BARRAGENS DE TERRA E ENROCAMENTO.pdf

7/29/2019 BARRAGENS DE TERRA E ENROCAMENTO.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/barragens-de-terra-e-enrocamentopdf 1/27

Tópicos em Geotecnia e Obras de Terra - 2004 Prof. M. Marangon, D. Sc.

Unidade 05 - BARRAGENS DE TERRA E ENROCAMENTO

INTRODUÇÃO

5.1- Definição e objetivos

Barragem pode ser definida como sendo um elemento estrutural, construídatransversalmente à direção de escoamento de um curso d’água, destinada a criação de umreservatório artificial de acumulação de água.

Os objetivos que regem a construção de uma barragem são vários e os principais se resumem em :

a) aproveitamento hidrelétrico b) regularização das vazões deo curso d’água para fins de navegaçãoc) abastecimento doméstico e industrial de águad) controle de inundaçõese) irrigação

Os objetivos acima citados poderão ser explorados individualmente ou emconjunto. Se, por exemplo, uma baragem é implantada com a finalidade imediata de obtençãode energia elétrica, outras atividades ditas secundárias poderam ser também desenvolvidascorrelatamente. Assim é que os aspectos como recreação, piscicultura, saneamento, etc., sãocomumente desenvolvidos. Um exemplo característico pode ser a barragem de Barra Bonitano Rio Tiête ( Estado de São Paulo ), cujos objetivos principais foram a obtenção de energiaelétrica ( potência de 122 000 kW ) e a regularização do rio para fins de navegação. O projetosugere também uma reserva de vazão média diária de 4m3/seg.,para fins de irrigação de áreascircunvizinhas. Posteriormente foi desenvolvido também o turismo, através da recreação emcertas áreas do reservatório, e se resume na prática dos esportes aquáticos, com a implantaçãode clubes de campo e hotéis neste locais.

5.2 - Elementos de uma barragem

As definições expostas a seguir tem a finalidade apenas de orientar ealxiliar a compreenção da importânciada geologia, nos trabalhos de construçãode barragens.

1




Outros elementos encontrados no conjunto de obras que compõem uma barragem são:

a) ensecadeira - destinada a desviar as águas do leito do rio, total ou parcialmente,com o objetivo de permitir o tratamento das fundações nessas áreas e, às vezes, nas áreas das planícies de inundação, possibilitando a comstrução em seco dso diques de terras ou estrutura

de concreto. As ensecadeiras mais comuns são aquelas construídas com terras e blocos derocha. Em alguns casos, é necessária a utilização de chapas metálicas ou diafragmasimpermeáveis.

b) túneis de desvio - possuem a mesma finalidade das ensecadeiras, sendo porém,construídos em cursos d’água com vales íngremes, e quando possível, nos locais onde existamcurvas. Em muitos casos, o túnel de desvio é usado posteiormente como túnel de adução, paratransportar as águas do reservatório para a casa das máquinas.

c) vertedouro - seu objetivo éfuncionar como um dispositvo desegurança, quando a vazão do cursod’água assumir valores que tornem aestabilidade da baragem perigosa, ouimpedir que o nível máximo estabelecido para a barragem cause prejuísos às propiedades agrícolas ou industrias a jusante da barragem. A capacidade dovertor é calculada para permitir oescoamento máximo ( enchentecatastrófica ), que poderia ocorrer nasecção da barragem.

d) tomada d’água - representa o conjunto de obras que permite a retirada, doresevatório, da água a ser utilizada, seja para a obtenção de energia ou para outros fins. O tipode tomada d’água varia com o tipo de barragem. Assim, as barrragens de concreto, a tomadad’água consiste geralmemte em um conduto que pode se desenvolver através do maciço da barragem ou em sua proximidade, enquanto na barrragem de terra, aparece nas ombreiras doresevatório.

5.3 Tipos de barragens

2




As barragens podem ser classificadas em diferentes tipos, de acordo com o seuobjetivo, seu projeto hidráulico e os tipos de materiais empregados na sua construção. Comrelação a este aspecto, as barragens podem ser classificadas em:

1. Concreto

a) Gravidade b) Arco2. Terra3. Enrocamento

VISTA DE UMA BARRAGEM DE TERRA EM QUE SÃO IDENTIFICADOS OS PRINCIPAISELEMENTOS GEOMÉTRICOS DENTRE ELES ESTRUTURAS DE CONCRETO

5.3.1 - Barragens de Concreto

Uma das mais antigas barragens de concreto foi construída no Egito, em tornodo ano 4.000 A.C., sendo a relação largura da base x altura estimada em 4:1. Hoje em dia, tem

sido possível a construção de barragens imensas, como a Hoover Dam nos Estados Unidos,com 221 metros de altura, sendo a relação da largura da base para a altura, considerável, ouseja, menos de 1:1.

- Barragens de Concreto - Gravidade

É o tipo de barragem mais resistente e de menor custo de manutenção. Estetipo pode ser adaptado para todos os locais, mas a sua altura é limitada pela resistência dasfundações. Quando são constituídas de material de aluvião incoerente, a altura dessas barragens tem sido limitada a 20m. No caso da fundação ser de rocha sã, porém situada aconsiderável profundidade da superfície do terreno, é mais adequado e econômico construir-

se uma barragem de terra, porque a mesma não necessita repousar sobre fundação em rocha eassim avita-se uma quantidade de escavação.

Comparadas com as barragens de terra ou de enrocamento, as de concreto tipogravidade são de maior custo.

3




- Barragens de concreto - Arcos

São mais raras, uma vez que o comprimento dessas barragens deve ser pequenoem relação à sua altura, o que exige a presença, nas encostas do vale, de material rochoso

adequado e de grande resistência, capaz de suportar os esforços a elas transmitidos. Essas barragens são mais comuns na Europa, onde os vales são profundos e fechados.

A fotografia ilustra umexemplo de barragem (deconcreto) com finalidade degeração de energia elétricano Rio Paraibuna, próximo

à Juiz de Fora, conhecidocomo Usina Quatro.Local que aproveita a

ocorrência de um grandedesnível no curso do rio.

Abaixo da fotografia vê-se o barramento deconcreto, ao centro o canal

que conduz água a doisdutos forçados que chegama casa de força para a produção de energia

5.3.2 - Barragens de Terra

Desde os tempos antigos, barragens de terra foram construídas com afinalidade de armazenar água para irrigação, sendo algumas das estruturas de tamanhoconsiderável, como por exemplo, uma construída no Ceilão no ano 504 A.C., que possuía 17quilômetros de comprimento, 21 metros de altura e contendo cerca de 15 milhões de metroscúbicos de material. Antigamente todas as barragens de terra eram projetadas por métodosempíricos e a literatura de engenharia está repleta de registros de ruptura e acidentes dessas barragens. Somente a partir de 1.907, surgiram os primeiros procedimentos racionais para projeto dessas obras. Atualmente tais procedimentos permitem a construção de barragens deterra com mais de 150 m de altura. No Estado de São Paulo, a barragem de Xavantes no RioParanapanema, atinge 90 m de altura.

As barragens de terra são as mais elementares obras de barragens enormalmente se prestam para qualquer tipo de fundação, desde a rocha compacta, até terrenosconstruídos de materiais incosolidados. Esses últimos, aliás, são seu campo típico de

4




aplicação. Existe uma certa variabilidade no tipo de barragem de terra, que poderá ser homogêneo ou zonado.

a) Homogêneo - é aquele composto de uma única espécie de material, excluindo-se a proteção dos taludes. Nesse caso, o material necessita ser suficientemente impermeável, paraformar uma barreira adequada contra a água, e os taludes precisam ser relativamente suaves,

para uma estabilidade adequada.

b) Zonado - esse tipo é representado por um núcleo central impermeável, envolvido por zonas de materiais consideravelmente mais permeáveis, zonas essas que suportam e protegem o núcleo. As zonas permeáveis consistem de areia, cascalho ou fragmentos derocha, ou uma mistura desses materiais.

5.3.3 - Barragens de Enrocamento

Esse tipo de barragem é aquele em que são utilizados blocos de rocha detamanho variável e uma membrana impermeável na face de montante. O custo para a produção de grandes quantidades de rocha, para a construção desse tipo de barragem, somenteé econômico em áreas onde o custo do concreto fosse elevado ou onde ocorresse escassez demateriais terrosos e houvesse, ainda, excesso de rocha dura e resistente. Devemos lembrar quea rocha de fundação adequada para uma barragem de enrocamento pode não ser aceitável parauma de concreto.

A rocha que deve preencher a maior parte da barragem precisa ser inalterada pelo intemperismo, não sendo facilmente desintegrada ou quebrada. Rochas que, quandosujeitas à ação de explosivos, fragmentam-se facilmente em pedaços muito pequenos, com

elevada porcentagem de lascas e pó, são igualmente inadequadas. As rochas para essas barragens, devendo ter resistência ao intemperismo físico e químico, gnaisse, diabásio, etc. Os blocos de rocha são colocados de modo a se obter o maior contato entre suas superfícies e osvazios entre elas, que são preenchidos por material de menor tamanho.

- Exemplo de Barragem de Terra construida

Um exemplo de Barragem de Terra associada a uma de enroncamento citamos:

A barragem de Passo Severino, situa-se na bacia hidrológica do rio Santa

Lucia, 70Km ao norte da cidade de Montevideo, Uruguai,. Destina-se a formar umreservatório de acumulação de águas no rio Santa Lucia e mater uma vazão mínima reguladaem 8m3/s, a jusante, onde está instalada a toma da de água para abastecimento da cidade deMontevideo e municípios vizinhos.

A obra de barramento consta de uma estrutura vertedora em concreto, comcomprimento de 71,2m implantada no leito natural do rio, uma tomada d’água na suaextremidade direita, dois maciços de solo e rocha compactados, sendo um de cada lado daestrutura vertedora e uma estrutura complementar para extravasamento de grades enchentes(Sangradouro), situada numa sela topográfica da margem direita. O comprimento total dasobras de barramento é de 2.300m e sua altura máxima é de 28m . A Figura 1 mostra a

localização geral da obra e as seções típicas de cada uma das estruturas componentes.

5




6

SEÇÃO TÍPICA DO VERTEDOURO




LEGENDA

1- Argila2- Saprolito3- Areia4a- Pedra Britada Fina4b- Pedra Britada Grossa5- Enrocamento (∅máx.= 0,60)

5a- Enrocamento Fino (∅máx=0,30)6- Enrocamento Selecinado (Riprap)

5.4 - Seleção do Tipo de Barragem

A escolha do tipo mais adequado de barragem, para um determinado local deum curso d’água, depende dos seguintes aspectos:

1) Segurança da Obra - ligada às características inerentes do próprio local: condições

geológicas, configuração do vale e dimensões da obra.

2) Custo da obra - em função do preço e disponibilidade do material. A ausência, por exemplo, de rocha resistente do tipo granito,gnaisse, basalto ou diabásio, para ser usada comoagregado para concreto, “rip-rap” ou enrocamento, ou de cascalho, para os mesmos fins, podecausar alterações profundas no custo da obra.

Além desse critérios, deve ser considerada uma série de fatores físicos quegovernam a seleção do tipo de barragem.

A não ser em condições excepcionais, mesmo o mais experimentado projetista

é incapaz de dizer se um determinado tipo de barragem é adequado ou mais econômico paraum dado local. Na seleção do melhor tipo de barragem para um determinado local, devem ser consideradas as características físicas do local, o objetivo da obra, fatores econômicos, desegurança, etc. Normalmente, o maior fator individual que determina a escolha final é o custoda construção. Os fatores físicos, expostos a seguir, são também importantes.

7




5.4.1 - Topografia

À primeira vista, a topografia determina as primeiras alternativas para o tipo de barragem. É claro que, se o local estudado estiver localizado num vale estreito com paredesrochasas, a sugestão será de uma barragem de concreto. É o caso da barragem do Funil, noRio Paraíba. Porém, em áreas de topografia aplainada e vales bastante abertos, indica-se

normalmente a barragem de terra. É o exemplo das barragens de Jupiá e Ilha Solteira, no RioParaná ou de Promissão, no Rio Tietê. Existem, é claro, os casos intermediários.

5.4.2 - Geologia e Condições das Fundações

As condições das fundações dependem da espessura e características físicas,químicas e minerológicas da rocha, que suportará o peso da barragem. Aquelas característicasincluem a permeabilidade, a presença ou não de determinadas estruturas, como acamamento,xistosidade, dobras, fraturas, etc. As condições estão diretamente ligadas com a altura da barragem, isto é, as considerações diferem para uma barragem baixa e uma alta.

Normalmente, são encontradas as seguintes condições de fundações:

1) - Rocha Sã e Sólida - normalmente aceita qualquer tipo de barragem. Inclui, via de regra, aescavação da camada superficial quando alterada (mesmo sendo rocha) e tratamento eventual por injeção, para consolidação.2) - Sedimentos (Aluviões) - incluem os cascalhos, areias, siltes e argilas. Os cascalhos estãosujeitos à intensa percolação, os siltes e as areias ocasionam recalques e percolação, e asargilas sofrem recalques, principalmente quando saturadas de água. Dependendo do tipo de barragem, da sua altura e com aplicação de tratamentos adequados, qualquer desses materiais poderá ser utilizado.

5.4.3 - Materiais de Construção

Os materiais necessários para a construção de uma barragem são vários edevem estar localizados o mais próximo possível do local da barragem. Esses materiais são osseguintes:

a) solos, para os diques de terra. b) rocha, para do diques de enrocamento e proteção dos taludes.c) agregado, para concreto, que inclui areia, cascalho natural e pedra britada.d) areia, para filtros e concretos.

5.5 - Fases Gerais no Estudo de Barragens

A implantação de uma barragem em determinado curso d’água envolve sempreuma sequencia natural de trabalho. Toda obra de vulto agrupa diferentes turmasespecializadas de técnicos, com a finalidade de seguirem, à medida do possível, os seguintesítens:

5.5.1 - Levantamento Topográfico

Analisa as características geográficas e topográficas do curso a ser estudado. Afunção desse levantamento é a de preparar plantas topográficas que permitam verificar assecções transversais mais favoráveis para uma barragem, calcular a área de inundação dassecções escolhidas e obter o perfil longitudinal do curso d’água.

8




O método mais moderno para a obtenção de mapas topográficos é o uso daaerofotogrametria, com o levantamento de mapas por meio de fotografias aéreas e de pontosde controle altimétrico de campo.

5.5.2 - Dados Hidrológicos

Um grupo de técnicos especializados se encarrega de definir as característicashidrológicas da bacia hidrográfica do curso d’água estudado.

Trata da obtenção direta de valores de vazão através de leituras diárias, que permitem calcular as vazões médias, diárias, mensais e anuais. Lembrando que a potência deuma barragem é função da vazão do curso na secção da barragem e do seu desnível, pode-se perceber a importância dos cálculos de vazão. Alguns exemplos típicos de vazões médias sãofornecidos pelo Rio Sapucaí Paulista que, no período de 1931 a 1962, apresentou nas suascabeceiras (São Joaquim da Barra), para uma bacia de 3.880 Km2, uma vazão média de 67

m3

/seg. Na sua parte baixa (São Domingos), a bacia desse rio abrange uma área de 6.070Km2, e a vazão passa para 100 m3/seg.

O Rio Pardo, messe mesmo período (1931 - 1962), apresentou vazão média nascabeceiras (São José do Rio Pardo) de 83 m3 por segundo, para uma bacia de 3.850 Km2. Na parte média (portanto, sem receber ainda seu afluente Mogi-Guaçu) e nas proximidades deRibeirão Preto, para uma bacia de 10.500 Km2, a vazão é 161 m3/seg, e na sua parte baixa(São Bartolomeu, Viradouro), a vazão passa a 420 m3/seg.

No Rio Tietê, para o qual uma série de aproveitamentos hidrelétricos estãosendo desenvolvidos, podemos considerar como vazões média as seguintes:

5.5.3 - Mapeamento e Estudo Geológico

Este assunto já foi visto na unidade 01 deste curso de “Tópicos em Geotecnia eObras de Terra” quando estudamos conceitos de Geologia Aplicada à Engenharia.

Os trabalhos de geologia, realizados numa área onde se pretente implantar uma barragem, se apóiam no desenvolvimento de ítens fundamentais:

1) - Mapemamento geológico da área

2) - Estudo da rocha de fundação

3) - Estudo dos materiais de construção

Para o esclarecimento desses três ítens, é normal a separação dos trabalhosgeológicos em duas etapas distintas, que se resumem nos trabalhos preliminares e nos dedetalhe. No primeiro caso, os trabalhos são de caráter apenas estimativo, uma vez que ageologia da área, o tipo da rocha de fundação e os materiais de construção disponíveis sãodeterminados com a finalidade de reconhecimento apenas. Os dados colhidos nos trabalhos

preliminares, e no caso dos mesmos serem favoráveis para a localização de uma barragem,irão servir apenas de base para os trabalhos de detalhe.

5.5.4 - Planejamento

9




As informações obtidas nos ítens anteriores pelo levantamento topográfico(perfil longitudinal do rio, secção transversal, área a ser inundada), pela hidrologia (vazão docurso nas alternativas propostas), pelo mapeamento geológico (mapa dos tipos de rochas esolos existentes na área, tipo da rocha de fundação, estudo dos materiais de construção, etc.),irão permitir aos projetistas do setor de planejamento escolherem o tipo de barragem maisadequado e suas dimensões.

5.5.5 - Orçamento

Este grupo analisa posteriormente os projetos propostos pelo grupo de planejamento. Estimando a quantidade e respectivo preço dos materiais de construção a seremutilizados na obra, as escavações de terra e rocha a serem utilizadas, as indenizações das propriedades e terras a serem inundadas, etc., é possível calcular-se o preço do kw a ser obtido e em função do seu valor, escolher e aprovar, ou não, os projetos sugeridos.

5.6 - Exemplo de Barragens Brasileiras

Em seguida, são dados alguns exemplos de situações geológicas ecaracterísticas de algumas barragens brasileiras.

a) Barragem de Barra Bonita, no Rio Tietê, Estado de São Paulo

É uma barragem de concreto, com uma potência de 132 MW.Sua altura máxima é de 24 m, sua extensão de 483 m e o volume de concreto

foi de 200.000 m3.A geologia local é constituída por derrames de basalto, aparecendo o tipo

maciço e o vesicular. Entre eles, apareceram camadas de arenito.O fraturamento dos basaltos exigiu trabalhos intensos de injeção nasfundações.

O desenho a seguir esquematiza a barragem e a geologia local.

RRAGEM DE CAPIVARA, RIO PARANAPANEMA. ESTADO DE SÃO PAULO - EM DERRAMES DEBASALTO

b) Barragem de Jaguará, no Rio Grande, na divisa dos Estados de São Paulo e MinasGerais

Geologicamente, a barragem está localizada em quartzitos putos silicificados,com camadas de xistos intercaladas.

A barragem apresentou interessante problema geológico. Dada a grande vazãodo rio, foram executadas, na fase preliminar, somente duas sondagens no seu leito. Na fase dedetalhe, as sondagens confirmaram a presença de uma camada de xisto decomposto de pequena resistência. Esse fato exigiu o deslocamento das estruturas de concreto para 50 m a jusante; a fim de reduzir os custos de escavação da rocha decomposta.

Nas margens do rio, a decomposição da rocha varia de 10 m a 15 m. No leitodo rio, a rocha está bastante fraturada.

10




A camada decomposta no local das estruturas citadas mergulhava cerca de 150em direção à margem esquerda.

O esquema a seguir resume a posição da camada em relação às condiçõesgeológicas.

A camada de xisto não oferecia condições de fundação para as estruturas deconcreto. Porém, a sua remoção total e a do quartzito subjacente exigiram um volume extra deescavação e concreto.

A solução foi deslocar o eixo da barragem em 50 m na área da tomada d’água eda casa de força.

Conclusões: o exemplo descrito mostrou os seguintes aspectos importantes para qualquer estudo geológico de barragens:

1. o número insuficiente de sondagens na fase preliminar.

2. a importância do estudo geológico e, no caso; de se encontrar rocha desfavorável no localde fundação.

3. o grau de fraturamento excessivo da rocha exigiu grandes trabalhos de injeções.

c) Barragem de Sobragi , no Rio Paraibuna, próximo à Juiz de Fora - MG.

A usina hidroelétrica de Sobragi, está localizada no Rio Paraibuna, entre osmunicípios de Belmiro Braga e Simão Pereira, próximo a Juiz de Fora.

Este empreendimento, iniciado em março de 1996, pela empresa de EngenhariaParanapanema para a Companhia Paraibuna de Metais - CPM - e tem como objetivo ageração de Energia Elétrica no sentido de diminuir os insumos (custos) da empresa nafabricação de seus produtos.

Exemplo de Usina em que há aproveitamento de grande desnível entre dois

pontos próximos, sendo executado um túnel ( escavado ) de adução sob a encosta natural

(terreno). Barragens foram também necessárias no caso para fechamento próximo a tomadad’água e no de fechamento de 8,7m de altura na casa de força.

11




12




13




14




5.7 - Dimensionamento de taludes de uma Barragem de TerraAnálise de Estabilidade

O projeto do maciço compactado de uma barragem é principalmentecontrolado pelas características dos materiais de contrução disponíveis, pela natureza das

fundações, pelos métodos construtivos especificados e pelo grau de controle de construção previsto.Pelas considerações relativas aos custos dos materiais de contrução, há um máximo

interesse de se utilizar os solos disponíveis nas proximidades imediatas do local deimplantação da barragem; em função da qualidade e das propriedades destes solos no estadocompactado, deve-se dimensionar as declividades dos taludes em termos econômicos eseguros, o que reverterá em benefícios substâncias, principalmente quando se trata de barragem de grande altura; para atingir tais objeivos, será necesssário programarcuidadosamente análises de estabailidade adequadas, as quais exigem estudos préviosdetalhados bem como a fixação de critérios de projeto compatíveis com as caracteristicas daobra.

Em termos gerais, pode-se afirmar que é possível contruir uma barragem de

terra sobre quase todos os tipos de fundações; desde que ela sejam adequadamente

investigadas e desde que o projeto se adapte convenientemente às condições relevadas. Deacordo com o tipo de fundação existente, os estudos de estabilidade dos taludes de uma barragem podem ser divididas em três grupos, de acodo com as características predominantesdos materiais presentes do maciço de fundação:

10 grupo: fundações em rochas, as quais não apresentam, em geral, probemas graves.

20 grupo: fundações em solos permeáveis ( solos arenosos ou com pedregulhos ): nesse caso,deve-se considerar dois aspectos principais : quantidasde de água perdida por percolação egrandeza das forças de percolação; esse último aspecto assume especial importância nos casosde fundações contituídas por areias limpas e saturadas ( geralmente finas e uniformes ) de

baixa compacidade.

30 grupo : fundações em solos impermeáveis ( solos essencialmente argilosos ), onde os principais problemas são associdos à estabilidade contra a ruptura por cisalhamento e aosassentamentos excessivos.

15




Os solos empregados na construção de uma barragem de terra e enrocamentopodem ser classificados em duas grandes categorias :

* os materiais permeáveis ( areias e cascalhos ), caracterizados por uma resistência aocisalhamento elevada;

* os materias pouco permeáveis ( argilas, areis e siltes argilosos ), caracterizados por uma resistência ao cisalhamento mais fraca.

No caso de se dispor, nas proximidades imediatas da obra, de quantidadesimportantes de materiais pouco permeáveis e de pequeno volume de materias permeáveis, asolução recomendável é de se projetar uma barragem homôgenia utilizando os materias pouco permeáveis. Ao contrário, se a proporção desses dois tipos de materiais é invertida,deve-se adotar uma solução de barragem com “ núcleo impermeável ”, o núcleo sendocontruido com materiais pouco permeáveis e os espaldares com materiais permeáveis. Nocaso dos espaldares serem contituidos por materias de permeabilidades sensivelmente

diferentes, os materias deverão ser distribuidos de forma que os menos permeáveis sejam posicionados junto ao núcleo da barragem ( barragens “zoneadas”); nas barragens com núcleoe nas barragens zoneadas, os espaldares extenos têm uma função estabilizadora enquantocompete ao núcleo o papel de elemento ipermeabilizador.

Numa barragem de seção homogênia , a linha freática tem a tendência deemergir no talude de jusante, o que exige colocação de material permeável, judiciosamente posicionadas.

Nas barragens com núcleo impermeável , a espessura do núcleo dependerá daquantidade de materiais argilosos disponíveis, das suas características geotécnicas, de seus

índices físicos naturais ( teor de umidasde ) e do condicionamento climático ( índice pluviométrico anual e distribuição das chuvas ao longo do ano ). A posição do núcleo (vertical ou inclinada ) dependerá das resistências relativas dos materiais permeáveis eimpermeáveis: para uma mesma declividade do talude de montante, um núcleo construidocom materiais pouco permeáveis cuja a resistência for ligeiramente menor que a dos materiaisdo contranúcleos, poderá ser mais inclinado ( mais deitado ) que um núcleo construído commateriais muito argilosos cuja a resistência for sensivelmente menor que as dos materiais doscontranúcleos, esta posição dependerá também das caracteísticas de compressibilidade dafundação do núcleo e dos espaldares.

A programação dos estudos de estabilidade exige obedecer a uma sequência de

atividades cuja impôrtancia individual não pode ser desprezada, lembrando-se que os projetosteoricamente bem elaborados e apoiados sobre análises de estabilidade detalhadas causaramsérios problemas por omitir ou subestimar determinados aspectos importantes.Consequentemente, deve-se escolher criteriosamente:

- as condições de carregamento a analisar

- as seções mais críticas, ( essa escolha exigirá a elaboração prévia deseções geotecnicas longitudinal e transversáis ).

- os parâmetros de resistência

- os métodos de análises

- os fatores de segurança mínimos

5.8 - Condições de Carregamento

16




Durante e após a construção de uma barragem, e durante e após o primeiroenchimento do reservatório, ema barragem, de terra é submetida a um conjunto desolicitações que variam com o tempo, sendo portanto necessário verificar, se os fatores desegurança correspondentes à ruptura por cisalhamento são compatíveis com os valores prefixados. Em linhas gerais, as situações críticas a considerar são as seguintes.

1o) - fim de construção: durante a construção de uma barragem de terra, à medida que as

camadas vão sendo colocadas e compactadas, a pressão total num determinado nível vaiaumentando, sendo que este aumento provoca simultaneamente pressões intersticiais, devidoà compressibilidade do maciçoc e ao seu baixo coeficiente de permeabilidade. Assim osesforços solicitantes provém, para uma determinada declividade do talude, do peso das terrase das consequentes pressões neutras induzidas, as quais são uma função do tipo de solo, doteor de umidade dos solos colocados e do rítmo construtivo.

2o

) - fluxo em regime permanente com o reservatório cheio: durante o primeiro enchimento com o reservatório, estabelecem-se fluxos de percolação, constituindo-se progressivamente uma rede de fluxo permanente.Uma vez que a água percola de montante para jusante, a pressão de percolação é favorável àestabilidade do talude de montante e desfavorável à do talude de jusante. esta condição desolicitações é também denominada “a longo prazo”.

3o) - esvaziamento rápido do reservatório:a um rebaixamento rápido do nível do reservatório, corresponde

uma situação crítica para o maciço de montante da barragem.

4o

) - solicitações dinâmicas: provocadas por sismos, este tipo de situação é rotineiramenteconsiderado em regiões sísmicas; nestes últimos anos, tem sido recomendado comoindispensável verificar sob tais solicitações, mesmo em zonas historicamente assísmicas emvirtude da possibilidade de ocorrência de sísmos induzidos pelo enchimento do reservatórioda própria barragem.

As características geométricas externas de uma barragem de terra sãogeralmente determinadas pelo seu desempenho correspondente ao fim de construção e aorebaixamento rápido do reservatório:

— o talude de jusante é dimensionado levando em consideração as pressões neutrasque pode3m se desenvolver no maciço até o fim de sua construção.

— o talude de montante é dimensionado levando em consideração as condiçõescriadas pelo rebaixamento instantâneo do reservatório.

Entretanto, no casos de maciços construídos com materiais muito pouco a pouco argilosos compactados do lado seco com relação à umidade ótima do ensaio decompactação, pode se tornar necessário modificar a declividade obtida para o talude de jusante e/ou melhorar a capacidade drenante do sistema de drenagem interna, a fim de

garantir a estabilidade da obra para as condições de operação normal (longo prazo).

5.8.1 - Escolha das seções a serem analisadas

17




A escolha judiciosas das seções transversais críticas cujas condições deequilíbrio devem ser verificadas, pressupõe o profundo conhecimento prévio docondicionamento geotécnico dos meciços de fundações e ombreiras. Torna-se portantonecessário elaborar o perfil longitudianal pelo eixo da barragem, o que constitui um subsídiosubstancial para os estudos de projeto. A montagem deste perfil ajuda também a programaçãodas investigações geotécnicas necessárias, já que, ao elaborar tal perfil, serão identificadas as

zonas pobres em resultados de investigações, subsidiando assim a equipe de projeto na programação dinâmica e objetiva dos estudos e investigações de campo e laboratórionecessárias à obtenção dos parâmetros condicionantes do projeto.

As informações necessárias à montagem do modelo geotécnico da fundação da barragem a ser utilizado para as verificações de estabilidade dos taludes devem abranger todos os dados atinentes às principais condições de solicitações, isto é, fim de construção,fluxo em regime permanente e rebaixamento rápido do reservatório. Ressalta-se que anecessidade e/ou a importância de certos dados só aparecem após a conclusão das primeirasanálises de estabilidade, já que estas análises indicam quais são os parâmetros que devem ser determinados com maior precisão e com maiores detalhes, por terem maior peso nos

resultados destas análises. Em contrapartida, os estudos esclarecerão também quais são os parâmetros que pouco condicionam o estado de equilíbrio, pelo fato da adoção de valoresconservativos dos referidos parâmetros resultar em fatores de segurança aceitáveis.

Da mesma forma, a seleção das seções transversais críticas a serem analisadasobedecerá p processo iterativo, uma vez que os resultados das análises de estabilidade preliminares realimentarão o processo de identificação das seções mais críticas. Desde já,cabe salientar que a experiência e o bom senso representam trunfos de grande peso na preseleção das seções críticas de uma barragem, evitando-se perdas de tempo e gastos inúteisno estudo de seções pouco perigosas. Lembra-se também que quanto mais complexo ocondicionamento geotécnico das fundações, maior será o número de seções e situações a

serem analisadas.

Basicamente, o processo de escolha das seções críticas exige a consideração devários fatores condicionantes tais como a altura da barragem, as características de resistênciados solos de fundação, a espessura das comadas de fundação, a permeabilidade relativa dasmesmas, etc...

5.8.2 - Escolha dos parâmetros de resistência ao cisalhamento

Um dos aspectos mais importantes envolvido nas análises de estabilidade, e

provavelmente, um dos mais complexos, é a seleção dos valores dos parâmetros de resistênciaao cisalhamento. Antes de se proceder à análise deste problema, o qual deve ser estudadoseparadamente para cada tipo de solicitações, cabe abrir uma curta parêntese geral sobre asanálises em termos das tensões totais e das tensões efetivas. Antigamente, quando os recursostecnológicos não permitiam a medição das pressões neutrtas, quer no campo quer nolaboratório, utilizavam-se apenas as análises em termos das tensões totais. Com o progressoda tecnologia laboratorial e instrumental, tornou-se gradativamente possível medir as pressõesneutras em corpos de prova ensaiados em laboratório, bem como pressões neutras reaisdesenvolvidas dentro de maciços compactados. Tais avanços permitiram utilizar métodos deanálises de estabilidade em termos das tensões efetivas, o que não quer dizer que os métodosem termos das tensões totais foram abandonados, havendo casos em que estes métodos são

ainda considerados como mais confiáveis e mais recomendáveis.

- Análise por tensões totais

18




A análise em termos das pressões totais admite que as pressões neutras decisalhamento estão levadas implicitamente em consideração no ensaio de determinação daresistência ao cisalhamento, considerando-se portanto que as condições de carregamento nocampo estão simuladas no ensaio (condições de drenagem, trajetórias de tensões, etc...). Oensaio usualmente utilizado é o de compressão triaxial. Cabe frisar que o efeito das condiçõesde carregamento sobre a resistência não drenada, é singnificativo, o que induz grande

variabilidade nos resultados dos ensaios, principalmente para solos parcialmente saturados.

- Análise por tensões efetivas

Nas análises em termos das tensões efetivas, parte-se das hipóteses que aresistência efetiva dos solos é conhecida e que pode prever as pressões intersticiais.

A primeira hipótese só é válida parcialmente, dependendo da origem das pressões neutras consideradas.

10 as pressões neutras de percolação podem ser facilmente determinadas através dotraçado de redes de percolação.

20 as pressões neutras de adensamento também podem ser determinadas através deensaios de laboratório cujos resultados são facilmente transportáveis nas análises.

3o as pressões neutras de cisalhamento cuja transposição dos valores obtidos deensaios laboratoriais para as análises de estabilidade é mais complexa, já que estas pressõesneutras estão relacionadas aos valores das variações das tensões.

Observa-se portanto que as análises de estabilidade em termos das tensõesefetivas se baseiam sobre hipótese aceitáveis a não ser a referente à avaliação das pressõesneutras de cisalhamento que exige hipóteses simplificadores. Uma grande vantagem do uso deanálises em função das tensões efetivas é associada ao fato do que a resistência efetiva dossolos pode ser determinada com bôa precisão e que as pressões neutras construtivas dentro domaciço podem ser medidas, conseguindo-se assim verificar as hipóteses de projeto.

5.9 - Fatores de segurnaça

Os fatores de segurança a serem introduzidos nas análises de estabilidade de

taludes de barragens devem cobrir as incertezas relacionadas com:

- as resistências dos diversos horizontes dos solos de fundações e ombreiras edas diversas zonas dos solos compactados do maciço da barragem, levando-se emconsideração todos os fatores que influenciam estas resistências tais como representatividadee qualidade das amostragens, duplicação do carregamento de campo, anistropia, erros deensaios, etc.

— as pressões neutras construtivas. — a distribuição das pressões intersticiais de rede de fluxo permanente. — a grandeza e a distribuição das subpressões nas fundações

— a eficiência de sistemas de vedação.

— a eficiência de sistemas de alívio de subpressões. — as vazões de percolação. — a eficiência do sistema de drenagem interna. — as imprecisões dos métodos de cálculo. — as eventuais falhas construtivas.

19




— a configuração geométrica dos taludes internos e externos e dos materiais.

O quadro abaixo reproduz as recomendações do “Corps of Engineers” para osdiversos tipos de solicitações impostos a uma barragem:

Tipo deSolicitação

Fator deSegurança

mínimo

Envoltória deResistência

Observações

Fim de construção 1,3(2) Q ou S(3) Taludes de montante e jusante

Rebaixamento rápido a partir do N.A. máx.normal

1,0(4) R, S Talude de montante (usar envoltória composta).

Reservatório parcialmente cheiocom fluxo permanente.

1,5 (R+S)/2 paraR<S e S para

R>S

Talude de montante (usar envoltória intermediária)

Reservatório cheio com fluxo permanente.

1,5 (R+S)/2 paraR<S e S para

R>S

Talude de jusante (usar envoltóriaintermediária)

Sismos (5) 1,0 (6) Taludes de montante e jusante

Notas: (1) esses valores não são aplicáveis ao caso de maciços apoiados sobre fundações deargilito; neste caso, deverão ser adotados fatores de segurança maiores.

(2) para barragens de mais de 15 m de altura apoiadas sobre fundação relativamentefraca, adotar F.S. mínimo igual a 1,4.

(3) nas zonas onde são previstas pressões neutras elevadas, utilizar a envoltória S.(4) o fator de segurnaça não deverá ser menor que 1,5 quando as análises de

estabilidade utilizam a velocidade de rebaixamento e as pressões neutras obtidasa partir de redes de fluxo.(5) as verificações de estabilidade sob a ação de sísmos são realizadas para os casos

de fim de construção e de fluxo permanente.(6) as envoltórias a serem utilizadas são aquelas correspondentes aos casos

analisados sem sismos.

Tendo em vista que um deslizamento eventual durante o período construtivonão causa danos substanciais (perdas materiais e de vidas humanas) quando comparados comos danos que seriam provocados pela ruptura de uma barragem com o reservatório cheio, queas pressões neutras introduzidas nos cálculos de estabilidade são geralmente maiores que as

pressões neutras reais, e que é possível de se medir as pressões neutras construtivas pelainstalação de piezômetros bem posicionados, é justificável a adoção de fator de segurançamínimo mais baixo para este tipo de condição. No que diz respeito aos valores propostos pelo“Corps of Engineers” (FS = 1,3 a 1,4), recomendam-se alguns cuidados ao se adotar taisvalores; considera-se imprescindível fixar o valor mínimo do fator de segurança em cada projeto específico em função da peculiaridade do mesmo, de acordo com o grau deconservatismo na fixação das hipóteses de projeto, o grau de confiança dos resultados dasinvestigações de campo e dos ensaios de laboratório, o método de análise adotado, etc...

As mesmas considerações se aplicam à condição do reservatório cheio,aconselhando-se entretanto maior prudência neste caso tendo em vista as gravíssimasconsequências que seriam causadas por um desempenho insatisfatório ou por uma ruptura.

Acredita-se que um fator de segurança mínimo de 1,5 é aceitável uma vez queeste valor já tem sido adotado em inúmeras barragens em operação no Brasil e no Exterior,apesar das diversas modalidades utilizadas para a determinação da resistência ao cisalhamento

20




dos solos, a previsão das pressões intersticiais e as análises de estabilidade. De qualquer maneira, convem pensar no início do projeto a respeito deste assunto, analizando-secuidadosamente os tipos de materiais que serão utilizados na construção da barragem e o tipode fundação em que a barragem será apoiada.

Por exemplo, se a barragem será construída sobre uma fundação rochosa

extremamente resistente, usando-se materiais permeáveis compactados (cascalho arenoso ouenrocamento de rocha sã) e um núcleo impermeável delgado inclinado, é praticamenteevidente que não há risco de ruptura do talude de jusante nas condições “a longo prazo”,mesmo se o fator de segurança calculado parece ser relativamente baixo. Pelo contrário, se a barragem será construída com solos essencialmente argilosos sobre uma fundação construída por solos altamente plásticos, a obtenção de um valor mínimo de 1,50 para o fator desegurança deverá exigir cuidados especiais adicionais a fim de avaliar se os parâmetros deresistência ao cisalhamento utilizados e as pressões intersticiais determinadas sãosuficientemente dignos de confiança.

5.10 - Exemplo de análise de estabilidade

São apresentadas como exemplo algumas seções que foram analizadas quanto as suascondições de estabilidade e a possibilidade de alteamento do dique (barragem - pequenotamanho).

A seção topográfica estudada apresenta os resultados de SPT obtidos em uma prospecção geotécnica realizada para se caracterizar o sub-solo do local.

Seção Topográfica 12 - Trecho da análise A

21




Seção analizada: Talude à Juzante do reservatórioCondição do NA na cota atual do reservatório.Fator de segurança de 1,439.

Seção analizada: Talude à Montante do reservatório

Condição do NA na cota atual do reservatório.Fator de segurança de 3,343.

22




Seção analizada: Talude à Juzante do reservatórioCondição do NA na cota da base do dique do reservatório.Fator de segurança de 3,343.

5.11 - Construção do Maciço nos Trechos de Contacto entre Materiais Diferentes

Durante a construção de maciços de barragens são requeridos serviçosespeciais, indispensáveis para a garantia do perfeito funcionamento de alguns dispositivos dosquais eles são dotados. Entre esses serviços destacam-se os relativos à contrução de filtros,transições, rip-rap, membranas de concreto, etc.

5.11.1 - Filtros

O sistema de drenagem interna de uma barragem de terra é geralmente

constituído de um tapete drenante e um filtro em chaminé.

Os tapetes drenantes, geralmente ficam apoiados sobre a superfície defundação e são constituidos de camadas múltiplas de materiais, com elevada permeabilidade, para permitr o escoamento das águas drenadas através da fundação e do maciço de barragem.Quando a superfície da fundação é horizontal, ou pouco enclinada, o tapete é construído emcamadas e compactado por meio de rolos vibratórios ou tratores de esteira, imediatamenteapós intensa irrigação. Quando a fundação é mais inclinada ( ombreira ) a construção dotapete é conduzida juntamente com o aterro, em pequenos lances, sendo a sua compactaçãofeita por meio de rolo pneumático ou placa vibratória.

Os filtros em chaminé podem ser verticais ou inclinados e geralmente sãoconstituídos de um único material, na maioria das barragens, de areia natural. Sua espessura éda ondem de 1 metro, geralmente estabelecida em função da mínima dimensão requerida paraa sua construção. Pode ser construído em camadas finas, de espessura igual a uma ou duasvezes a espessura do aterro, lançadas antes e compactadas juntamente com as camadas deste,através do rolo vibratório ou pneumático; ou pode ser contruído após o aterro ter atingidouma certa espessura ( 1 a 2 metros ) , por escavação deste e substituição por material de filtro,

23




sendo compactado em camadas por meio de placa vibratória ( figura 6 ). No primeiro caso oconsumo do material de filtro é maior, pois a geometria final do filtro construído ficaconstituída de seções trapezoidais superpostas, de altura igual à espessura da camada e alargura no topo igual à dimensão mínima do projeto. Para a construção dessas camadas sãoutilizados equipamentos, que preenchidos por material de filtro e puxados por um trator fazemo lançamento da camada com espessura e largura desejada. No segundo caso, quando o filtro

é inclinado, também há necessidade de maior consumo de material, para se observar adimensão mínima do projeto. Quanto maior a espessura do aterro escavado para substituição,maior o excesso de consumo de material de filtro.

5.11.2 - Transições

As transições entre enrocamento e aterros são construídas com técnicassemelhantes às utilizadas na execussão dos filtros em chaminé, em camadas concomitantes,apoiadas sobre a face do aterro ou do enrocamento. Junto as transições é importante que oenrocamento contenha certo teor de pedras miúdas e finos, e que seja empalhado com a

lâmina do trator movimentando-se no sentido em que se afasta da transição, conduzindo as pedras maiores para longe desta. Os materiais de transição são compactados com rolos pneumáticos ou vibratórios, tomando-se cuidado especial para que o aterro adjacente àtransição não fique sem compactação.

5.11.3 - Rip - rap

Os projetos de rip-rap prevêem a inclusão de uma ou mais camadas detransição entre as pedras e o aterro. As camadas de transição do rip-rap são lançadas depois deuma certa espessura de aterro. Toda terra solta sobre a face do talude é raspada por um trator

de lâmina e espalhada na superfície do aterro. A seguir são lançadas as camadas de transiçãodo rip-rap. Quando se dispõe de enrocamento bem graduado pode-se construir o rip- rap semas camadas de transição, adotando-se uma técnica de espalhar o enrocamento de cima para baixo, com a lâmina do trator abaixada, que vai gradativamente sendo levantada, a medidaque o tratror vai descendo pela superfície da latitude. Assim, consegue-se fazer com que omaterial mais fino fique em contato com o aterro, que servirá de transição para as pedrasgrandes a serem lançadas no próximo lance de construção do rip-rap. Na Barragem de ÁguaVermelha foi utilizado este processo, sendo o rip-rap construídos em lances de cerca 3 a 4metros de altura, aproveitando-se a ocorrência de material adequado na pedreira, constituídode pedras miúdas, provenientes de uma camada de basalto denso e colunar, bastante fraturado,sobreposta de um derrame de basalto vesicular são, que dava origem as pedras graúdas.

a) Filtro de chaminé - construído concomitantemente com o aterro

24




b) Filtro em chaminé - construído por escavação do aterro

Figura 1 - Métodos Construtivos de Filtro em Chaminé

5.11.4 - Contacto entre o aterro e as estruturas de concreto

Para a compactação do aterro junto às superfícies de concreto são geralmenteutilizados soquetes manuais. Quando essas superfícies são contínuas pode-se executar acompactação por meio de rolos pneumáticos, fazendo-se com que os pneus passem o mais próximo possível do concreto, com o rolo movimentando-se paralelamente à linha decontacto.

Constitui boa prática de projeto prever uma ligeira inclinação da superfície doconcreto, por exemplo 1 : 10 ( H : V ) , o que facilita a compactação do contacto, além deminimizar problemas de deslocamento do aterro, que seriam provocados por deformações

oriundas do recalque da maciço.

5.11.5 - Construção de membranas de concreto na face de montante do enrocamento

Nos últimos dez anos observou-se um grande progresso nos projetos de barragem de enrocamento com face de concreto, com acréscimo do uso desse tipo de barramento, que também passou a ser adotado nas barragens com altura superior a 100metros. Essa difusão ocorreu graças ao desenvolvimento das técnicas de construção deenrocamentos conpactados, das trincheiras de vedação e dos dispositivos deimpermeabilização das juntas de lajes. A barragem de Foz do Areia, da COPEL, recentemente

concluída no Rio Iguaçu é um exemplo dos mais importantes desse tipo de obra.

Para minimizar os problemas de recalques, o enrocamento na zonasobrejacente à laje de concreto é construído com rocha sã, lançada e compactada em camadasde pequena espessura. Entre o enrocamento e a laje são constituídas camadas de transição, degranulometria adequada, que são compactadas por meio de rolos vibratórios, movimentando-se sobre os taludes por meio de um sistema de cabos e guinchos.

A laje de concreto, com cerca de 30 cm no topo e espessura crescendo naordem de 0,3 % com a profundidade, é constituída em painéis, com formas deslizantes, preferencialmente sem juntas horizontais. A junta que merece maiores atenções é a situada

próximo às ombreiras ( junta perimetral ) , onde são introduzidos vedajuntas duplos eenchimentos especiais, onde os recalques diferenciais são mais acentuados. Na figura 2 éapresentada uma seção típica da Barragem de Foz do Areia com indicação dos materiaisutilizados e na figura 3 um detalhe da junta perimetral adotada na construção dessa barragem.

25




Seção típica da barragem

TABELA DEMATERIAIS

MATERIAL CLASSIFICAÇÃO ZONA MÉTODO DECOLOCAÇÃO

DADOS DECOMPACTAÇÃO

I A LANÇADO

BASALTOMACIÇO

(ATÉ 25% DE

I BCOMPACTADO EMCAMADAS DE 0,80m

ROLO VIBRATÓRIO 4PASSADAS 25% DEÁGUA ( 10 TON )

ENROCAMENTOI

BRENCHABASÁLTICA) I C

COMPACTADO EMCAMADAS DE 1,60m


INTERCALAÇÃODE BASALTOMACIÇO EBASÁLTICA

I DCOMPACTADO EMCAMADAS DE 0,80m


BASALTOMACIÇO -ROCHAS SELEC.DE O,80 m

I EROCHA DE FACECOLADA

TRANSIÇÃOII

BRITA CORRIDADE BASALTOMACIÇO

II BGRADUAÇÃO MENOR QUE Ø 6” COMPACT.EM CAMADAS - 0,40m

CAMADAS ROLOVIBR. MIN 4PASSADAS .FACE ROLOVIBR.MIN. 6PASSADAS ASCEN.

ATERROIII

MATERIALIMPERMEÁVELCAPA DE TERRA

III DMENOR QUE 3 / 4 “COMPACT. EMCAMADAS 0.30m

ROLO PNEUMÁTICOOU EQUPAM. DECONSTRUÇÃO

Figura 2 - Zoneamento da barragem de Foz do Areia. ( apud N. S. Pinto et. al. )

26




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

27

BARRAGENS DE TERRA E ENROCAMENTO.pdf

Documents

Transcript of BARRAGENS DE TERRA E ENROCAMENTO.pdf