Construc
tria José C. F? Alves de Lima
SFAO TRANSVERSAL DA
BARIRAGEM D E T E R W
ORIENTAÇÃO PARA O PREDIMENSIONAMENTO DA SEÇÃO
TRANSVERSAL DE UMA BARRAGEM DE TERRA
O projeto de uma barragem de terra envolve a solução mais econômica, obtida por tentativas,
satisfazendo, com o fator de segurança adequado, as seguintes condiçoes básicas:
a) O aterro deve estar seguro contra o transbordamento, durante a ocorrência da descarga
de cheia do projeto, pela adoçáo de vertedouros com suficiente capacidade de vazão.
b) Os taludes do aterro devem ser estáveis durante a construção e sob quaisquer
condições de operação do reservatório.
c) O aterro deve ser projetado de modo que não submeta as fundações a tensões
excessivas.
d) A percolação através o aterro, fundação e ombreira deve ser controlada a fim de que
não haja erosão interna nem perda d'água excessiva prejudicando a obra.
e) O aterro não deve sofrer transbordamento pela ação da onda.
f ) O talude de montante deve ser protegido contra a erosão por ação da onda; a crista e o
talude de jusante contra erosão devida ao vento e a chuva.
2) TERMINOLOGIA TECNICA DE BARRAGENS
Apresentamos a seguir os termos mais usualmente empregados em barragens, de acordo com a
Comissão Técnica de Nomenclatura do Comitê Brasileiro de Grandes Barragens.
(Construção Pesada - Fevl76)
Altura acima do terreno natural
(Height above ground Level)
-
Altura da barragem
(Height of dam)
- Altura acima do ponto mais baixo da fundação.
Altura da trincheira de vedação
(Height of Foundation)
- Distância entre a parte mais baixa da superfície e o
Área de drenagem
(Drainage area)
- Em relação a uma barragem, é a área na qual qual-
I
I
I
I
Altura desde o ponto mais baixo do terreno natural,
geralmente no leito do rio, até a crista da barragem.
O mesmo que Altura Estrutural da Barragem.
fundo da trincheira, desde que este não tenha menos
que 10 metros de largura. O termo "Profundidade da
Trincheira" é preferido em muitos países.
quer precipitação nela incidente se dirige ao ponto
onde está localizada (O mesmo que Bacia Hidrográfica
e Bacia de Drenagem).
-
BARRAGENS ANTEPROJETO DA SEÇÃO TRANSVERSAL - 2
OBRAS DE TERRA
Área do reservatório
(Reservoir area)
- Área da superfície do reservatório medida em um
Bacia de Dissipação
(Stilling Basin)
- Bacia, canal, reservatório natural ou artificial, formados
Barragem
(Dam)
- Obra artificial construída através de um curso d'água,
Barragem de Aterro Compactado
(Rolled Fill Dam)
-
Maciço de terra ou rocha, no qual o material é
colocado em camadas e compactado com uso de
equipamento de compactação apropriado.
Barragem de Terra
(Earthfill dam)
-
Barragem construída basicamente de argila compactada, com seções homogêneas ou zoneadas e
contendo mais do que 50% de terra.
Barragem de terra de seção homogênea
(Homogeneous earth-fill dam)
-
Maciço construído apenas de material argiloso, mais
ou menos uniforme, exceto os drenos internos ou
tapetes drenantes e enrocamentos de proteçâo.
plano horizontal e em uma elevação correspondente
ao nível máximo de armazenamento do reservatório.
Não estão incluídas as áreas inundadas referentes a
superelevação e remanso.
a jusante da barragem principal, normalmente por meio
de uma estrutura submersa ou pequena barragem
auxiliar, com o objetivo de proteger o leito do no contra
a erosão provocada pelas descargas do vertedor ou de
outros dispositivos.
para acumulação, controle e desvio de água.
Designam-se como obras secundárias, as barragens
que completam o fechamento de um reservatório nas
suas zonas periféricas.
-
Barragem de terra zoneada
(Zoned earthfill)
Tipo de barragem de terra cuja seção transversal é
constituida de zonas de materiais selecionados com
diferentes graus de porosidade, permeabilidade e
densidade.
- Distância vertical entre o nível do coroamento da
Borda livre
(Freeboard)
barragem e cada um dos níveis característicos do
armazenamento d'água, tais como nível máximo de
cheia e nível normal de retenção, denominados,
respectivamente, Borda Livre Mínima e Borda Livre
Normal.
Coroamento
t
1
1
:
Borda Mlnirna
gorda NO'rrnal
I
BARRAGENS - ANTEPROJETO DA SEÇÂO TRANSVERSAL - 3
OBRAS DE TERRA
Base da Barragem
(Base of dam)
-
Área da fundação da parte mais baixa do corpo
principal da barragem, isto é, a área de fundação,
excluindo as ombreiras.
Canal de descarga
(Sluice way)
-
Dispositivo de passagem de água, através ou em torno
de uma barragem. Termo aplicado a um canal de
escoamento livre ou calha.
Comprimento de Crista
(Length of dam)
- Distância entre as extremidades da barragem, medida
Comprimento do reservatório
(Length of reservoir)
- Distância máxima medida da barragem até a cabeceira
Coroamento da barragem
(Crest of dam)
- Termo usado para significar a parte mais alta da
Divisor de águas
(Cathment boundaiy)
- Linha que limita uma bacia hidrográfica.
Eixo da Barragem
-
Enrocamento de proteção
(R~P
rap)
- Camada de grandes pedras, blocos premoldados ou
Ensecadeira
(Cofferdam)
-
Estrutura temporária, isolando ou protegendo toda a
parte da área de construção, a fim de que esta possa
ser executada a seco.
Estrada da crista
(Roadway of dam)
-
Parte da crista da barragem preparada para tráfego de
veículos.
no coroamento. Inclui-se o vertedor, tomada d'água,
estruturas para navegação e outras, desde que
formem estruturas com a barragem.
do reservatório, aproximadamente horizontal, seguindo
a linha de centro do curso do rio principal, considerando-se o reservatório no nível normal de retenção.
Para reservatórios que têm cursos d'água com meandros e com margens bastante irregulares, considera-se
como comprimento a mais prática e direta distância de
barco.
barragem, excluindo-se os parapeitos, corrimãos, etc.
Plano vertical ou superfície curva de referência entre
as ombreiras, em tomo do qual a barragem é projetada
e locada.
A locaçâo deste plano e referência pode diferir entre
os projetistas de barragens.
outro material adequado, colocados nos taludes de
montante de um maciço ou ao longo de um curso
d'água para proteção contra a a@o de ondas ou
correntes.
-
BARRAGENS - ANTEPROJETO DA SEÇÃO TRANSVERSAL 4
OBRAS DE TERRA
- É a distância na qual o vento pode atuar sobre as
Fetch
águas. Geralmente é definida pelo ponto mais a
montante até a estrutura, na direção do vento.
limite do reçewatõrio
,,
,
/
.,
-
/
--
.
/
Filtro
(Filter zone)
Fundação de uma barragem
(Foundation of a dam)
Largura da base
(Base thickness)
-
Zona do maciço constituída de material granular adjacente a zona impermeável, para prevenir a migração
de material de uma zona para outra. AS vezes as zonas de transição são também providas para agir como
drenos.
-
Material natural indeformado abaixo da superfície de
escavação sobre o qual a estrutura da barragem é
colocada. O termo fundação inclui qualquer tratamento
tal como estacas de vedação, cortinas e septos de
vedação, excluídas as trincheiras.
-
Largura máxima de projeto de uma barragem na sua
base, medida horizontamente entre as faces de montante e jusante, perpendicular ao eixo. Excluída qualquer estrutura para dispositivo de descarga ou órgão
semelhante.
Largura da Crista
(Top width)
- Largura da parte superior da barragem, definida pela
Margem do reservatório
(Reservoir shore)
- Área de terreno imediatamente acima e ao longo da
Muro contra ondas
(Wave wall)
- Muro colocado no lado de montante ao longo da crista
Nível máximo de cheias
(Maximum water level)
- Nível mais elevado da superfície de água para o qual a
Nível mínimo de operação
(Mínimum operating level)
-
distância horizontal entre as faces de montante e
jusante, medida perpendicularmente ao eixo.
linha d'água do reservatório.
de barragens ou seções de barragem não vertedora,
para refletir ondas.
estrutura foi projetada. É geralmente fixado com o
nível correspondente a sobrelevação máxima, quando
da ocorrência da cheia de projeto.
Menor nível para a qual o reservatório pode ser
rebaixado mantendo-se as condições de operação
para as quais o aproveitamento foi projetado, tais
como geração de energia ou irrigação. Abaixo deste
nível o reservatório pode ser eventualmente rebaixado
por outros dispositivos de descarga.
I
-
OBRAS DE TERRA
-
BARRAGENS ANTEPROJETO DA SEÇÃO TRANSVERSAL 5
Nível normal de retenção
(Normal top water Ievel)
-
Núcleo impermeável
(Impewious core or Zone)
- Trecho de uma barragem de terra zoneada ou de enro-
Ombreira
(Abutment)
-
Ombreira direita
(Right abutment)
- Ombreira situada no lado direito de um observador,
Ombreira esquerda
(Lefi abutment)
-
Ombreira situada no lado esquerdo do rio considerando-se o observador olhando para jusante. É a ombreira situada na margem esquerda.
Pé de jusante
(Toe of dam)
-
Encontro do paramento de jusante com a superfície da
fundação.
Pé de montante
(Hell of dam)
-
Encontro do paramento de montante com a superfície
da fundação.
Percolação
(Seepage)
-
Fluxo ou movimento de água através de uma
barragem, de sua fundação ou ombreiras.
Ponto mais baixo da fundação
(Lowest Point)
-
Parte mais baixa da escavação para a fundação da
barragem, incluindo as partes em trincheira, desde que
o fundo da trincheira tenha menos que 10 metros de
largura. São excluidos os meios de vedação, cortina
de estacas e poços isolados da escavação, os quais
não são representativos da fundação da barragem.
Proteção de taludes
(Slope protection)
-
Proteção dos taludes da barragem contra ação de
ondas ou outros agentes erosivos. Pode ser de várias
formas, tal como rip-rap, lajes de concreto, solo estabilizado com cimento, concreto asfáltico, cascalho,
malha de ferro ou vegetação.
Superelevação
(Surcharge)
-
Volume num reservatório situado entre o nivel normal
de retenção e o nível máxima de cheia. Pode também
ser expresso pela dimensão vertical. O volume de
água relativo a sobre-elevação não pode ser retirado
no reservatório e escoará pelo vertedor até que o nível
normal de retenção seja atingido.
camento, construido de material de baixa permeabilidade a fim de limitar a percolação através do maciço.
1
\
É o terreno natural situado na encosta do vale e que
constitui o apoio para a fundação da barragem.
quando este está olhando para jusante.
Coroamento
c,
Elevação máxima de armazenamento do nível de água
correspondendo ao nível máximo do resewatório para
o qual a barragem foi projetada, sem considerar o
efeito de superelevação.
f
Borda Mínima
1
-
BARRAGENS - ANTEPROJETO DA SEÇÃOTRANSVERSPL 6
OBRAS DE TERRA
Trincheira de Vedação
(Cut-off trench)
- Trincheira escavada abaixo do nível geral da base de
Tapete de Montante
(Upstream Blanket)
-
Vertedor
(Spillway)
- Soleira, conduto, túnel, canal ou outra estrutura proje-
Vertedor de Tulipa
(Moming Glory Spillway)
- Vertedor em forma circular ou de tulipa, normalmente
Volume útil (Usable storage)
- Parte do volume do reservatório situado acima do nível
uma barragem para ligar a zona impermeável da
mesma a uma camada impermeável mais profunda.
Camada de material impermeável colocada no terreno
a montante da barragem, para controlar a percolação
de água através da fundação ou sobre o parametro de
montante no caso de uma barragem em vedação por
montante.
tada para descarregar água do reservatório, controlando os seus níveis.
O vertedor é destinado principalmente a descarregar
vazões de enchente mas também pode ser utilizado
para descarregar água para outros objetivos. O vertedor pode ser sem ou com comportas. No caso de se
usar comportas, o vertedor será denominado Vertedor
Controlado.
isolado no reservatório, que conduz, com forte declividade, as águas que sobem acima do seu topo.
É assim chamado pela semelhança de sua forma com
uma tulipa.
do mais baixo dispositivo de descarga, propiciando a
utilização do reservatório para outras finalidades que a
da geração de energia.
BARRAGENS - ANTEPROJETO DA SEÇAO TRANSVERSAL - 7
OBRAS DE TERi7A
SEÇÃO TRANSVERSAL E FUNDAÇÃO
Largura da crista
-----
da
gem
C Largura da base
Cortina de injep3o
RESERVATÓRIO E OBRAS ACESSÓRIAS
I
_ _-.
--.
,
'.
'
*,
-------
Vertedoura auxiliar
.
Eixo da Barragem
ouro
,
Bacia Hidrogrhfica
-
Comprimento
BARRAGENS - ANTEPROJETO DA SECÃO TRANSVERSAL - 8
ORRAS DE TERRA
3) DIMENSIONAMENTO DA SEÇÃO DA BARRAGEM
3.1 - Segurança ao Transbordamento
Uma barragem de terra ou enrocamento é incapaz de trabalhar como estrutura vertedora sem
um alto risco de colapso por erosão.
Devido as implicações catastróficas de uma rotura deste tipo, a probabilidade de sua ocorrência
deve manter-se muito baixa.
Nessas condições, a descarga de cheia para o projeto de uma barragem de terra deve ser maior
do que o adotado em uma barragem de concreto. A segurança contra o transbordamento durante
uma máxima cheia é obtida através um balanceamento entre o volume do reservatório e a
capacidade do vertedouro.
Por outro lado, quando o vento começa a soprar sobre uma superfície de águas calmas, ocorre
uma transferência de energia do vento para a superfície da água e há a formação de ondas.
A elevação da água contra a barragem dependerá então da altura de onda formada pelo vento, da
profundidade da água em frente a barragem e da geometria e material da face de montante da
barragem.
Assim, além da atenção especial no dimensionamento dos órgãos estravasores de cheias como
já mencionado, há que adotar ainda uma folga ou borda livre conveniente.
Para a fixação da borda livre de uma barragem, considera-se o nível máximo de operação da
barragem e tem-se como objetivo, ao determinar esse valor:
evitar o transbordamento pela ação das ondas, que pode coincidir com a máxima
enchente;
fornecer um fator de segurança contra imprevistos tais como recalque da barragem,
ocorrência de uma cheia maior do que a prevista no projeto ou mau funcionamento do
vertedouro, acarretando um nível d'água mais alto do que o previsto.
A determinação do valor da borda livre baseia-se na previsão da altura e ação das ondas. Essa
previsão, entretanto, não é baseada em processos matemáticos precisos. 0 s melhores recursos
disponíveis apoiam-se em experiências passadas, extrapoladas por vários processos matemáticos e
estatísticos.
A borda livre pode ser dada pela expressão:
B = o,75Ho +
v,'
- (1)
2g
em que H. é a altura da onda V. a sua velocidade de propagação.
A altura das ondas H,, é geralmente estimada através fórmulas empíricas em função da
velocidade do vento e do fetch.
As fórmulas de Stevenson, modificadas por Molitor, usadas há muitos anos, e têm as
expressões:
onde:
H0 -
altura da onda
(m)
F - fetch
(km)
U - velocidade do vento, segundo o fetch
(kmlh)
BARRAGENS - ANTEPROJETO DA SECÃO TRANSVERSAL - 9
ORRAS DE T E R R A
Quando o fetch excede 20 km a fórmula pode ser simplificada para
Recomenda-se a instalação de um anemômetro no local da obra, colocado a uma altura de 10m
acima do futuro nível do reservatório e exposto ao máximo fetch.
Só se deve levar em conta os ventos com ocorrência provável durante o período de águas
máximas no reservatório.
A direção do vento e do fetch adotado também devem se correlacionar.
Para ondas com altura de 0,3 a 2m, a velocidade de propagação pode ser determinada pela
fórmula de Gaillard:
V = 1,5+2H0
(4)
em que V é expressa e mls e H,, em metro
Para o projeto de pequenas barragens de terra, o "Bureau of Reclamation" indica as folgas
normais e mínimas a adotar, considerando uma proteção em enrocamento e baseadas respectivamente, em velocidades do vento de 50 a 100 milhas por hora.
TABELA 1
"Fetch"
Folga Normal
Folga Mínima
(km)
(metro)
(metro)
12
0,9
1,6
1,5
12
48
13
13
8,O
2,4
13
16,O
39
2,1
1,6
3.2 - Coroamento
A largura do coroamento de uma barragem depende de vários fatores tais como:
características dos solos utilizados no maciço;
comprimento mínimo da linha de percolação através o aterro, para o nível de retenção
normal do reservatório;
altura e importância da obra;
facilidade de construção;
Além desses fatores, muitas vezes a largura depende das características de uma estrada que
passa sobre a barragem.
Por razões construtivas, a largura do coroamento não deve ser inferior a 5m. O estabelecimento
de tal largura é baseado em casos precedentes, recorrendo-se as fórmulas empíricas, entre as
quais a recomendada pelo Bureau of Reclamation.
OBRAS DE TERRA
BARRAGENS - ANTEPROJETO DA SECÃO TRANSVERSAL - 10
onde H altura da barragem em metros.
A fim de se facilitar a drenagem superficial, deve-se dar ao coroamento, transversalmente, uma
ligeira sobrelevação (pelo menos 10 cm) ao longo do eixo ouincliná-lo totalmente para montante.
3.3
- Inclinação dos Taludes
Em princípio, praticamente, qualquer material ou conjunto de materiais pode servir para a
construção de uma barragem de terra.
Entretanto.. o .proieto
. do aterro deve ser elaborado de acordo com o tipo de fundacão em causa
que, juntamente com as característticas mecânicas de resistência, ~om~ressibilidade
e permeabilidade dos materiais terrosos disponíveis, governarão a geometria do maciço.
Não há regras específicas para a seleçáo da inclinação dos taludes externos. O processo geral
é fazer uma escolha com base na experiência pessoal com barragens semelhantes e modificá-la de
acordo com os resultados da análise de estabilidade.
O Bureau of Reclamation (Design of Small Dams) elaborou tabelas que podem orientar a
escolha inicial da inclinação dos taludes de pequenas barragens de terra compactada, considerandose como tal aquelas cuja altura máxima não exceder 15 metros.
Reproduzimos a seguir algumas das tabelas do Bureau of Reclamation
Na tabela 2 apresentam-se as inclinações dos paramentos de montante e de jusante para o
caso de barragens homogêneas, sobre fundações estáveis.
BARRAGENS - ANTEPROJETO DA SECÃO TRANSVERSAL - 11
OBRAS DE TERRA
TABELA 2
INCLINAÇÃODOSTALUDESDEBARRAGENS
HOMOGÊNEASSOBRE FUNDAÇOES ESTÁVEIS
Sujeitas a
esvaziamento
rápido
Não
Sim
Montante
Jusante
GW, GP, SW, SP
Não adequado
(permeável)
GC, GM, SC, SM
2,5 : 1
2: 1
CL, ML
3: 1
2,5 : 1
CH MH
3,5 : 1
2,5 :I
GW, GP, SW, SP
Não adequado
(permeável)
GC, GM, SC, SM
3: 1
2: 1
CL, ML,
3,5 : 1
2,5 : I
CH, MH
4:1
Símbolo do grupo
do solo
2,5 :I
Nesta tabela consideram-se os casos do reservatório poder ou não ser sujeito a esvaziamenos
rápidos, admitindo-se como tal os que apresentam velocidades mínimas de descida do nível, de
15cm por dia.
O projeto de uma barragem do tipo zoneado torna-se econômico quando há uma variedade de
solos disponíveis, pois permitem o uso de taludes mais íngremes, com uma conseqüente redução no
volume total do material a ser empregado no maciço.
O esquema de zoneamento pode dividir a barragem em três ou mais seções, dependendo do
intervalo de variação das características e gradação dos materiais de construção disponíveis.
0 s materiais permeáveis e portanto com melhores condições de estabilidade são colocados nas
faces de montante e jusante, permitindo a dissipação de pressões no abaixamento rápido e evitando
o aumento das pressões de percolação e abaixamento da linha de saturação, mantendo-a no interior
do maciço.
As inclinações necessárias para a estabilidade de uma barragem zoneada são funções das
dimensões relativas do núcleo impermeável e das abas permeáveis.
OBRAS DE TERRA
-
-
BARRAGENS ANTEPROJETO DA SEÇAO TRANSVERSAL 12
A figura seguinte mostra o esquema de zoneamento de uma barragem para as seguintes
situações:
a) barragem construida sobre fundação impermeável ou permeável completamente
atravessada por uma trincheira de vedação. Neste caso temos um núcleo denominado
de núcleo mínimo com largura na base 1-1.
b) barragem construida sobre fundação permeável sem "cut-off".
A largura 2-2 representa a dimensão de um núcleo mínimo para esta situação.
c) o núcleo máximo para uma barragem do tipo zoneado (3-3).
Se o núcleo for menor do que o mínimo indicado em cada condição, a barragem é considerada
do tipo diafragma, se o núcleo é mais largo do que o valor indicado como máximo, as zonas
permeáveis não colaboram na estabilidade do aterro e a barragem será considerada homogênea.
A tabela 3 apresenta inclinações recomendadas para pequenas barragens zoneadas com
núcleos máximos e mínimos.
Também neste caso os valores da tabela devem ser tomados como ponto de partida, pois temse notícias de barragens que funcionam adequadamente com núcleo de largura L = 0,30 a 0,50 H,,
sendo H, a altura da água.
1 - 1 Núcleo mínimo sobre fundações impermeáveis ou permeáveis com cut-off
2 - 2 Núcleo mínimo para barragens sobre fundações permeáveis sem cut-off
3 -3 Núcleo máximo
BARRAGENS - ANTEPROJETO DA SEÇAO TRANSVERSAL - 13
OBRAS DE TERRA
Inclinações dos taludes de barragens zonadas sobre fundações estáveis.
Tipo
Núcleo
Mínimo
Sujeitas a
esvaziamento
rápido
Solos dos
maciços laterais
Condição não
Crítica
Enrocamento;
Solos do núcleo
Montante
Jusante
x: I
y:l
2: 1
2: 1
GC, GM
2: 1
2: 1
SC, CM
2,25 : 1
2,25 : 1
CL, ML
2,5 : 1
2,5 : 1
CH, MH
3: 1
3: 1
GC, GM
2,5 : 1
2: 1
SC, CM
2,5 : 1
2,25 : 1
CL, ML
3: 1
2,5 : 1
CH, MH
3,5 : 1
3: 1
GC, GM
GW, GP
SC, CM
SW (seixo)
CL, ML
SP (seixo)
CH, MH
Núcleo
Máximo
Núcleo
Máximo
Não
Sim
Idem
Idem
TABELA 3
No caso de fundações constituídas por solos finos saturados, com espessuras maiores que a
altura do aterro, podem seguir-se as recomendações contidas na figura abaixo e tabela 4.
?
-1nclinaçáo
dos taludes não inferior a 3:l
- -- -- - - - - - - - - - -- - - - - - - --
...
.
.
...............
.
.
.
...............
Aterro projetado
Vala de ligaiáo
SOLOS FINOS. SATURADOS
dreno de pé
BARRAGENS - ANTEPROJETO DA SEÇÃO TRANSVERSAL - 14
OBRAS DE TERRA
TABELA 4
INCLINAÇÕES DOS TALUDES DE ATERROS ESTABILIZADORES
Consistência Número médio Símbolo do grupo
de golpes no
do solo
ensaio de
penetração
(SPT) relativo
a uma prof. de
funda@o igual
a altura da
barragem
Inclinação dos taludes do aterro estabilizador
para diversas alturas da barragem.
15m
12m
9m
6m
3m
especial
requer
análise
4,5:1 4 : l
3: 1
Média
4a10
3: 1
3: 1
SM
Mole
Dura
Rija
4
11 a 20
> 20
SC
6: 1
5: 1
4: 1
3: 1
3: 1
ML
6: 1
5:1
4: 1
3: 1
3:1
CL
6,5:1
5:l
4: 1
3: 1
3:1
MH
7 :1
5,5 : 1
4,5 : 1
3,5 : 1
3:1
CH
13: 1
1O:l
7: 1
4: 1
3: 1
SM
4: 1
3,5:1
3:l
3: 1
3: 1
SC
5,5 : 1
4,5 : 1
3,5 : 1
3 :1
3: 1
ML
5,5 : 1
4,5 : 1
3,5 : 1
3:1
3: 1
CL
6:1
4,5 : 1
3,5 : 1
3:1
3: 1
MH
6,5:1
5:l
4: 1
3:1
3: 1
CH
11:l
9:l
6: 1
3: 1
3: 1
SM
3,5:1
3:l
3: 1
3: 1
3: 1
SC
5: 1
4: 1
3: 1
3:1
3: 1
ML
5: 1
4: 1
3,5:1
3 : l
3: 1
CL
5: 1
4: 1
3:1
3:1
3:1
MH
5,5:1
4:l
3:1
3:1
3:1
CH
10:l
8:l
5,5:1
3:l
3: 1
OBRAS DE TERRA
BARRAGENS - ANTEPROJETO DA SEÇÃO TRANSVERSAL - 15
4) DRENAGEM INTERNA
O sistema de drenagem interna constitui o elemento vital na segurança de uma barragem de
terra e deve ser dimensionado de modo a atingir os seguintes objetivos:
a) reduzir a pressão neutra na área de jusante da barragem e portanto aumentar a estabilidade de jusante contra o deslizamento;
b) controlar a percolaçáo da água na face de jusante da barragem de tal modo que a água
não carregue qualquer partícula do maciço, isto é, que não se desenvolva o fenômeno de
"piping".
A eficiência do dreno ou filtro na redução das pressões neutras depende em princípio da sua
localização e extensão.
Por outro lado, o "piping" ou entubamento é controlado construindo-se os drenos com um material de granulometria adequada a funcionar como filtro do solo constituinte do maciço.
Existem numerosos tipos de sistemas de drenagem interna em barragens de terra, sendo que o
tipo a ser adotado para uma obra determinada dependerá de diversos fatores relativos ás permeabilidades do maciço e da fundação bem como das características dos materiais drenantes
disponíveis. Serão apresentados, a seguir, em termos muito sucintos, os principais tipos geralmente
adotados.
As barragens homogêneas mais antigas apresentam esse tipo de drenagem para evitar a
diminuição de resistência do material no pé do talude. Empregam-se apenas em barragens de
pequena altura, constituídas de solos homogêneos de baixa permeabilidade.
Podem ser dos tipos:
OBRAS DE TERRA
BARRAGENS - ANTEPROJETO DA SEÇÃO TRANSVERSAL - 16
Recomenda-se que o dreno de pé penetre um pouco no terreno de fundação porque o contacto
da barragem com a fundação é um caminho preferencial.
O dreno de pé pode ser utilizado associado no trecho final de um tapete drenante como
mostrado na figura 6.
4.2 - Drenos Longitudinais e Tapetes Drenantes
O mais econômico tipo de dreno para uma barragem é o constituído por um conduto perfurado
envolvido por filtros de transição, posicionado longitudinalmente com relação ao eixo da barragem, a
meia distancia entre o eixo e o pé de jusante. Esse sistema só deve ser adotado no caso da
barragem ser apoiada sobre uma fundação relativamente uniforme e do maciço compactado ser
constituído por solos de mesmas permeabilidade vertical e horizontal.
Quanto mais elevado o grau de estratificação do maciço, representado pela relação entre a
permeabilidade horizontal k, e a permeabilidade vertical k,, mais extenso deve ser o dreno,
chegando-se no limite do tapete drenante que se estende até ao pé do talude de jusante da
barragem.
O comprimento do tapete filtrante basear-se-á na posição que se pretende para a linha freática,
no interior do maciço, devendo-se notar que a descarga percolada aumenta com o comprimento do
tapete. Esse aumento, entretanto, é recompensado pela melhoria na estabilidade, pois mantem-se
seco grande parte do paramento de jusante da barragem.
OBRAS DE TERRA
BARRAGENS - ANTEPROJETO DA SEÇÃO TRANSVERSAL - 17
A tentativa inicial na escolha da posição do tapete drenante poderá ser a recomendada por
Creager, adotando um comprimento de 0,3 a 0,5 L, sendo L a distância do eixo da barragem ao pé
do talude de jusante.
Uma das principais desvantagens do tapete drenante horizontal resulta do fato de que o maciço
de uma barragem de terra tende a ser estratificada (k,, > k,) como já mencionado. Pode ainda,
ocasionalmente, acontecer que camadas horizontais muito mais permeáveis do que a média do
material empregado sejam colocadas no maciço, de modo que, a despeito do dreno horizontal, a
água p e m l a horizontalmente na superiície de uma camada relativamente impermeável e surge no
talude do jusante.
4.3 - Cortina Drenante
Este tipo de drenagem é constituído por um dreno vertical posicionado ligeiramente a jusante do
eixo da barragem e prolongado para jusante por um tapete drenante horizontal. Foi adotado pela
primeira vez por K. Terzaghi para a barragem de Vigário no Brasil (atualmente denominada Barragem
Terzaghi, em homenagens ao projetista).
O dreno verical tem a grande vantagem de interceptar qualquer fissuração do maciço e de
coletar os fluxos que poderiam percolar através de tais fissuras. São geralmente projetados com
uma espessura variando de 0,9 a 2,O m, sendo que, na maioria dos casos, essas espessuras são
fixadas por motivos de ordem construtiva.
Em várias barragens mais recentes de maiores alturas, a cortina drenante tem forte inclinação
para montane ou para jusante.
Com a inclinação para montante, tem-se a vantagem de eliminar riscos de trincas longitudinais
na crista no caso da barragem ser apoiada sobre uma fundação rígida.
Por outro lado um dreno inclinado para jusante apresenta a vantagem de melhorar as condic6es
de estabilidade do talude de montante durante o rebaixamento rápido do reservatório.
Seguem-se exemplos de várias soluç5es que podem ser adotadas em cortinas drenantes
OBRAS DE TERRA
-
BARRAGENS ANTEPROJETO DA SEÇÃO TRANSVERSAL - 18
Tipos de sistemas de drenagem interna de barragens com cortinas drenantes
BARRAGENS - WTEPR.OJETO DA SEÇÃO TRA-NSVERS-AL - 19
OBRAS DE TERRA
5
- PROJETO DE FILTROS
-
NA
-
- -
/'
regressivo
'
1
-
A água que percola através
de uma barragem de terra e suas
fundações pode carregar pai?culas que estejam livies e não
ofereçam resistência ao carreamento.
Nas seguintes situações ocorreram danos ou o colapso de uma
barragem de terra por carreamento de material e a ocorrência do fenômeno do piping ou
entubamento regressivo.
A água emergindo do talude de jusante saturará, progressivamente, a zona de jusante da
barragem, causando o amolecimento e o enfraquecimento da mesma e poderá dar início ao
fenômeno da erosão interna ou piping.
As partículas da face do paramento de jusante são as primeiras deslocadas, deixando sem
proteçáo as partículas internas adjacentes que também serão deslocadas a seguir.
Forma-se, acompanhando a linha de saturação, um tubo que pode levar a barragem a ruptura.
Zona I- lrn~ermeável
'Ona
*
-
Areia e siite saturado
presumido Ida esquerda para a direita)
. .=...
As forças de percolação nas
faces de descarga AB e BC tendem a
mover as partículas de solo erodíveis
para a zona 2, se tiverem valor
suficientemente elevado e a zona 2,
vazios largos o bastante para deixar
passar as partículas de solo da zona
1 e do terreno de fundação.
O aparecimento frequente de
água borbulhando e abatimentos do
terreno, junto ao pé de uma
barragem, levaram a colocação de
um filtro de pedras da ordem de
7,5cm de diâmetro. Não obstante,
após um período de 6 anos a
barragem, subitamente, rompeu-se
provavelmente devido ao desenvolvimento progressivo de um tubo
subterrâneo que, finalmente, atingiu o fundo do reservatório.
Esta ruptura poderia ter sido evitada se, no local do filtro de pedra que não foi eficaz na
retenção das partículas erodíveis da fundação, tivesse sido colocado um filtro com a graduação
adequada.
O fenômeno do piping pode ser evitado pela introdução de filtros. Eles constituem zonas relativamente delgadas, o que exige que sejam perfeitamente dimensionados, geométrica e granulometricamente na fase de projeto com a construção bem controlada.
BARRAGENS - ANTEPROJETO DA SEÇÃOTRANSVERSAL - 20
OBRAS DE TERRA
5.1 - CRITÉRIOS
BÁSICOS DE FILTROS
A granulometria dos filtros deve atender a duas exigências principais quanto a:
Erosão Interna
0 s vazios existentes nos filtros em contato com solos erodíveis devem ser
suficientemente pequenos para evitar que as partículas desses solos sejam
carreadas através do filtro.
Permeabilidade
0 s vazios existentes nos filtros, em contato com solos a serem protegidos,
devem ser suficientemente grandes para que a permeabilidade do filtro seja maior
que a do o material protegido ou material de base, a fim de permitir o livre escoamento das águas infiltradas.
As funçôes granulométricas dos filtros foram definidas por K.Terzaghi desde 1929 e foram
enquadradas em regras precisas por Bertram em 1940; a partir de então vem sendo aperfeiçoadas por numerosos pesquisadores.
Entretanto, as regras só são válidas dentro de certos limites, especialmente no que se refere a
extensão e a uniformidade da curva granulométrica.
Fora desses limites, será necessário proceder a ensaios visando verificar a estabilidade dos
filtros.
0 s critérios dependem ainda dos gradientes hidráulicos máximos, assim como do sentido do
fluxo de percolação (ascendente, descendente ou horizontal).
Por outro lado, essas regras de filtro se tornam pouco aplicáveis, em termos técnicos e
econômicos, quando o material a ser protegido é constituido por solos essencialmente
argilosos, já que, nesse caso, o material de filtro se tomaria extremamente fino, coesivo e
fissurável, o que deve ser evitado a qualquer custo, quando se trata de proteger o núcleo de
uma barragem de terra ou enrocamento.
Ia
Regra:
F1 5
-<4
B85
a 5
4,
- Diâmetro da partícula do filtro, para o qual 15% em peso
Bs5
- Diâmetro da partícula do material de base, para o qual
do solo tem diâmetros inferiores a ele.
85% em peso do solo tem diâmetros inferiores a ele.
Quando esta regra é satisfeita, garante-se que o piping será evitado; o mecanismo de funcionamento do filtro está representado na figura.
2a Regra:
Esta regra garante que os filtros são substancialmente mais
permeáveis do que os solos a proteger, geralmente, da ordem de
10 a 20.
BARRAGENS - ANTEPROJETO DA SEÇAO TRANSVERSAL - 21
OBRAS DE TERRA
O mecanismo de funcionamento do filtro está representado na figura abaixo
e foi retido pelas partículas B,,
do próprio solo.
Filtro
3a Regra:
Recomenda-se escolher material de filtro com uma curva granulométrica, aproximadamente
paralela a curva do material a ser protegido, o que pode ser traduzido pelas seguintes
expressões (U.S Army Corps of Engineers):
1'50 25B50
I;,, < 20B,,
e
4a Regra:
Os filtros não devem conter mais do que 5% de material mais fino que 0,074mm (peneira 200)
e ainda devem ser isentos de partículas argilosas, a fi m de não serem coesivos.
5a Regra:
I;'
s
Ahrrlrrrn nrhxrrilo </o luho
22
r/c.~cnr,yn
Quando um tubo perfurado é colocado no
interior do filtro, as aberturas do tubo,devem
ser pequenas o bastante para evitar o piping.
O conjunto de critérios acima exposto é bastante conservativo e é adequado para a proteção
de qualquer tipo de solo. Entretanto, os solos argilosos são muito menos suscetiveis ao piping
do que os solos não coesivos e, consequentemente, são usados critérios menos restritivos nos
filtros projetados para proteger argilas.
Uma regra empirica aceita, que nesses casos
1,; 5
-2
10
4 5
As especificações do Army Corps of Engineers desprezam a primeira regra básica e aceita para
as argilas plásticas I'l5da ordem de 0.4mm.
BARRAGENS - ANTEPROJETO DA SEÇÃO TRANSVERSAL - 22
OBRAS DE TERRA
EXEMPLO DE ESPECIFICAÇÁO DE UM FILTRO
Na figura abaixo está representada a curva granulométrica média de um solo onde será
instalado um dreno. Está representada ainda a curva granulométrica de uma areia que oferece
condições logisticas e econômicas para ser utilizada como filtro ou material de transição no
dreno.
A drenagem será obtida por meio de tubos com orifícios de 1,25mm (112).
Pede-se verificar a possibilidade de verificar de utilização da areia no filtro e a eventual
necessidade de projetar-se mais uma camada no dreno.
SOLUÇÃO:
Características das curvas granulométricas:
Solo de Fundação
B85
0,100mm
Areia Natural
1,oomm
BARRAGENS - ANTEPROJETO DA SEÇÃO TRANSVERSAL - 21
OBRAS DE TERRA
)
Verificação das condições limites da areia:
Limites de Fls
Inferior
Superior
F~~ = 5 B~~
'
O menor dos seguintes valores
Limite superior de F50
A areia satisfaz aos critérios de filtro do material de base e suas curvas granulométricas são
paralelas.
Para que o filtro possa estar em contacto com o tubo de drenagem deve ter o diâmetro D85,
satisfazendo a condição: De5 > 2 x 112 = 25,4mm o que não ocorre. Logo, deve-se interpor, entre o
tubo e a camada de areia, uma camada de material mais grosso.
A escolha da granulometria desse material deve obedecer os mesmos critérios anteriores,
considerando a areia como material de base, ou seja, o material a ser protegido.
Chega-se a:
Escolheu-se o material F2, para atender a condição de paralelismo e que apresenta:
ü15
= 1,40mm
e
Da5
= 40mm
DIMENSIONAMENTO DOS DRENOS
Para aplicar os métodos racionais e experimentais da Mecânica dos Solos, a análise da percol a g o através de drenos, devem ser executados os seguintes procedimentos:
identificação de todas as fontes possíveis de água que pode penetrar no dreno.
consideração das condições hidráulicas no interior do dreno
elaboraçao de um projeto de dreno que garanta uma condutividade hidráulica (K.A), suficiente para transportar as águas captadas,sob um gradiente aceitável.
BARRAGENS - ANTEPROJETO DA SEÇÃO TRANSVERSAL - 24
OBRAS DE TERRA
AVAL~AÇÁODAS VAZÕES DE ÁGUA
\
n
qat -
vazão captada através do maciço da barragem
qf -
vazão captada através da fundação
q = qt, + qf
vazão a ser eliminada pelo dreno
Os valores de q,t e qf podem ser determinados pela construção de redes de fluxo pelas
fundaç6es e ombreiras e pelo próprio maciço da barragem.
DETERMINAÇÁO DA SEÇÁO DE VAZÁO DO DRENO
Supondo-se que a percolação no interior do filtro ocorre em regime laminar, aplica-se a equação de
Darcy:
q = K.i.A
onde,
q = vazão perwlando pelo meio poroso
K= coeficiente de permeabilidade
i = gradiente hidráulico
A = seção transversal, perpendicular a direção do fluxo
Escrevendo-se a equação de Darcy sob a forma q 1 i = K.A, a relação q I i representa a
conductibilidade ou transmissibilidade do dreno.
O dimensionamento do dreno deve ser feito de acordo com a combinação mais favorável em
termos construtivos e mais ewnômica em termos de custo, da área drenante A e do coeficiente de
pemeabilidade K.
Assim, segue-se o roteiro:
fixar o valor de I no interior dos drenos, pelos processos aproximados como é usual, levando
em conta as exigências de estabilidade do talude de jusante.
verificar os materiais drenantes naturais disponíveis, com seus respectivos coeficientes de
permeabilidade.
calcular a área drenante A, com as diversas combinações dos materiais drenantes. 0 s resultados assim obtidos deverão ser analisados sob o aspecto econômico a fim de verificar se
as soluçôes obtidas são aceitaveis.
A permeabilidade do material drenante pode ser obtido em laboratório com um ensaio de
permeabilidade, realizado com a areia compactada.
A tabela seguinte fornece valores típicos de permeabilidade de diversos tipos de materiais
empregados como filtro.
OBRAS DE TERRA
BARRAGENS - ANTEPROETO DA SEÇÃO TRANSVERSAL - 25
VALORES T~PICOSDE COEFICIENTES DE PERMEABILIDADE
Penneabilidade
Cascaiho limpo, fino a grosso
Cascalho fino, uniforme
Areia média, uniforme
Areia limpa, bem graduada
Areia fina, uniforme
Areia siltosa, bem graduada
Argila (30 a 50% i2m)
No que se refere ao gradiente hidráulico i dentro do dreno, é fixado pela configuração geométrica da seçSo transversal da barragem.
Para dimensionamento do dreno horizontal, adota-se, geralmente, valores de i da ordem de
0,005 a 0,15, ou considerando a expressSo deduzida da equação de Darcy, admitindo-se o
escoamento laminar.
BARRAGENS - ANTEPROJETO DA SEÇÃOTRANSVERSAL - 26
OBRAS DE TERRA
Drenos aproximadamente verticais são dimensionados com i = 1,O.
Na figura a capacidade de descarga do dreno é q,=K,.i,.A,.
Para drenos aproximadamente verticais, i, pode ser tomado como h, /
o qual é aproximadamente igual a unidade.
4,
Se a vazão a ser drenada é elevada, a utilização de um único material filtrante wode conduzir a esoessuras do
dreno excessivas e anti-econÔmicas.Paraaumentar-se a conductibilidade do drèno empregam-se os seguintes
recursos:
~~
+drenas de filtros graduado, consistindo de duas ou mais camadas de diferentes materiais,
conhecido pelo nome de sanduiche. Cada camada suceçsiva é escolhida de modo,que satisfaça
os critérios de drenos já expostos. Como a espessura necessária da camada granular é
inversamente proporcional ao seu coeficiente de permeabilidade, os drenos sanduiche são mais
econômicos que os de uma só camada.
+uma redução sensivel da espessura total de um dreno pode ser obtida pela adoção do dreno
sanduiche, incorporando-se uma camada de material altamente permeável ou tubo metálico
perfurado. Nesse caso, o dreno sanduiche é constituido por dois elementos que tem funç6es
totalmente diferentes: as camadas externas de material fino atuam como filtros de transição e a
camada interna de material grosso atua como dreno propriamente dito.
Em muitos casos, a espessura mínima necessária não é fixada pelas exigências hidráulicas, mas
sim pelas imposições construtivas.
O método de dimensionamento hidráulico, pela aplicação da lei de Darcy ao fluxo pelo dreno,
incorpora um fator de segurança, multiplicando a seção drenante, determinada pelos cálculos, por
um fator que em geral varia de 10 a 100, dependendo da confiabilidade das hipóteses adotadas.
Esses valores elevados são justificados pelo fato que as incertezas relativas as permeabilidades
variam na escala logarítmica.
ESQUEMA DE UM FILTRO DE CAMADAS
Detalhe 2
Areia artificial
V>
Detalhe 1