 2010 .dxf, como ilustra a Figura 14. Todas as

medidas em metros.

Figura 14 - Corte esquemático da barragem de terra e suas dimensões Fonte: Autores (2018)

37

3.2.2 Especificações dos materiais e condições de contorno

Os parâmetros geotécnicos adotados estão indicados nas Tabelas 1 e 2.

Diversos autores consideram os solos como sendo isotrópicos para os materiais cujo

os valores de condutividade hidráulica variam na ordem de magnitude de 1 – 2 na

maioria das formações geológicas, como ocorreu na fundação, no tapete drenante e

no filtro. No presente estudo, o único material anisotrópico é o aterro que devido à

compactação apresenta condutividade na direção horizontal dez vezes maior que na

direção vertical.

Foi definida apenas para a fundação a condição de condutividade constante

(totalmente saturado), para os demais materiais a condição de saturação parcial,

devido as características e forma das funções de retenção e permeabilidade. A Figura

15 ilustra como foram definidos os materiais utilizados na análise.

Figura 15 - Definição dos materiais Fonte: Autores (2018)

Outro parâmetro importante são as condições de contorno quanto a carga

hidráulica de montante e jusante no SEEP/W adotando a premissa de regime

permanente: talude de jusante, com nível de água a montante na elevação normal de

operação, considerado dissipação total do excesso de pressão neutra no maciço.

As análises de estabilidade do talude de jusante foram realizadas pelo método

de equilíbrio limite que envolvem a definição de uma superfície de deslizamento por

toda a massa do talude e a divisão desta massa em fatias verticais. Utilizou-se o

38

critério de Morgenstern & Price no SLOPE/W, que considera equilíbrio de momentos

e equilíbrio entre forças horizontais e verticais nas fatias.

3.2.3 Aplicação dos medidores de vazão

Através do SEEP/W é possível extrair informações quanto ao fluxo de água, ou

seja, da vazão que passa por uma determinada seção. Nesta análise foram

introduzidos (Figura 16) medidores de vazão localizados à montante e à jusante no

maciço e na fundação.

Figura 16 - Seção 1: Locação dos medidores de vazão Fonte: Autores (2018)

3.2.4 Inserção dos filtros

É prudente considerar sistemas internos de controle de percolação em projetos

de barragem de terra, sendo os filtros a prática mais consagrada dentre os projetistas,

pela sua capacidade de controlar o fluxo e as pressões neutras no maciço e fundação,

além de prevenir o afloramento de água na face do talude de jusante.

Nesta pesquisa foram adotados e analisados quatro tipos de filtros usuais:

tapete drenante, dois tipos de filtros inclinados com tapete drenante e um filtro vertical

com tapete drenante, sendo esse o filtro recomendado apenas para barragens até

20,0m (máximo de 30,0m), por questões de concentração de tensões. Para barragens

além dessa altura, deve-se adotar o dreno inclinado.

Ambas as larguras apresentaram as dimensões mínimas, logo foi modelado no

SEEP/W com a largura de 1 metro. Os modelos dos perfis típicos empregados nesta

pesquisa estão ilustradas nas Figura 17 a 20. Em geral, as seções são compostas de

39

aterro compactado e considera um sistema interno de frenagem singular. Objetivou-

se com isso, controlar a percolação da água e conduzi-la para um local seguro.

Figura 17 - Seção 2: Barragem de terra com tapete drenante Fonte: Autores (2018)

Figura 18 - Seção 3: Barragem de terra com filtro vertical e tapete drenante Fonte: Autores (2018)

Figura 19 - Seção 4: Barragem de terra com filtro inclinado (130°) e tapete drenante Fonte: Autores (2018)

40

Figura 20 - Seção 5: Barragem de terra com filtro inclinado (50°) e tapete drenante Fonte: Autores (2018)

41

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO

A primeira etapa desta pesquisa foi a análise da percolação de água na

barragem hipotética sem aplicação do filtro, ilustrada na Figura 21.

Figura 21 - Seção 1: Diagrama de rede de fluxo Fonte: Autores (2018)

Naturalmente, houve um aumento da vazão pela fundação à medida que o fluxo

se aproxima do talude de jusante, isso se deve a uma maior capacidade de condução

hidráulica desse material em relação ao maciço. A preocupação para uma barragem

de terra é analisar não apenas a vazão, que quando muito alta pode haver o

carreamento de partículas, mas também o fenômeno do piping, que acontece um

comportamento parecido, mas no sentido de jusante à montante.

Para este caso em particular o gradiente crítico é de 0,8, pois é peso específico

submerso do solo divido pelo peso específico da água. Entretanto, uma das condições

para que ocorra o estado de areia movediça, é quando o fluxo de água ocorre de baixo

para cima, caso contrário esse fluxo estaria aumentando a tensão efetiva do solo

O mais notório seria o encontro da linha freática com a face do talude jusante

e o gradiente hidráulico de 0,8 no pé desse talude, isso seria um indício da ocorrência

da erosão regressiva tubular se o fluxo fosse ascendente. A proposta da inserção dos

filtros é de controlar esse fluxo e conduzi-lo de forma segura para fora da barragem.

Para a seção 1, o fator de segurança de estabilidade do talude foi de 1,1, sendo a

presença de água em fluxo quase horizontal uma das razões para esse baixo fator.

As Figuras 22 a 25 mostram os diagramas de rede de fluxo para cada seção

com o respectivo filtro.

42

Figura 22 - Seção 2: Diagrama de rede de fluxo Fonte: Autores (2018)

Em geral, as vazões que percolam através das fundações são superiores as

que percolam através do aterro, devido a fundação se encontrar em seu estado natural

e o aterro ser construído com material compactado. Uma das funções do tapete

drenante é ser permeável suficiente para absorver e transportar a água do dreno

vertical e da fundação (CARVALHO, 2011). Observando a Figura 22, percebe-se que

o comportamento da linha freática tende a ir ao ponto de menor pressão (o filtro) e

não mais ao encontro do talude de jusante, a vazão se encontra relativamente alta,

devendo tomar medidas preventivas, o gradiente hidráulico ainda se encontra com 0,8

no pé do talude com fluxo horizontal.

Figura 23 - Seção 3: Diagrama de rede de fluxo Fonte: Autores (2018)

Os filtros verticais (Figura 23), recomendados para barragens com seções

transversais de até 30 m de altura, servem como uma parede vertical de areia de

rigidez mais elevada que a do aterro. A barragem hipotética analisada nesta pesquisa

43

possui altura da seção transversal de 40m, logo, não é o filtro mais recomendado. O

gradiente hidráulico no pé do talude de jusante foi baixo, não sendo este o problema

desse filtro, por outro lado, a vazão se estabeleceu elevada com 5 m³/dia na saída de

água no pé do talude, aumentando a pressão nessa região, consequentemente

haverá um carreamento das partículas. Deve ser previsto para essa barragem um

dreno de pé de forma longitudinal a fim de que não ocorra o carreamento das

partículas.

O dreno inclinado (Figura 24) possibilita uma melhor distribuição das

poropressões, sendo esse o mais indicado para maiores alturas. Como o gradiente

hidráulico e a vazão foram baixos no pé do talude, esse filtro seria o mais indicado

para esse maciço. Foi feita então uma análise de estabilidade para essa seção.

O dreno inclinado adotado na Figura 25 apresentou características

semelhantes com o filtro vertical, o gradiente hidráulico não alcançou o crítico e a

vazão no pé do talude permaneceu foi alta, a mesma solução poderia ser adota aqui.

Figura 24 - Seção 4: Diagrama de rede de fluxo Fonte: Autores (2018)

Figura 25 - Seção 5: Diagrama de rede de fluxo Fonte: Autores (2018)

44

Pode-se observar que em todas as barragens a variação da vazão antes e

depois do filtro na fundação e no aterro apresenta uma queda devido ao filtro ser mais

permeável. Em consequência, a vazão no filtro torna-se cerca de cem vezes maior do

que nas regiões do aterro e fundação.

Devido ao bom comportamento da linha freática obtida no emprego do filtro

inclinado e dos resultados de gradiente hidráulico e vazão da Figura 24, os taludes de

jusante e montante foram analisados quanto à sua estabilidade no SLOPE/W,

ilustrado nas Figuras 26 e 27.

Figura 26 - Seção 4: Superfície potencial de ruptura à jusante Fonte: Autores (2018)

Figura 27 - Seção 4: Superfície potencial de ruptura à montante Fonte: Autores (2018)

O fator de segurança de uma barragem deve estar entre 1,2 e 1,5. A

estabilidade no talude de montante já era esperada, pois está submerso, e as forças

45

de percolação atuam num sentido e direção que tendem a estabilizá-lo (MASSAD,

2010). Com o intuito de aumentar o fator de segurança do talude de jusante, foi

proposto a inserção de bermas, com taludes de inclinação de 45° (Figuras 28 e 29).

O fator de segurança de 1,3 obtido com a adição de bermas, se enquadra para uma

região onde os ricos a vidas humanas são baixos e os danos materiais e ambientais

são de médio risco.

Figura 28 - Seção 5: Diagrama de rede de fluxo Fonte: Autores (2018)

Figura 29 - Seção 5: Superfície potencial de ruptura numa barragem com berma Fonte: Autores (2018)

Para um possível projeto, a recomendação seria impermeabilizar todo o talude

de jusante com revestimentos artificiais para melhorar o rendimento e vida útil da

barragem.

46

Uma ilustração mais objetiva dos fatores de segurança se encontra no Gráfico

1.

Gráfico 1 - Comparação dos fatores de segurança entre as barragens estudadas Fonte: Autores (2018)

O fator de segurança adotado como alto pela NBR 11682 é 1,5. Esse foi o valor

referência para a cor vermelha no gráfico, onde na tabela abaixo é indicada a

porcentagem que falta para chegar no fator de segurança alto. Percebe-se então a

importância do filtro não só para o controle do fluxo de água, mas também como

consequência para aumentar o fator de segurança, já que a presença de água no

talude de jusante vai ser menor acima do pé.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

sem filtro tapetedrenante

filtrovertical

filtro 130° filtro 50° filtro 130°com berma

FS NBR 11682 27% 17% 17% 16% 17% 7%

FS pesquisa 1,10 1,25 1,24 1,26 1,25 1,39

FS pesquisa x FS norma

47

5 CONSIDERAÇÕES FINAIS

5.1 Conclusão

Diante dos dados hipotéticos de literaturas, foram estudados a posição da linha

freática, as vazões, os gradientes hidráulicos e a estabilidade dos taludes de jusante

e montante da barragem com o filtro que melhor conduziu a água com segurança para

fora do talude de jusante. Os resultados foram satisfatórios com a implantação dos

filtros inclinados que possibilitaram uma melhor distribuição das tensões ao longo do

maciço.

Foi constatado também que a vazão na fundação e no aterro chegou a ser

cerca de cem vezes menor do que a do filtro, devido a sua maior capacidade de

condução hidráulica.

Mesmo obtendo bons resultados em relação a drenagem da água com o filtro

inclinado a 130º, o fator de segurança chegou perto do limite mínimo. Adotou-se então,

a implantação de bermas com taludes de inclinação de 45º a cada 10 m que acarretou

no aumento do fator de segurança para 1,39, sendo este um resultado aceitável para

uma região onde os ricos a vidas humanas são baixos e os danos contra materiais e

ambientais são médios, podendo ser utilizado numa zona mais rural.

Diante das evidências, aconselha-se a impermeabilização do talude de jusante

com revestimentos artificiais, tela argamassada por exemplo, aumentando assim o

rendimento e vida útil da barragem. Para a saída de água no pé do talude, pode ser

previsto para essa barragem um dreno de pé de forma longitudinal a fim de que não

ocorra o carreamento das partículas.

Durante esta pesquisa foi possível perceber a deficiência da literatura das

normas brasileiras e até mesmo publicações que expusessem de forma mais

aprofundada alguns parâmetros relacionados ao funcionamento de barragens de

terra, como por exemplo, a vazão máxima no filtro no pé do talude.

Nos estudos parciais vários testes foram realizados para a devida

aprendizagem e utilização dos programas da plataforma GeoStudio 2012, nesta etapa

ficou evidente a importância de estabelecer materiais com propriedades bem

definidas. Foi apurado que o fluxo é proporcional ao coeficiente de permeabilidade,

com a mudança deste parâmetro promove-se em mudanças relevantes das linhas

equipotenciais e linhas de fluxo.

48

5.2 Sugestões para trabalhos futuros

Com base nestas conclusões apresentam-se a seguir algumas sugestões de

pesquisas futuras que podem complementar e melhorar a metodologia proposta:

• Analisar a estabilidade do talude de montante e jusante da barragem de terra

ao final da construção (onde não há presença de água), devido as sucessivas

camadas de aterro que são lançadas e compactadas que resultam no aumento

da pressão total em um determinado nível e gerando poropressões resultantes

da compressibilidade do aterro e da sua baixa permeabilidade.

• Analisar a estabilidade do talude de montante e jusante da barragem de terra

quando há o rebaixamento rápido, onde o talude de montante é submetido a

uma situação crítica, que constitui em analisar a poropressão na condição do

reservatório em atividade, diminuindo a carga estabilizadora sobre o talude de

montante.

49

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