17/04/2017
CURSO DE CAPACITAÇÃO EM ESTRUTURAS DE BARRAGENS: TERRA, ENROCAMENTO E
REJEITOS
PROFESSOR: Dr. Sidnei Helder Cardoso Teixeira Curitiba 29 de Março de 2017
Sistemas de vedação e de drenagem interna
Sistemas de drenagem interna
Curso de capacitação em estruturas de barragens de Terra, enrocamento e rejeitos. Professor: Dr. Sidnei Helder Cardoso Teixeira
Atualmente, a solução do controle de percolação é basicamente governado pelo valor
econômico da água percolada através do barramento e pela necessidade de se trabalhar
com mais de uma linha de defesa, para a segurança da barragem.
O sistema de drenagem interna constitui o elemento vital na segurança de uma barragem de
terra deve ser dimensionado de modo a atingir os seguintes objetivos:
• Reduzir a pressão neutra na área de jusante da barragem e portanto aumentar a
estabilidade de jusante contra o deslizamento;
• Controlar a percolação da água na face de jusante da barragem de tal modo que a água
não carregue partículas do maciço, isto é, que não se desenvolva o fenômeno de "piping".
A eficiência do dreno depende determinados fatores:
• Comprimento do elemento drenante;
• Espessura do elemento drenante.
• Permeabilidade do material filtrante;
• Granulometria do material filtrante;
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Sistemas de drenagem interna – Sequência do fluxo
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Filtro Vertical ( Filtro chaminé)
Filtro Horizontal ( tapete drenante)
Dreno de pé
Medidor de vazão
Dispositivos acessórios
Trincheiras drenantes
Poços de alívio
Curso d’água a jusante
Instrumentação
Filtro Vertical e Horizontal – Vazão e Permeabilidade
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Sugestões de Coef. De Permeabilidade por material
Onde:
qat – vazão captada através do maciço da
barragem pelo filtro vertical;
qf - vazão captada através da fundação;
q = qat + qf - vazão a ser eliminada pelo
dreno.
Cálculo de vazão
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Filtro Vertical e Horizontal – Mecanismo
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Filtro Vertical e Horizontal – Critério
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O material deve satisfazer, simultaneamente, aos dois requisitos de:
• Filtragem da água percolada através da barragem;
• Drenagem da água percolada através da barragem;
Os vazios devem ser suficientemente pequenos, para evitar que as partículas do aterro sejam carreadas
através deles e suficientemente grandes, para proporcionar permeabilidade adequada para o escoamento
da água, evitando o desenvolvimento de elevadas forças de percolação e de pressões hidrostáticas.
Em 1922, Terzaghi propôs uma forma de avaliar o filtro, através:
Relação de Permeabilidade Relação de Estabilidade ( “Ratio Piping”)
> 4 ou 5 < 4 ou 5
U. S. Bureau of Reclamation limita o tamanho das partículas do material do filtro a 76 mm. para minimizar a
segregação e a formação de pontes ("bridging"), das partículas grandes durante a colocação. O U. S. Army
Corps of Engineers também requer que seja satisfeita a condição:
< 25 e < 20
• Quando um tubo é inserido no interior do filtro ( Evitar piping) → á
≥ 2
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Sistemas de drenagem interna – Filtro vertical
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Também conhecido como “Cortina drenante” ou “Filtro chaminé” é um dispositivo de
drenagem prolongado para jusante através de um tapete drenante horizontal , que tem
objetivos de:
• Interceptar todo o fluxo horizontal de água que percolou pelos vazios do aterro ou fissuras de
camadas mal compactadas ;
• Atender critérios de estabilidade através da não saturação da zona do espaldar de jusante;
Redução do material de aterro
Redução de custos (Economia) Redução de escavação de jazida (M. Ambiente)
O filtro vertical geralmente é construído com areia grossa, aluvionar, isenta de finos.
Especifica-se uma porcentagem máxima de 5%, em peso, passando na peneira # 200, para
que o material não apresente coesão, evitando-se assim a propagação de trincas de tração
dentro do filtro, eventualmente desenvolvidas no interior do aterro.
Filtro Vertical – Dimensionamento
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Solos S Material P
Material Q
Material R
d15 0,04 --- --- ---
d85 0,5 --- --- ---
D15 --- 0,12 0,7 4,0
D15/d15 --- 3,00 17,50 100,00
D15/d85 --- 0,24 1,40 8,00
Função de Filtro
Para dimensionamento da largura do filtro vertical, baseado na formula de Darcy, pode se expressar:
q = = K x x e → B Filtro Vertical =
Onde:
B – Espessura do filtro (m);
Q – Vazão absorvida pelo filtro (m³/s);
K – Permeabilidade do material do filtro (m²/s);
FS – Fator de Segurança, que é igual a 10 (adm);
I – Gradiente Hidráulico (adm), pode considerar i igual a 1;
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Filtro Vertical – Geometria
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Critérios de escolha da Geometria do filtro:
• Inclinação para montante – Eliminar risos de trincas longitudinais na crista no caso dabarragem se apoiar sobre uma fundação rígida;
• Inclinação para jusante – Melhorar condições de estabilidade do talude durante orebaixamento do reservatório;
• Completamente vertical – Facilitar a sua locação topográfica e a construção, junto àssucessivas camadas do aterro do maciço da barragem.
Sistemas de drenagem interna – Tapete drenante
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O tapete drenante tem a função de conduzir para o pé de jusante da barragem as águas
coletadas pelo filtro em chaminé e as que percolam através da fundação;
A estas últimas correspondem vazões geralmente muito maiores que as que percolam através
do aterro, pois a permeabilidade dos materiais de fundação é muito menos susceptível de
controle;
As incertezas envolvidas na determinação dos coeficientes de permeabilidade e na definição
da geometria dos estratos heterogêneos, que compõem a fundação, fazem com que o grau de
imprecisão dos resultados das análises seja muito maior, principalmente quando a fundação é
em rocha, onde a percolação da água se dá essencialmente através das juntas e fraturas. →
Fatores de segurança maiores;
Para evitar subpressões elevadas na barragem e manter não saturada a zona de jusante,
os tapetes drenantes devem trabalhar com a menor carga hidráulica possível, ou seja, com
gradiente hidráulico muito baixo.
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Tapete Drenante - Dimensionamento
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Para dimensionamento do tapete drenante, :
Q – Vazão unitária majorada por FS (m³/s)/m;
K – Permeabilidade do material do filtro (m²/s);
FS – Fator de Segurança, igual a 10;
h – Perda de carga (m.c.a);
Obs: O gradiente hidráulico fica entre 0,005 e 0,15 ( regime Laminar)
O comprimento do dispositivo drenante há aumento da capacidade drenante, o que reduz a linhade saturação gerada pela freática. → Reduz volume de aterro/ Mantém a estabilidade.
Tapete em carga Tapete Livre
Tapete Drenante – Detalhes Construtivos
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Sistemas de drenagem interna – Transições
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Filtro Chaminé
• Não é necessário devido a boa capacidade de drenagem do espaldar;
Entre o aterro e o enrocamento
• Inserção de camadas com granulometria intermediária para que exista uma transição gradativa.
Na transição de montante
• Não há problema de carreamento de partículas;
• Introdução de uma ou duas camadas de granulometria intermediária → Permitir compactação na
faixa de contato dos grãos( Ex: Enrocamento míudo);
Espessuras de camada de transição
• Em função do método construtivo;
• Considerar problemas de segregação das partículas e de contaminação;
• Camadas de transição devem ser superdimensionadas.
Barragens de enrocamento com face de concreto
• Utilizar 4m de enrocamento fino;
• Prever faixa de transição com cerca de 4 a 6m de largura de material misturado;
• Compactar em camadas com rolo vibratório;
• Objetivo da transição – Proporcionar condições p/ apoio da laje e minimizar as vazões de água
que percolem nas fissuras da laje.
Sistemas de drenagem – Dreno de pé
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Constitui um dreno longitudinal, paralelo a saia da barragem, que coleta as águas
advindas do filtro chaminé e do tapete drenante e transfere para talvegue do rio à
jusante da barragem;
Técnica antiga utilizada em barragens homogêneas para evitar a redução de
resistência no pé do talude;
Quando as vazões nos drenos de pé são muito grandes, são introduzidos tubos
perfurados de concreto no seu interior, para aumentar a área de escoamento e reduzir
o volume de materiais drenantes. Para propiciar a sua manutenção, são instalados
poços de visita, a cada 50 a 100 metros, onde podem ser feitas medidas de vazão e
coletadas amostras de água para análises;
A transição entre os materiais do tapete drenante e o dreno de pé é feita com materiais
de granulometria intermediária.→ Relações de estabilidade e de permeabilidade;
O dreno de pé também pode ser construído em nível inferior ao do tapete drenante,
escavando-se, para tal, uma trincheira de seção trapezoidal no terreno de fundação,
onde a metade inferior do dreno fica embutida.
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Dreno de pé – Dimensionamento ( Hipótese Simples)
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Para cálculo de vazão adota-se a vazão unitária da seção intermediária de uma das ombreiras:
A = . .
.
Onde:
q – Vazão Unitária da seção intermediária (m³/s/m);
L – Comprimento da ombreira (m);
K – Coeficiente de permeabilidade (m/s);
I – Gradiente Hidráulico (m.c.a/m);
FS – fator de segurança , que é igual a 10;
A – Área do dreno de pé (m²), sendo a largura mínima igual a 4,00m.
Dreno de pé – Detalhes construtivos
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Dreno de pé – Detalhes construtivos
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Sistemas de drenagem – Trincheira drenante
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A trincheira drenante tem por objetivo a interceptação de fluxos de água através
de camadas permeáveis mais superficiais da fundação;
São particularmente recomendadas quando a permeabilidade na direção
vertical dessas camadas é muito baixa, para garantir o acesso da água ao
tapete drenante ou ao dreno de pé;
Construção semelhante ao dreno de pé;
Tubos perfurados somente devem ser utilizados quando a trincheira situa-se
próxima ao pé da barragem ou quando escavada em rocha de baixa
deformabilidade;
A trincheira também pode ser construída a jusante da barragem, para captar,
reunir e escoar as águas provenientes de surgências que são constatadas
durante e após o enchimento do reservatório;
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Trincheira drenante – Métodos construtivos
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Sistemas de drenagem – Poços de Alívio
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Poços de alívio são dispositivos utilizados para reduzir as subpressões desenvolvidas
pela percolação de água nos estratos permeáveis da fundação;
São geralmente construídos segundo uma linha, sob o dreno de pé, mas podem
ocupar posições a montante deste, até a base do filtro em chaminé;
Reduzem com eficiência a subpressão na barragem → Pressões na vizinhança do poço
equivalente a carga hidráulica do topo do mesmo;
Também podem ser construídos a jusante da barragem, quando são detectadas
subpressões excessivas durante o enchimento do reservatório;
Apresentam custos relativamente baixos;
Requerem inspeções e manutenções para garantia da eficiência
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Poços de Alívio – Materiais e Mecanismo
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Tubos perfurados de PVC têm sido atualmente utilizados, pois apresentam menor
rugosidade interna e parede menos espessa, ocupando menor volume dentro do poço;
O espaço anelar existente entre o tubo e as paredes do poço é preenchido com material
granular (cascalho miúdo ou pedrisco), com granulometria para servir de filtro do material de
fundação;
Os diâmetros mais usuais dos poços de alívio variam entre 75 e 150 mm e dos tubos
perfurados, de 50 a 100 mm;
Obs: Os poços de alívio devem ter o seu topo em cota a mais baixa possível, para proporcionar
maior rebaixamento do lençol freático. Quando estes topos não coincidem com o tubo perfurado do
dreno de pé, devem ser construídas caixas para a sua proteção.
Sistemas de drenagem – Galeria de drenagem
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Em muitas das grandes barragens de terra e de enrocamento europeias têm sido construído
galerias na sua fundação, com o propósito de permitir a execução de serviços de
drenagem e/ou de injeção(tratamento de fundações), durante ou após a construção do
aterro(durante e após enchimento do reservatório);
Essas galerias são muito frequentes nas barragens e outras estruturas de concreto (tomada
d’água. casa de força, vertedouro); → redução das subpressões na área de jusante e a
garantia da estabilidade do conjunto estrutura-fundação;
As galerias de drenagem são muito importantes nos maciços fraturados,
particularmente nas rochas sedimentares com estratificação horizontal, onde podem
ocorrer subpressões elevadas na área de jusante da barragem;
A galeria de drenagem, executada juntamente com um sistema de poços de alívio nas
fundações; → Permite um maior rebaixamento das subpressões ( Ter comprimentos elevados
e com dimensões internas que permitam o acesso de equipamentos execução dos furos).
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Galeria de drenagem – Estrutura construtiva
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Aula prática de Geoslope – Redes de fluxo
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