MARIA DA PENHA NOGUEIRA DE AZEVEDO
BARRAGENS DE TERRA – SISTEMAS DE
DRENAGEM INTERNA
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado
à
Universidade
Anhembi Morumbi no âmbito do
Curso de Engenharia Civil com
ênfase Ambiental.
SÃO PAULO
2005
MARIA DA PENHA NOGUEIRA DE AZEVEDO
BARRAGENS DE TERRA – SISTEMAS DE
DRENAGEM INTERNA
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado
à
Universidade
Anhembi Morumbi no âmbito do
Curso de Engenharia Civil com
ênfase Ambiental.
Orientador:
Prof. Dra.
Campos
SÃO PAULO
2005
Gisleine
Coelho
de
i
AGRADECIMENTOS
Aos meus pais e irmãos, pela força, apoio e incentivo;
Ao Kleber, meu esposo, pela dedicação e paciência;
À minha orientadora Dra. Gisleine Coelho de Campos, que sem ela certamente não
seria possível a realização deste trabalho;
A CNEC Engenharia S.A, pela contribuição em meus conhecimentos e
minha
formação;
Ao Dr. Ciro Humes pela ajuda, incentivo e material fornecido;
Ao Eng° João Vicente Pires pela grande ajuda oferecida;
A CESP e seus colaboradores na pessoa do Eng° Júlio Cesar Pínfari, Eng° José
Ulisses Peloso e o Sr. Ariovaldo Antônio de Araújo, pelas informações e pela
oportunidade de visita técnica a obra de Paraibuna além dos materiais fornecidos
que subsidiaram este trabalho;
A Construções e Comércio Camargo Correa S.A., por possibilitar acesso as
informações técnicas sobre a Barragem de Paraibuna;
A todos que fizeram possível a realização deste trabalho.
ii
RESUMO
Este trabalho apresenta um estudo sobre barragens de terra e os sistemas de
drenagem interna. Inicialmente são abordados os tipos de barragens, suas
finalidades e características. Apresentam-se também os fatores que podem
influenciar a escolha de cada tipo de seção (barragem homogênea, de enrocamento
ou de concreto).
Posteriormente são discutidos a importância e os critérios de dimensionamento dos
filtros de barragens de terra, apresentando os problemas que podem ocorrer pela
ineficiência deste sistema, considerado pelos especialistas a “alma da barragem”.
A barragem de Paraibuna, localizada no rio Paraibuna, constitui o estudo de caso:
abordam-se as medidas mitigadoras que foram tomadas em relação aos impactos
ambientais causados pela obra e as características dos sistemas de drenagem
interna. Verifica-se que não houve, ao longo do tempo, grandes avanços
tecnológicos nesses sistemas; desde 1922, empregam-se os critérios de filtro de
Terzaghi. Os avanços deram-se em relação à ferramenta utilizada em seu
dimensionamento que é, na maioria das vezes, executado através de softwares
específicos.
Palavras Chave: barragens de terra; drenagem interna; filtros; impactos ambientais.
iii
ABSTRACT
This paper describes a research performed about earth dams and usual internal
drainage systems . The different types of dams are also presented, with emphasys in
some aspects that can influence on their behaviour.
Internal drainage systems, considered by geotechnical engineers the “heart” of an
earth dam, are discussed. Most common problems involving these systems are
described and some factors of their project are presented.
Paraibuna dam, located in Paraibuna river, illustrate the main theoretical aspects
discussed in this paper. Environmental impacts of its construction are also presented.
Finally, this paper shows that there is not great technological development in earth
dams. Nowadays, engineers are using the same materials and geometries in
drainage systems that Terzaghi used in the last century.
Key Worlds: earth dams; internal drainage; drains; environmental impacts.
iv
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 5.1: Barragem de Rosana .............................................................................11
Figura 5.2: Barragem do Vigário ..............................................................................12
Figura 5.3: Barragem de Itumbiara............................................................................14
Figura 5.4: Barragem de São Simão, leito do Rio, Barragem de enrocamento .......15
Figura 5.5: Barragem de São Simão .........................................................................16
Figura 5.6: Barragem de Itaúba, seção transversal na estaca 11 ............................18
Figura 5.7: Vista aérea da barragem de Campos Novos ..........................................19
Figura 5.8: Vista da UHE Americana – Barragem de concreto gravidade ................20
Figura 5.9: Barragem de saco Nova Olinda – PB .....................................................21
Figura 5.10: Usina de Funil da Furnas Centrais Elétricas ........................................22
Figura 6.1: Seção sem filtro ......................................................................................31
Figura 6.2: Seção com filtro horizontal e enrocamento de pé ..................................31
Figura 6.3: Seção com filtro horizontal e vertical ......................................................32
Figura 6.4: Conceitos mais recentes de filtros ..........................................................32
Figura 6.5: Curva granulométrica .............................................................................34
Figura 6.6: Barragem de Itumbiara............................................................................35
Figura 6.7: Barragem de Passaúna...........................................................................37
Figura 6.8: Esquema de Injeções de calda de cimento em rocha .............................39
Figura 6.9: Trincheira de vedação em fundação muito permeável............................40
Figura 6.10: Esquema ilustrativo de Piping ...............................................................42
Figura 7.1: Barragem de Paraibuna .........................................................................46
Figura 7.2: Barragem de Paraibuna .........................................................................47
v
Figura 7.3: Barragem de Paraibuna .........................................................................50
Figura 7.4: Barragem de Paraibuna – filtro vertical ..................................................51
Figura 7.5: Poço de inspeção....................................................................................52
Figura 7.6: Gráfico do medidor de Vazão MV-01 .....................................................53
Figura 7.7: Vista da chegada da água no medidor de Vazão MV-01 ........................54
Figura 7.8: Medidor triangular de vazão do fluxo pela fundação ...............................56
Figura 7.9: Detalhe do medidor de vazão. ................................................................56
Figura 7.10: Gráfico do medidor de Vazão MV-34 ...................................................58
Figura 7.11: Material arenoso decorrente de carreamento por águas de surgência .59
Figura 7.12: Gráfico do medidor de Vazão MV-41 ...................................................59
Figura 7.13: Medidor de vazão da drenagem interna do dique .................................60
Figura 7.14: Situação do inclinômetro .......................................................................63
Figura 7.15: equipamento de leitura do inclinômetro.................................................63
Figura 7.16: leitura de piezômetro de tubo ................................................................65
Figura 8.1: Vista dos tanques de piscicultura ............................................................68
Figura 8.2: Viveiro de mudas.....................................................................................68
vi
LISTA DE TABELAS
Tabela 6.1: Valores típicos de coeficientes de permeabilidade.................................27
Tabela 7.1: instrumentos instalados, em funcionamento e danificados ....................61
Tabela 7.2: instrumentos em funcionamento na UHE Paraibuna..............................64
vii
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
CBDB
Comitê Brasileiro de Barragens
CBGB
Comitê Brasileiro de Grandes Barragens
BT
Barragem de terra
OD
Ombreira Direita
OE
Ombreira Esquerda
DQME
Dique Margem Esquerda
DQ
Dique
CESP
Companhia Energética de São Paulo
USP
Universidade de São Paulo
CCR
Concreto Compactado a Rolo (CCR)
Rip-Rap
Proteção do talude de montante da barragem de terra com
blocos de rocha
viii
LISTA DE SÍMBOLOS
k
Permeabilidade / condutividade
V
velocidade
d
Dimensão
ix
SUMÁRIO
1
INTRODUÇÃO.....................................................................................................1
2
OBJETIVOS.........................................................................................................3
2.1
Objetivo Geral ........................................................................................................ 3
2.2
Objetivo Específico ............................................................................................... 3
3
METODOLOGIA DO TRABALHO.......................................................................5
4
JUSTIFICATIVA ..................................................................................................6
5
TIPOS DE BARRAGENS E APLICAÇÕES.........................................................8
5.1
5.1.1
Barragens de seção homogênea ................................................................. 10
5.1.2
Barragens Zoneadas ..................................................................................... 15
5.1.3
Barragens de enrocamento .......................................................................... 17
5.1.4
Barragem de concreto ................................................................................... 20
5.2
6
Classificação quanto a seção de barragens.................................................... 9
Critérios de projeto ............................................................................................. 23
5.2.1
Materiais disponíveis ..................................................................................... 23
5.2.2
Condições climáticas e trabalhabilidade ..................................................... 24
5.2.3
Fatores geológico-geotécnicos e topográficos ........................................... 24
DRENAGEM INTERNA DE BARRAGEM DE TERRA ......................................26
x
6.1
Permeabilidade .................................................................................................... 26
6.1.1
O estado do solo ............................................................................................ 28
6.1.2
O Grau de saturação ..................................................................................... 28
6.1.3
Estrutura e anisotropia .................................................................................. 29
6.1.4
Temperatura ................................................................................................... 29
6.2
Filtros em barragens de terra ........................................................................... 30
6.3
Filtro vertical (filtro chaminé) ou inclinado .................................................... 35
6.4
Drenos horizontais (tapete drenante).............................................................. 36
6.5
Fatores de segurança em filtros....................................................................... 37
6.6
Controle de fluxo ................................................................................................. 39
6.6.1
Piping – Erosão regressiva ........................................................................... 41
6.6.2
Saturação e instabilização de taludes ......................................................... 42
6.6.3
Perda excessiva de água.............................................................................. 43
7
BARRAGEM DE PARAIBUNA – UM ESTUDO DE CASO ...............................44
7.1
Características da barragem ............................................................................. 45
7.2
Seção tipo ............................................................................................................. 47
7.3
Drenagem interna ................................................................................................ 51
7.3.1
7.4
Vazão .............................................................................................................. 53
Diques – observações relevantes .................................................................... 54
7.4.1
Dique 4............................................................................................................ 55
7.4.2
Dique da Margem esquerda ......................................................................... 57
xi
7.5
Instrumentação .................................................................................................... 61
8
ANÁLISE CRÍTICA ............................................................................................67
9
CONCLUSÕES ..................................................................................................70
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .........................................................................73
ANEXOS ......................................................................................................................I
Anexo A – Ensaio de Proctor Normal ........................................................................... ii
Anexo B – Mapa com a localização da usina de Paraibuna ....................................iii
1
1 INTRODUÇÃO
As barragens são utilizadas para formação de reservatórios (lagos) para atender
demandas de abastecimento de água, geração de energia elétrica e para acúmulo
de rejeitos industriais (Moreira, 1981).
No Brasil há muitos rios que possibilitam aproveitamento hidrelétrico e isso é um
incentivo para a geração deste tipo de energia. Contudo, a formação de
reservatórios ocasiona grandes impactos ambientais e sociais, que precisam ser
ponderados e avaliados (relação custo / benefício).
As barragens de terra são amplamente utilizadas no Brasil e no mundo, pois a sua
estrutura não exige muito da fundação e ela pode ser utilizada em diferentes tipos de
solo; porém, vem aumentando significativamente o uso de barragens de
enrocamento devido a sua esbeltez e rapidez de construção.
Os principais problemas encontrados na construção de barragens são: ambientais,
sociais e econômicos.
O enchimento do reservatório inunda grandes regiões, podendo ocasionar danos
irreparáveis para o meio ambiente e para a população. Áreas de uso agrícola deixam
de existir, mudando por completo as características das regiões afetadas pelo
reservatório. Entretanto, as obras de barramento trazem progresso e conforto, e são
de grande importância para o desenvolvimento econômico do País.
2
As barragens precisam atender dois requisitos básicos que são: eficiência e
segurança. Uma ruptura em um sistema de barramento traz conseqüências
catastróficas e prejuízos incalculáveis, e até mesmo perda de vidas humanas, daí a
importância de uma construção bem dimensionada, segura e com monitoramento
constante.
O papel dos sistemas de drenagem interna na estabilidade de barragens de terra é
essencial, pois alivia os níveis de subpressão, disciplina o fluxo que é percolado pelo
corpo da barragem a um destino seguro além de evitar o carreamento de materiais
finos que pode ocasionar problemas de piping1. A drenagem interna pode ser
considerada como a alma da barragem.
1
Pipping é uma erosão regressiva, o mesmo que erosão interna, e consiste na desagregação e
carreamento de partículas de solo.
3
2 OBJETIVOS
Os sistemas de barramento são de grande importância, pois trazem benefícios e
conforto ao homem. Contudo, esses sistemas precisam ser seguros e estáveis para
que se consiga um aproveitamento sem riscos de ruptura.
O objetivo do trabalho é estudar sistemas de drenagem interna, com foco em um
caso de barragem de terra, apresentando suas características técnicas e forma de
utilização.
2.1 Objetivo Geral
O objetivo deste trabalho é estudar as barragens de terra, com seu foco voltado para
a drenagem interna, que constitui um dos principais elementos para a segurança e
eficiência de um sistema de barramento, o qual deve ser estanque e estável.
Também será apresentado um breve relato sobre outras estruturas de barramento,
como concreto e enrocamento.
2.2 Objetivo Específico
Analisar sistemas de drenagem interna em barragens de terra, descrevendo os
motivos que conduzem a escolha da drenagem. Suas principais características,
finalidades e desempenho são pautados, com mais ênfase, no estudo de caso da
4
barragem de terra de Paraibuna, que se localiza no Município de Paraibuna, no
Estado de São Paulo.
5
3 METODOLOGIA DO TRABALHO
A elaboração deste trabalho baseou-se em pesquisas na Internet, livros técnicos,
anais de congressos e seminários de geotecnia, relatórios de obras e visita técnica.
A Internet foi utilizada como ferramenta de busca de livros atualizados, dos quais
foram obtidas informações conceituais básicas sobre geotecnia e mecânica dos
solos; dos anais de congresso, que também tratam dos temas acima, dados mais
específicos e objetivos sobre casos de obras foram extraídos.
Fez-se uma enriquecedora visita técnica à Barragem de Paraibuna, com
acompanhamento de técnicos da Companhia Energética de São Paulo – CESP, que
forneceram relatórios técnicos e informações de grande importância e aplicabilidade
para o estudo de caso discutido no presente trabalho.
6
4 JUSTIFICATIVA
Barragens são em geral obras de grande porte e conseqüentemente obras de
grande impacto ambiental e social.
Para a construção de uma barragem de terra que tenha um desempenho seguro e
eficiente, a drenagem interna deve ser dimensionada adequadamente, a bem da
verdade ela é a “alma” da barragem, pois ela é controladora de fluxo, retém partícula
de solo que poderiam ser carreadas, minimiza os níveis de pressão neutra e por
conseqüência, resulta em maior segurança na estabilidade da barragem. Uma
drenagem interna com dimensionamento criterioso conduz a um sistema seguro e
estável.
O assunto ao qual o trabalho se refere deve ser tratado com seriedade pois há
histórico de casos catastróficos que ocorreram em barragens de terra, trazendo
mortes e prejuízos à população, como é o caso da barragem de Teton, E.U.A., que
rompeu em junho de 1976, ocasionando a morte de 14 pessoas, além de altos
prejuízos materiais.
O rompimento da barragem de Teton deu-se devido a formação de piping ou erosão
regressiva, que teria se iniciado no contato solo-rocha (Massad, 2003).
Ocorreu recentemente, no Brasil, o rompimento da barragem de Camará na Paraíba,
fato que foi amplamente divulgado pelos meios de comunicação. O rompimento da
barragem inundou as cidades de Alagoa Grande e Mulungu, destruiu plantações e
7
imóveis rurais, causando a morte de pelo menos 5 pessoas e deixando centenas de
pessoas desabrigadas.
Fatos como estes ocorridos na Barragem de Teton, E.U.A., e da Barragem de
Camará na Paraíba, ilustram o quanto é desastroso o rompimento de uma barragem
e a enorme responsabilidade de quem a projeta, de quem a constrói, bem como de
quem a opera e mantém.
8
5 TIPOS DE BARRAGENS E APLICAÇÕES
Segundo Caputo (1987), barragens são estruturas construídas para se represar
água de um vale; não se deve confundir com diques que são obras executadas ao
longo de um curso d´água com a finalidade de se evitar o transbordamento para
terrenos mais baixos.
“As Barragens são estruturas construídas em vales e destinadas a fechálos transversalmente, proporcionando assim um represamento de água”,
(Caputo, 1987).
As barragens podem ser resumidas quanto a sua finalidade em dois grupos que são
descritos a seguir:
•
“Barragens de regularização”
As barragens de regularização são barragens que têm como objetivo regularizar o
regime hidrológico dos rios, ou seja, equilibrar a demanda com o consumo de água.
Estas barragens possuem diversas finalidades, entre elas o uso para aproveitamento
hidroelétrico, que consiste em transformar a energia potencial hidráulica em energia
elétrica, devido ao desnível criado pela estrutura de barramento.
9
A formação de reservatório para abastecimento de água constitui uma outra
finalidade das barragens de regularização. Outro uso específico destas barragens é
para represar a água de forma a se ter a possibilidade de navegação (Moreira,
1981).
•
“Barragens de retenção”
As barragens de retenção são estruturas que são construídas com a finalidade de
reter água, na maioria das vezes para controle de cheias (Moreira, 1981).
É o caso da barragem de Taiaçupeba, que foi construída com a finalidade de
reservatório para abastecimento público e que também é utilizada para controle de
cheias.
Outro exemplo de barragem de retenção é a sua utilização para contenção de
resíduos industriais ou sedimentos, amplamente utilizada na mineração entre outros.
5.1 Classificação quanto a seção de barragens
Para se obter a melhor solução em sistema de barramento, a barragem nunca deve
ser analisada isoladamente. A melhor solução, tanto relacionada à eficiência quanto
à economia, deve levar em consideração todo o conjunto na etapa de otimização.
10
As barragens podem ser classificadas quanto ao tipo de seção, como barragens
homogêneas (terra), barragens zoneadas, barragem de enrocamento, barragens de
concreto, entre outras.
O que predomina na seleção do tipo de barragem está associado diretamente ao
arranjo geral do empreendimento, e também a disponibilidade dos diversos materiais
de construção empregados na execução da barragem (Moreira, 1981).
5.1.1 Barragens de seção homogênea
Barragens homogêneas são aquelas executadas com solo compactado. Apesar da
denominação de homogênea, a seção destas barragens não são executadas com a
utilização exclusiva de um único material; podem ser executadas também com o
emprego de solos compactados com diferentes características.
Essas barragens possuem na realidade o solo compactado como predominante, pois
além do maciço a seção possui também filtro drenante e proteção de taludes de
montante e jusante. É considerado como Montante o que está acima de um eixo de
referência que corta a seção transversal do rio e Jusante é o que está abaixo deste
mesmo eixo (CPFL, 2001).
As barragens homogêneas, executadas em solo compactado, possuem no seu
interior filtro drenante, e na sua fundação a jusante tapete drenante para controle de
fluxo, subpressões e intercepto de fluxo pelo corpo da barragem.
11
Como exemplo de barragem com seção homogênea cita-se a Usina Hidroelétrica
(UHE) Rosana: é uma barragem com 2.308 metros de comprimento, construída com
a finalidade de geração de energia elétrica.
Essa UHE é um bom exemplo de adoção de barragem de seção homogênea
empregada, principalmente, em regiões onde o vale é aberto, como é ilustrado pela
figura 5.1.
Figura 5.1: Barragem de Rosana (CBDB, 2005)
12
As seções destas barragens homogêneas requerem taludes mais abatidos para que
se garanta a estabilidade do maciço, e como o nível de solicitação da fundação é
menor em relação aos outros tipos de seções, ela é a mais adaptável a qualquer tipo
de fundação, resultando em um menor custo em sua execução (considerando
apenas a barragem), desde que se disponha material para a sua construção em
distância economicamente viável.
A figura 5.2 apresenta uma seção típica de barragem homogênea.
Dreno Chaminé
10
N.A. 398
401,50
1
1
2,5
3,8
1
2,5
Argila
Compactada
4
Linha de Escavação
Enrocamento
2,5
Filtro de Areia
(0,6 Mínimo)
Terreno natural
Rocha
1
1
370
Drenos da
Fundação
Figura 5.2: Barragem do Vigário (Cruz, 1996)
Mesmo sendo barragens executadas em solo, apenas com filtros e proteção de
taludes empregando outro tipo material, essas seções podem ter zoneamentos com
diferentes tipos de solo. Esse zoneamento se dá em função dos materiais
13
disponíveis na região e do seu melhor aproveitamento, e ainda, as condições de
trabalhabilidade no espaldar de montante2.
No espaldar de montante, até a zona central, é necessário a utilização de um
material com característica mais impermeável para que se garanta a estanqueidade
da barragem. Já a jusante esse material pode possuir características de
permeabilidade menos rigorosas, portanto na indisponibilidade de materiais com
características
tecnológicas
ideais
de
impermeabilidade,
recorre-se
a
um
zoneamento de forma a se otimizar a seção.
Em termos de estabilidade das barragens, a compactação do maciço é fator
fundamental para se conseguir tal resultado, uma vez que a compactação dos solos,
por meios mecânicos, conduz a redução rápida do seu índice de vazios.
A finalidade dessa compactação é melhorar as propriedades destes solos como:
resistência ao cisalhamento, redução de recalques e resistência a erosão (Massad,
2003).
A permeabilidade está relacionada com a umidade dos solos, por isso geralmente
nas barragens de terra, costuma-se criar um núcleo mais impermeável, utilizando
uma compactação acima da umidade ótima, porém essa umidade deve ser limitada
para que se evitem problemas como laminações que podem levar a um caminho
preferencial de percolação.
2
Espaldar de montante: Região entre o talude de montante e o núcleo da barragem
14
A umidade acima da ótima pode também levar a formação de solo “borrachudo”, que
é o fenômeno que ocorre quando se tenta compactar o solo e ele se comprime com
a passagem do equipamento, porém em seguida volta a se dilatar como se fosse
mesmo uma borracha. Na realidade o que se consegue comprimir são as bolhas de
ar ocluso (Pinto, 2000).
A compactação ótima está diretamente ligada a energia de compactação e ao teor
de umidade do solo. Para se estabelecer estes fatores faz-se uso do ensaio de
Proctor, que é descrito no Anexo A.
A figura 5.3 ilustra o caso de uma barragem utilizando uma compactação do núcleo
com umidade acima da ótima.
Enrocamento de proteção
Cascalho argiloso compactado
Enrocamento fino
compactado (transição)
Argila Compactada
(Wot-3%<W<Wot+1,5%)
523,00
1
2,5
3
1
canaleta
2,5
Dreno vertical
de areia natural
Argila Compactada
(Wot-3%<W<Wot+1,5%)
1
Argila Compactada
(Wot-1%<W<Wot+1,5%)
Filtro "sanduíche"
Solo residual de Gnaisse
Rocha alterada
Figura 5.3: Barragem de Itumbiara – ABMS/ABGE, 1983 (Cruz, 1996)
15
5.1.2 Barragens Zoneadas
A denominação de barragem zoneada se dá quando na seção da barragem não
apresenta a predominância de um único material, como é o caso das barragens de
seção de terra já citadas anteriormente.
A escolha desta seção se dá em função da otimização dos materiais disponíveis na
região. Barragens zoneadas devem sempre conter um núcleo impermeável para se
garantir a estanqueidade do barramento (ELETROBRÁS, 2003).
A seção da barragem de São Simão, no leito do rio, é um exemplo didático de
barragem zoneada. Observa-se na figura 5.4 a otimização máxima do emprego dos
materiais.
Figura 5.4: Barragem de São Simão, leito do Rio, Barragem de enrocamento (Moreira 1981)
16
A barragem de São Simão localiza-se no Rio Paranaíba, na Bacia do Paranaíba.
Tem como finalidade geração de energia elétrica e possui mais de quatro
quilômetros de extensão. Nesta seção empregaram-se diferentes materiais como
cascalho, argila compactada, areia, material de transição, material para rip-rap e
random que é um material não selecionado que pode ser composto por solo,
enrocamento e cascalho. Enrocamento é um material formado por blocos de rocha,
lançados em camadas e compactados com equipamentos adequados, resultando
em uma estrutura resistente e permeável.
Na figura 5.5 é mostrada uma foto aérea da barragem em operação.
Figura 5.5: Barragem de São Simão (CBDB, 2005)
17
5.1.3 Barragens de enrocamento
Barragens são denominadas como de enrocamento quando na sua seção há a
predominância de material rochoso.
Em épocas anteriores, quando do início da utilização de enrocamento nas estruturas
de barragens, os blocos de rochas eram simplesmente espalhados sem nenhuma
compactação.
Por serem só espalhados, com o primeiro enchimento do reservatório, poderia
ocorrer um “amolecimento” nos contatos entre rochas, no caso de rochas
sedimentares, havendo acomodação entre blocos, resultando em recalques
elevados e imediatos.
Com o desenvolvimento de novas tecnologias, descobriu-se que a compactação
deste material rochoso com rolos lisos de aço vibratórios seria bastante eficiente,
reduzindo-se deste modo o recalque por molhagem.
Durante a compactação o
expediente de molhar o enrocamento tornou-se também um método eficiente de se
conseguir densidades mais elevadas.
De acordo com Massad (2003), as estruturas de enrocamento (pedras) são mais
estáveis, em função do elevado ângulo de atrito do material, não havendo relatos de
ruptura de seus taludes. Para a formação do reservatório é necessário uma
estanqueidade do barramento, que é garantida com o uso de um núcleo argiloso ou
com membrana externa impermeável.
18
Apresenta-se na figura 5.6 um exemplo de barragem de enrocamento com núcleo
183,00 N.A. Norm.
Eixo da barragem
argiloso, a seção da barragem de Itaúba.
184,00 N.A. MÁX.
182,00 N.A. Mín.
170,00
187,00
Areia
Artificial
A+ B
Enrocamento
A+ B
Enrocamento
A
Enrocamento
A+ B
A
Enrocamento
Argila
compactada
Núcleo
Transição de GM
A
C
A+ B
Enrocamento
Fino
Enrocamento
Enrocamento
C
A+ B
Enrocamento
A+ B
C
A
Enrocamento
Figura 5.6: Barragem de Itaúba, seção transversal na estaca 11 (Cruz, 1996)
O uso de barragens de enrocamento vem aumentando a cada dia no Brasil e no
mundo. Isso se deve a sua capacidade de tolerar taludes bem mais íngremes que as
barragens de seção homogênea, e pela sua rapidez de execução. Cabe ressaltar
que as barragens de enrocamento com taludes mais inclinados só se aplicam em
fundação rochosa ou com boa capacidade de suporte. Cresce também interesse em
estudos de novas tecnologias na sua execução, como é o caso do uso de núcleo
asfáltico para servir como material impermeável, já utilizado em barragens
19
Européias, substituindo o emprego de argila compactada como núcleo. No Brasil
esta tecnologia nunca foi empregada.
A topografia e a geologia muitas vezes favorecem o emprego de barragens de
enrocamento.
A UHE Campos Novos é um outro exemplo de barragem que está utilizando
enrocamento em toda a sua seção, figura 5.7. Trata-se de uma barragem de
enrocamento com face de concreto encontrando-se, atualmente, em fase final de
construção (2005).
Figura 5.7: Vista aérea da barragem de Campos Novos (CNEC, 2004)
20
5.1.4 Barragem de concreto
O concreto também é um material amplamente utilizado na construção de barragens
no país.
•
Concreto gravidade
Essas barragens são denominadas de barragens de concreto gravidade por serem
executadas de tal forma que resistem, apenas por peso próprio, aos esforços
(empuxo) que são aplicados pela água do reservatório (CPFL, 2001).
A figura 5.8 apresenta barragem de gravidade concluída.
Figura 5.8: Vista da UHE Americana – Barragem de concreto gravidade (CBDB, 2005)
21
•
Barragem CCR
As barragens de Concreto Compactado a Rolo (CCR) também são de gravidade
porém o seu processo construtivo é diferente; neste caso o concreto é lançado em
camadas pequenas e em seguida compactados com a utilização de um
equipamento especial, geralmente um rolo compressor pesado (CPFL, 2001).
Segundo a Associação Brasileira de Cimento Portland – ABCP (2002), a primeira
barragem construída totalmente utilizando a tecnologia de concreto compactado a
rolo foi a barragem de Willow Creeck nos Estados Unidos no ano de 1984. Já no
Brasil a primeira barragem construída totalmente em CCR foi a Barragem de saco
Nova Olinda na Paraíba (figura 5.9) e foi finalizada no ano de 1986.
Figura 5.9: Barragem de saco Nova Olinda – PB (ABCP,2002)
22
•
Barragem em arco
Também é uma barragem construída em concreto, curvada para montante e na
direção do reservatório. A estrutura consegue transferir os esforços da água do
reservatório (empuxo) para as ombreiras ou margens, isso é possível devido a sua
geometria. Neste caso não é o peso próprio que resiste aos esforços o que
possibilita uma redução significativa no volume de concreto a ser utilizado, porém
essa estrutura é utilizada em vales profundos e estreitos e quando o material de
apoio nas margens (rocha) é de excelente qualidade (CPFL, 2001).
A barragem de Funil é um exemplo clássico de barragem em arco no Brasil, de
Furnas Centrais Elétricas, ilustrado na figura 5.10. Sua concepção é de arcogravidade (ABCP, 2002).
Figura 5.10: Usina de Funil da Furnas Centrais Elétricas (ABCP, 2002)
23
5.2 Critérios de projeto
Ao se pensar no arranjo geral de uma barragem, independente da finalidade, devese equilibrar ao máximo o uso de materiais resultantes da movimentação de volumes
de corte de solo e rocha da própria obra.
Quando os materiais disponíveis, resultantes das escavações obrigatórias, não
satisfazerem às exigências quanto a características tecnológicas adequadas e
volumes, se faz necessário o uso de áreas de empréstimo e bota-fora
(ELETROBRÁS, 2003).
5.2.1 Materiais disponíveis
As características dos materiais disponíveis é um dos fatores de grande influência na
escolha do tipo de seção a utilizar.
A princípio todos os materiais são
potencialmente úteis para o emprego na seção da barragem, incluindo solos e
rochas. Porém os materiais provenientes de escavação nas proximidades da
barragem serão os primeiros a serem analisados e eventualmente utilizados, pois
são, geralmente, mais econômicos (ELETROBRÁS, 2003).
24
5.2.2 Condições climáticas e trabalhabilidade
Condições climáticas e de trabalhabilidade também são fatores limitantes na escolha
da seção da barragem, pois as condições dos materiais quanto a umidade, em loco,
influenciam na trabalhabilidade, podendo colocar assim alguns materiais em
vantagens ou desvantagens.
Regiões com grande intensidade de chuvas podem diminuir dias úteis trabalhados,
podendo assim atrasar os cronogramas. Para compensar a perda de horas
trabalhadas pode ser exigido um número maior de equipamentos, ou que possam
ser utilizados em condições climáticas adversas. E assim, nestas regiões, os
materiais que necessitam de menos compactação podem ser mais competitivos,
como é o caso do emprego de enrocamento.
5.2.3 Fatores geológico-geotécnicos e topográficos
A geologia e a topografia da região onde será implantada a obra de barramento
também é um dos fatores limitantes a que tipo de seção será utilizado.
A escolha do projeto se dá, principalmente, em função das condições geológicas da
fundação e da conformação da região onde será implantado o barramento.
25
Para se conhecer as condições da fundação e se caracterizar os materiais é
necessário a realização de sondagens investigatórias.
É muito importante essa investigação, pois as seções de barragens homogêneas
são menos exigentes em relação à fundação; em compensação, necessitam de
taludes mais abatidos para que fique estável, enquanto que as barragens de
enrocamento, que exigem mais da fundação, podem ser executadas sem problemas
utilizando taludes mais íngremes (ELETROBRÁS, 2003).
26
6 DRENAGEM INTERNA DE BARRAGEM DE TERRA
O sistema de drenagem interna é um dos fatores predominantes para o bom
funcionamento de uma barragem.
Estatisticamente verifica-se que a maioria dos acidentes com barragens de terra
deram-se devido a falta de um sistema eficiente de controle de fluxo (Massad, 2003).
Por mais compactado que seja o material que compõe a estrutura de uma barragem
de terra, sempre haverá fluxo pelo seu maciço. Este fluxo deve ser conhecido,
quanto à vazão e ao caminho preferencial (redes de fluxo), e deve ser direcionado
de forma a não ocasionar problemas.
6.1 Permeabilidade
A permeabilidade de um meio poroso pode ser descrita como a facilidade ou a
dificuldade que os vazios ou poros oferecem à passagem da água.
Uma permeabilidade alta significa facilidade de percolação. Essa “facilidade”
depende das características tecnológicas de cada material (Cruz, 1996).
27
Os valores de permeabilidade são tanto menores quanto menores forem os índices
de vazios de um solo, bem como, menores forem os tamanhos das partículas.
Na tabela 6.1 apresentam-se, como ordem de grandeza, valores típicos de
coeficientes de permeabilidade (k).
Tabela 6.1: Valores típicos de coeficientes de permeabilidade
Material
k (m/s)
Argilas
< 10-9 m/s
Siltes
10-6 a 10-9 m/s
Areias argilosas
10-7 m/s
Areias finas
10-5 m/s
Areias médias
10-4 m/s
Areias grossas
10-3 m/s
Fonte: Pinto (2000).
Como citado anteriormente, a permeabilidade de um solo está diretamente
relacionada ao tamanho dos grãos e a presença de vazios; seria como dizer que
solos porosos seriam mais permeáveis que os solos densos (Cruz, 1996).
28
Segundo Pinto (2000), os seguintes fatores podem influenciar na permeabilidade de
um solo:
6.1.1 O estado do solo
O solo é constituído por três fases: partículas sólidas, água e ar. Dependendo da
relação de cada uma destas três fases o comportamento do solo varia. No caso
de solos arenosos pode-se dizer que quanto mais fofo for o solo mais permeável
ele é; já nos solos argilosos, a permeabilidade depende do arranjo dos grãos, do
seu tamanho e da quantidade de vazios.
6.1.2 O Grau de saturação
Mesmo com diferença de permeabilidade sendo pouco significativa, pode-se
dizer que a permeabilidade de um solo saturado é maior que a de um solo não
saturado, pois a percolação da água não remove todo o ar em um solo não
saturado, onde as bolhas de ar são obstáculos ao fluxo da água.
29
6.1.3 Estrutura e anisotropia
Solos que possuem macro poros em sua estrutura, como é o caso de solos
residuais, possuem conseqüentemente permeabilidades maiores, isso mostra
que a permeabilidade não depende somente da quantidade de vazios, mas
também das suas dimensões e da disposição relativa dos grãos.
Geralmente solos compactados mais secos permitem maior fluxo de água que os
compactados mais úmidos, mesmo com índices de vazios semelhantes.
Os solos geralmente apresentam anisotropia em relação a permeabilidade, ou
seja, comportamento variável segundo direções diferentes. Solos compactados,
bem
como
solos
sedimentares
costumam
apresentar
coeficientes
de
permeabilidades bem maiores na horizontal que na vertical. Esse fato é
decorrente das partículas tenderem a ficarem com suas maiores dimensões
orientadas na horizontal. Este aspecto tem grande importância nos problemas de
percolação pois haverá um caminho preferencial de fluxo na horizontal.
6.1.4 Temperatura
Com variação de temperatura, o peso específico do líquido e a viscosidade varia,
sendo que a viscosidade possui maior variação. E como o coeficiente de
30
permeabilidade depende também destas propriedades, verifica-se que a
temperatura influencia na permeabilidade.
6.2 Filtros em barragens de terra
Como já citado anteriormente, sempre haverá passagem de água pelo maciço da
barragem e este fluxo precisa ser conduzido adequadamente.
A captação e condução desta água são feitas através de filtros, que precisam
garantir um septo drenante total para que no talude de jusante não haja fluxo
emergente.
Segundo Albuquerque (2003), os filtros visam uma otimização da barragem, tendo
como principais fatores: drenar a água na base da barragem, otimizar as redes de
fluxo, vazões de percolação e gradiente de saída além de controle de percolação
pela fundação.
A evolução do sistema de drenagem interna de barragens de terra, segundo Massad
(2003), seguiu a seguinte ordem:
a) Inicialmente as barragens eram construídas sem filtros, conforme ilustrado
na figura 6.1, onde o problema apresentado seria a emergência de água na
face de jusante da seção, podendo assim ocasionar piping.
31
Figura 6.1: Seção sem filtro (Massad, 2003)
b) Já a solução ilustrada na figura 6.2 teoricamente resolveria o problema se o
solo compactado fosse isotrópico3, o que não corresponde a realidade e
continuando assim a possibilidade de formação de piping.
Figura 6.2: Seção com filtro horizontal e enrocamento de pé (Massad, 2003)
c) A solução encontrada por Terzaghi é mostrada na figura 6.3, onde se
chegou a uma combinação de filtro vertical e filtro horizontal. Essa
combinação intercepta o fluxo da água antes que ele consiga sair no talude
3
Isotrópico: Que apresenta as mesmas propriedades físicas em todas as direções.
32
de jusante. Se os filtros forem dimensionados de forma criteriosa, podem-se
eliminar problemas de piping.
Figura 6.3: Seção com filtro horizontal e vertical (Massad, 2003)
d) A figura 6.4 apresenta casos de idéias mais recentes onde se apresentam
soluções como filtros inclinados para montante, que tem como vantagem,
quando do rebaixamento rápido do N.A., a melhora da estabilidade do
talude de montante.
Nesta mesma figura mostra-se o caso de filtros
inclinados para jusante, que aumenta o caminho de percolação da água, se
mostrando bastante interessante quando se tem fundação mais permeável.
Mostra ainda uma solução proposta por Mello 1975 (apud Massad, 2003)
que combina as vantagens dos dois casos anteriores.
Figura 6.4: Conceitos mais recentes de filtros (Massad, 2003)
33
Verifica-se que mesmo nas soluções mais recentes se manteve o critério de
Terzaghi, onde se emprega filtro horizontal juntamente com outro filtro.
A função básica dos filtros é prevenir fenômenos de erosão regressiva formada por
forças de percolação intensas, rupturas hidráulicas e trincas ocasionadas por
deformações diferenciais no corpo da barragem.
Os filtros são essenciais nas barragens. A escolha do material filtrante, segundo
Terzaghi, baseia-se em dois critérios:
a) O primeiro indica que o filtro deve ser mais permeável que o solo.
D15(filtro)>5*D15(solo)
b) O segundo critério limita o tamanho dos vazios do filtro de forma que não
permita a passagem dos grãos do solo.
D15(filtro)>5*D85(solo)
34
Onde D15 (D quinze) é o diâmetro que na curva granulométrica corresponde a
porcentagem que passa igual a 15% e D85 (D oitenta e cinco) é o diâmetro abaixo do
qual se situam 85% em peso das partículas.
A curva granulométrica apresentada na figura 6.5 mostra a granulometria de
materiais diferentes e exemplifica as limitações acima citadas.
Figura 6.5: Curva granulométrica (Pinto, 2000)
O único material que satisfaz as duas condições, tanto permeabilidade quanto
tamanho dos grãos, para servir como filtro para o solo da curva S, é o material da
curva Q (Pinto, 2000).
35
6.3 Filtro vertical (filtro chaminé) ou inclinado
Segundo Cruz (1996), o dreno vertical de uma barragem deve sempre ser levado até
a altura do nível de água máximo. Já os drenos inclinados são indicados em
barragens com maciço de altura superior a 20 ou 30 metros.
Esses filtros possuem como função básica evitar que o material seja carreado de
montante para jusante. Como a sua função é cicatrizante e sua capacidade de
vazão é muito superior à vazão que é percolada pelo maciço, o filtro deve ser
projetado obedecendo larguras mínimas construtivas (Sá, 1981).
A figura 6.6 refere-se a seção da Barragem de Itumbiara e mostra a utilização do
filtro vertical.
523,00
1
2,5
3
canaleta
1
2,5
Dreno vertical
de areia natural
1
Filtro "sanduíche"
Solo residual de Gnaisse
Rocha alterada
Figura 6.6: Barragem de Itumbiara – (Cruz, 1996)
36
O dreno vertical representou no Brasil uma inovação no conceito de drenagem, e a
barragem de seção homogênea e filtro vertical constitui um modelo de “Barragem
Brasileira”.
6.4 Drenos horizontais (tapete drenante)
O filtro horizontal possui um papel fundamental em um sistema de drenagem interna.
A sua função não é exclusivamente impedir o carreamento de materiais da
fundação, mas também promover a drenagem das águas de percolação através da
fundação e do maciço (Sá, 1981).
Os filtros horizontais podem ser dimensionados hidraulicamente de duas formas:
- Dimensionar a espessura do dreno para que o fluxo escoe livremente. Fluxo este,
baseado na lei de Darcy4, resultante do volume de percolação previsto sob
determinadas condições de cargas hidráulicas.
- Determinar a espessura do filtro necessária, com base em análise de percolação
através do conjunto fundação, maciço compactado e filtro.
O dreno horizontal deve ser contínuo e revestir toda a área da fundação, leito do rio
e ombreiras, sendo levado no mínimo até o N.A. máximo normal do reservatório.
4
Lei de Darcy: Q= KiA
Onde: K= coeficiente de permeabilidade; i= gradiente hidráulico; A= área.
37
A figura 6.9 mostra o emprego de filtro horizontal em barragens de terra. Trata-se da
Eixo da barragem
barragem de Passaúna, localizada na cidade de Curitiba no Estado do Paraná.
N.A. MÁX.
Solo
Compactado
Pseudo
Núcleo
Areia grossa com pedegrulho
Filtro vertical
Filtro horizontal
Solo
Compactado
Argila verde
micácea
Solo de alteração de rocha
Figura 6.7: Barragem de Passaúna (Cruz, 1996)
6.5 Fatores de segurança em filtros
Os fatores de segurança convencionais empregados em relação a vazão para filtros
e drenos é muito alto. Esses valores variam de 10 a 100.
Valores tão altos para fatores de segurança são facilmente justificados devidos aos
fatores que são expostos a seguir (Sá, 1981).
38
•
Incertezas com relação aos coeficientes de permeabilidade dos materiais,
notadamente de fundação;
•
As permeabilidades variam em escala logarítmica;
•
Os materiais tanto da fundação quanto do maciço são heterogêneos.
•
Incertezas quanto a colmatação dos filtros.
Colmatação é a obstrução dos vazios de um material drenante, com
conseqüente diminuição de sua permeabilidade.
Ela pode ser causada pela
precipitação de óxidos ferrosos ou pelo carreamento de finos do material a
montante do filtro;
•
No caso de problemas com drenagem interna o seu reparo é muito difícil e
oneroso; e
•
Incertezas com relação ao fluxo através da rocha.
39
6.6 Controle de fluxo
De acordo com Cruz (1996), o fluxo pela fundação de barragens, mesmo em casos
de fundação em rocha, pode ser maior em relação ao fluxo pelo maciço. O sistema
de drenagem da fundação é importante para o controle destes fluxos.
É apresentada, a seguir, uma opção para se reduzir a percolação de fluxo pela
fundação em rocha, e outra para esse controle quando a fundação é em solo. Esses
sistemas são aplicados a fim de não sobrecarregar o sistema de drenagem interna
da barragem.
Ainda segundo Cruz (1996) uma solução que vem sendo utilizada extensamente no
Brasil para o tratamento de fundação em rocha é a utilização de injeções de cimento
que visa à homogeneização quanto a permeabilidade dos maciços rochosos. A
calda de cimento é injetada na rocha geralmente utilizando caldas grossas (fator
água/cimento 0,7:1,0 à 0,5:1,0) e com pressões baixas (15 a 25 kN/m²/m).
Figura 6.8: Esquema de Injeções de calda de cimento em rocha
40
Já para fundações em solo uma forma utilizada é a execução de trincheiras de
vedação. Trata-se de uma escavação localizada ao longo da barragem até se atingir
rocha ou um material com menor coeficiente de permeabilidade a fim de se diminuir
a percolação pela fundação da estrutura. A base da trincheira deve ter no mínimo 4
ou 6m para que se permita a compactação do solo. As trincheiras de vedação mais
comuns são centrais. A figura 6.9 mostra um exemplo de trincheiras de vedação.
Figura 6.9: Trincheira de vedação em fundação muito permeável (ELETROBRÁS, 2005)
De acordo com Moreira (1981), os problemas ocasionados por ineficiência da
drenagem interna podem ser resumidos em três principais, que são mostrados a
seguir:
41
6.6.1 Piping – Erosão regressiva
Piping é uma erosão regressiva, ou seja, diferente da erosão superficial onde se
consegue observar o carreamento de solo na superfície.
No caso do piping isto ocorre internamente ao maciço da barragem, e é denominado
como erosão regressiva porque o seu avanço é no sentido contrário ao fluxo. Para
que se evite a sua formação os vazios do filtro devem ser suficientemente pequenos
para se garantir que o solo não migre através dos filtros.
A formação de piping é uma das principais preocupações de uma obra de
barramento, pois a sua formação é muito comum e suas conseqüências podem ser
trágicas. Para evitar sua ocorrência é necessário que no contato dos materiais a
granulometria do filtro impeça o carreamento de solo do maciço.
Segundo Massad (2003), os fatores condicionantes ao piping e que também podem
levar a formação de brechas5 nas barragens de seção homogêneas são:
- Ausência de filtros horizontais tipo sanduíche, construídos com materiais
francamente permeáveis;
- As condições de compactação do maciço de solo;
5
Brechas: fendas ou aberturas no maciço da barragem
42
- Ausência de transições adequadas entre materiais granulares; e
- Presença de fundações arenosas.
Figura 6.10: Esquema ilustrativo de Piping
6.6.2 Saturação e instabilização de taludes
Valores de subpressão elevados na fundação e no corpo de barragem é fator
importante para promover a instabilização do maciço, pois a pressão neutra é a
parcela que minimiza a tensão efetiva e conseqüentemente as forças estabilizantes,
’=( -u).
Onde:
’ – Tensão efetiva (kN/m²)
– Tensão total (kN/m²)
u – Pressão neutra (kN/m²)
43
Outro fato a ser considerado, é a presença de gradiente hidráulico elevado no pé da
barragem, que pode implicar em arraste de partículas, gerando erosão regressiva
tubular. Deste modo o tapete horizontal e o dreno de pé tem também a função de
redução destes valores de gradiente os conduzindo a valores aceitáveis. A
saturação no pé da barragem pode ser evitada por meio de drenagem tipo espinha
de peixe, ou intercepto através de trincheira drenante no pé do talude de jusante.
6.6.3 Perda excessiva de água
Como já mencionado anteriormente, a função de um barramento é represar água ou
rejeitos. Para que se tenha uma estrutura eficiente é importante que se tenha o
mínimo possível de perda d’água.
A perda d’água de forma excessiva é um problema que pode tomar grandes
proporções, principalmente quando o reservatório é alimentado por rios de pequena
vazão. Para que isso não ocorra devem-se adotar materiais na construção da
barragem que garanta o máximo de estanqueidade, a adoção destes materiais deve
ser feita de forma criteriosa.
44
7 BARRAGEM DE PARAIBUNA – UM ESTUDO DE CASO
A obra em estudo refere–se à barragem de Paraibuna que se localiza na Rodovia
dos Tamoios, km 38 - Bairro do Rio Claro, na cidade de Paraibuna, no estado de
São Paulo, e faz parte de um conjunto de obras do plano de regularização e
aproveitamento do alto Paraibuna. No anexo B é apresentado a localização da
usina.
A Barragem UHE Paraibuna está localizada no rio Paraibuna e foi construída tendo
como principal finalidade a regularização da vazão do Rio Paraíba do Sul,
responsável pelo fornecimento de água para várias cidades do Vale do Paraíba e do
Estado do Rio de Janeiro. Porém, aproveitou-se a sua construção também para a
geração de energia elétrica, por meio de duas unidades geradoras com potência
total instalada de 85 MW.
Segundo a Companhia Energética de São Paulo (CESP, 2005) a área total do
reservatório é de 224 km², composta pelo reservatório de Paraibuna com 177 km²,
interligado ao reservatório de Paraitinga, com 47 km². Esses reservatórios,
juntamente com o da Usina Hidrelétrica Jaguari, são os principais reguladores das
vazões do Rio Paraíba do Sul.
45
7.1 Características da barragem
As primeiras investigações realizadas pelo Departamento de Águas e Energia
Elétrica (DAEE), indicavam que o melhor local para a implantação da Barragem de
Paraibuna seria em Natividade da Serra, onde havia um estrangulamento notável do
vale, associado a outros fatores como condições geológicas e capacidade de
armazenamento (Hidroservice, 1971).
Investigações e estudos posteriores mostraram que havia uma região mais
interessante, situada a jusante do rio, apresentando características semelhantes ao
da opção de Natividade, porém com a possibilidade de um volume de
armazenamento consideravelmente maior. Esse local foi o escolhido para
implantação da barragem.
Ainda segundo a Hidroservice (1971), o sítio adotado para a construção do
barramento, a montante de uma área densamente povoada, exigiu estudos bastante
criteriosos: precauções especiais foram necessárias para garantir absoluta
segurança frente a severas condições hidrológicas.
O conjunto de obras da Barragem de Paraibuna é composto por: Barragem de terra
com altura máxima de 94,00m, tomada d’água, um dique principal na margem
esquerda, cinco diques auxiliares na margem direita, casa de força e subestação.
Um arranjo geral do empreendimento é apresentado na figura 7.1
46
Figura 7.1: Barragem de Paraibuna (CBDB, 2005)
47
A figura 7.2 mostra uma vista aérea da barragem.
Figura 7.2: Barragem de Paraibuna (CBDB, 2005)
7.2 Seção tipo
Como mencionado no capítulo 5.2, a caracterização e os volumes dos materiais
tecnologicamente adequados para as construções, existentes na região do
empreendimento, foi de muita importância. Por estes motivos, antes de se decidir
pela melhor alternativa para o aproveitamento, fez-se necessário o reconhecimento
da área de implantação da barragem e do dique da margem esquerda, onde foram
48
executadas 129 sondagens. Essas sondagens foram utilizadas na caracterização
dos tipos de materiais existentes na região.
Ainda para a caracterização dos materiais instalou-se inicialmente na cidade de
Paraibuna um laboratório de solos equipado com aparelhos adequados para a
execução de ensaios de caracterização e compactação, operados por profissionais
capacitados. Com o início das obras este laboratório foi transferido para o canteiro
de obras.
De acordo com a Hidroservice (1971), o local proposto para a implantação da
barragem e dos diques apresentou afloramento rochoso apenas ao longo de alguns
pontos no leito do rio e em vales profundos e secos. Nas ombreiras, detectou-se a
ocorrência de capeamento de solo residual e solo de alteração bastante espesso.
Essas condições geológicas foram determinantes na escolha do tipo de estrutura a
ser utilizada no barramento.
Como alternativa, foi analisada a hipótese de se executar as obras de barramento
em concreto gravidade. Esta solução foi descartada de imediato, visto que seria
necessário um grande volume de escavação em solo para se atingir a superfície da
rocha sã, particularmente nas ombreiras, condição esta exigível para a fundação de
estruturas deste tipo.
A opção pela construção de barragens de seção homogênea ou de enrocamento
tornou-se mais atrativa, uma vez que estas suportam maiores recalques que os que
seriam permitidos às estruturas de concreto, o que proporcionou considerável
49
diminuição nas escavações para a sua implantação, evitando assim a escavação até
a superfície da rocha sã.
Para a implantação da barragem e dos diques removeram-se as camadas de solo
superficial poroso e friável6, muito compressível e permeável, e de baixa capacidade
de carga, apoiando assim os maciços em solos de alteração de rocha menos
compressíveis.
Na região da calha do rio a barragem foi apoiada em rocha ligeiramente alterada ou
sã, após a remoção dos aluviões permeáveis ou de baixa capacidade de carga. Já
nas ombreiras, ao longo do eixo, foi realizada a escavação de uma trincheira de
interceptação, aprofundando-se nos solos de alteração de rocha. Os enrocamentos
estão apoiados em rocha de alteração ou sã e em solos duros de alteração de
rocha.
Outro fator relevante na escolha da seção da barragem foi a disponibilidade de
materiais. O material que foi empregado na construção dos maciços de terra
constitui-se por argilas siltosas de alta a média plasticidade, quando compactado
apresenta-se impermeável e coesivo com umidades ótimas de 25% e 35%. Esse
material foi encontrado em camadas que variavam de 2m a 4m de profundidade.
A camada de material que se encontrava logo abaixo desses solos argilosos tratavase de solos muitos siltosos que em relação à compactação também se
6
solo poroso e friável é um solo solto, de fácil desagregação
50
apresentavam impermeáveis, porém menos coesivos e com umidades ótimas entre
15% e 25%. Esse material também foi utilizado na construção dos maciços de terra.
Na região também se encontravam camadas de areias finas e médias, porém esses
solos não foram utilizados nos maciços de terra.
Baseados em estudos de algumas alternativas de implantação da barragem
adotando várias seções transversais chegou-se a uma seção de núcleo de terra
compactada com talude de montante de 1V:1H, e a montante zona de enrocamento
com talude externo de 1V:2H, já o talude de jusante com declividade de 1V:2H,
1V:2,5H e 1V:3H. (Hidroservice, 1971).
A geometria da seção da barragem é ilustrada na figura 7.3.
N.A. DO RESERVATÓRIO
2
2
2
1
3
3
E
4
Rocha sã
1
ENROCAMENTO DE GNAISSE
2
SOLO ARGILOSO
3
SOLO SILTOSO
4
SILTÃO
Figura 7.3: Barragem de Paraibuna (CBDB, 2005)
51
7.3 Drenagem interna
De acordo dom Hidroservice (1971), a solução executada para a drenagem interna
da barragem foi a seguinte:
O sistema de drenagem interna da barragem é composto pelo sistema clássico,
compreendendo filtro vertical situado logo a jusante do eixo (figura 7.4). A função do
filtro vertical é a de proteger o talude de jusante contra erosões que poderiam ser
provocadas pela percolação de água através de eventuais trincas transversais no
maciço.
Filtro vertical
Filtro horizontal
Figura 7.4: Barragem de Paraibuna – filtro vertical (CBDB, 2005)
52
A função dos tapetes de areia – filtro horizontal (figura 7.4), colocados em contato
com a fundação, é de drenar para jusante a água que percola pelos maciços e pelas
ombreiras.
Os coletores principais deste sistema de drenagem são ligados a poços de inspeção,
situado no pé do talude de jusante da barragem conforme ilustrado na figura 7.5.
Figura 7.5: Poço de inspeção
O tapete drenante da barragem foi dimensionado para que o escoamento das águas
de percolação se faça sem necessidade de tubos de concreto, havendo apenas uma
ligação do tapete ao poço de inspeção através de tubo fechado de concreto.
53
7.3.1 Vazão
Para quantificar o volume de água percolado, encontra-se instalados na barragem
de terra um medidor de vazão do tipo triangular (90°), denominado de MV-1. Este
medidor recebe as contribuições da drenagem interna do maciço. Nas ombreiras da
barragem localizam-se três medidores de vazão: MV-17, MV-39 e o MV-11.
Segundo Pínfari (2004), as vazões medidas no MV-01 (Drenagem interna),
mantiveram-se dentro do esperado, acompanhando a evolução do nível d’água de
montante. Não se verificou indício de colmatação dos filtros.
A figura 7.6 apresenta a evolução da vazão medida no MV-01 ao longo do tempo.
Figura 7.6: Gráfico do medidor de Vazão MV-01 (CESP, 2004)
54
Figura 7.7: Vista da chegada da água no medidor de Vazão MV-01
7.4 Diques – observações relevantes
De acordo com as informações prestadas por Araújo (2005), os problemas
enfrentados pelo departamento de segurança de barragens da CESP estiveram
relacionados aos diques. Os aspectos mais relevantes são mencionados nos tópicos
a seguir.
55
7.4.1 Dique 4
O dique 4, apresentado na figura 7.1, apresentou grande percolação de água pela
fundação.
Quando o fluxo foi percebido, logo se fez uma interceptação por tapetes drenantes,
e em seguida conduzindo até um medidor de vazão, onde é possível a obtenção de
dados para monitoração constante.
Na época da visita técnica observou-se que a saída da drenagem interna do dique
encontrava-se seca em função do nível d’água encontrar-se abaixo da cota de
captação dos filtros vertical e horizontal, o que comprova que o fluxo emergente a
jusante do dique é realmente proveniente de percolação pela fundação.
As figuras 7.8 e 7.9 apresentam a saída do fluxo e o medidor de vazão de águas
coletadas pelos tapetes drenantes.
56
Figura 7.8: Medidor triangular de vazão do fluxo pela fundação
Figura 7.9: Detalhe do medidor de vazão.
57
Ainda segundo Araújo (2005), essa drenagem não estava prevista pelo projeto e foi
necessário o acréscimo de instrumentação na região onde atualmente existe o filtro.
Essa instrumentação é composta por Piezômetros, medidores de nível d’água e um
medidor de vazão já ilustrados nas figuras 7.8 e 7.9.
7.4.2 Dique da Margem esquerda
Uma outra ocorrência foi o surgimento de água no talude de jusante do dique da
margem esquerda. Essa ocorrência acarretou grandes preocupações devido ao
aparecimento de material arenoso, que estava sendo carreado, pois não se sabia a
origem do material (imaginava-se que poderia ser da drenagem interna do dique).
Para se averiguar e avaliar a situação foram contratados profissionais específicos da
área de geotecnia.
Segundo Pires (2005), para verificar se o material era proveniente da drenagem
interna, foram feitas observações em campo, onde na saída dos drenos foram
colocados tecidos de algodão, não se verificando sinais de carreamento. A situação
com que se encontrava a caixa da saída da drenagem, com fissuras e presença de
raízes levava a crer que a areia depositada no fundo da referida caixa era
proveniente do terreno adjacente.
A argila que também era carreada, não se depositava no fundo da caixa devido a
turbulência, sendo transportada através dos drenos para fora. Na época que foi
58
percebido esta ocorrência solicitou-se o reparo da caixa bem como a observação e
medição do material que continuasse a ser carreado.
Conforme Pínfari (2004), esse fluxo de surgência é aferido por dois medidores de
vazão de nº MV-34, que se mostrou influenciado pelas precipitações pluviométricas
e apresentou valores da ordem de 2,0 a 8,0l/s na maior parte do período analisado,
conforme ilustrado na figura 7.10.
O MV-41 apresentou-se seco a maior parte do período em análise e também é
ilustrado na figura 7.12.
Figura 7.10: Gráfico do medidor de Vazão MV-34 (CESP, 2004)
59
A figura 7.11 mostra a caixa de inspeção onde se capta o material resultante do
carreamento pela água de surgência.
Figura 7.11: Material arenoso decorrente de carreamento por águas de surgência
Figura 7.12: Gráfico do medidor de Vazão MV-41 (CESP, 2004)
60
A vazão decorrente da drenagem interna do dique da margem esquerda é medida
por um outro medidor de vazão de n° 40. As vazões medidas mantiveram-se dentro
do esperado, sem índices de colmatação e acompanhando as variações de nível
d’água de montante. A figura 7.13 apresenta o medidor de vazão da drenagem
interna do dique.
Figura 7.13: Medidor de vazão da drenagem interna do dique
61
7.5 Instrumentação
Segundo Cruz (1996), os principais objetivos da instrumentação de barragens são:
verificar os critérios e parâmetros adotados em projeto, de modo a se aperfeiçoar a
própria obra ou projetos futuros; verificar a adequação dos métodos construtivos e
verificar as condições de segurança da obra, de modo se necessárias, tomar
providências corretivas em tempo hábil.
Ainda segundo Cruz (1996), a tabela 7.1 mostra a quantidade de instrumentos
instalados (I) e em funcionamento (F), bem como porcentagem de instrumentos
danificados (D) em diversas barragens brasileiras.
Tabela 7.1: instrumentos instalados, em funcionamento e danificados
TOTAL
Instrumento
I (unid)
F (unid)
D (%)
Medidor de nível d´água
150
146
3
piezômetro de tubo aberto
1024
979
4
Piezômetro hidráulico
88
82
7
Piezômetro elétrico
340
189
44
Piezômetro pneumático
212
110
48
Célula de tensão total
106
54
49
Medidor de recalques de tubos telescópicos
47
46
2
Medidor de recalques USBR
8
0
100
Medidor de recalques KM
36
34
6
Medidor de recalques cx. Sueca
7
5
29
Medidor de recalque magnético
4
4
0
Inclinômetro
33
30
9
Extensômetro de hastes
79
79
0
Medidor de vazão
59
52
12
Sismógrafo
6
5
17
Fonte: Cruz (1996).
62
Para se verificar o comportamento de barragens em relação à percolação, é utilizado
instrumentação adequada como piezômetros, medidores de nível d’água e
medidores de vazão nas regiões mais críticas. Com os resultados adquiridos a partir
destas instrumentações pode-se avaliar a segurança da obra nas suas fases de
funcionamento, tomar medidas oportunas de controle, além de se verificar as
hipóteses originais de projeto.
A obra em questão é dotada de vários dos instrumentos relacionados na tabela 7.1,
porém alguns dos instrumentos já perderam a sua função, como é o caso do
inclinômetro, que foi utilizado durante anos e que atualmente existe fisicamente na
obra, porém não é mais aferido. O instrumento denominado como inclinômetro
refere-se a um aparelho que é utilizado para medir a movimentação horizontal do
talude, para que se possa verificar se o mesmo encontra-se dentro dos parâmetros
de segurança. A sua desativação no caso de Paraibuna, segundo Araújo (2005),
deve-se ao fato da barragem ser antiga e do seu maciço já ter se estabilizado em
relação as inclinações do talude.
A figura 7.14 apresenta uma foto do instrumento em loco e a figura 7.15 apresenta o
aparelho que é utilizado para se fazer as medições.
63
Figura 7.14: Situação do inclinômetro
Figura 7.15: equipamento de leitura do inclinômetro
64
O restante dos instrumentos e que estão em funcionamento são apresentados na
tabela 7.2.
Tabela 7.2: instrumentos em funcionamento na UHE Paraibuna
Sigla
Instrumento
Localização
BT OD
MS
Marco superficial
41
MV
Medidor de vazão
2
NA
Medidor de nível d´
3
OE DQME DQ-1
DQ-2
41
2
4
1
1
DQ-4 DQ-5
TOTAL
3
3
88
13
3
26
21
3
27
5
52
139
água
PZ
Piezômetro de tubo
31
13
7
18
4
9
Fonte: Pínfare (2004).
Além dos instrumentos acima citados existe também instalado na região da
barragem
de Paraibuna, segundo PELOSO
(2005), um
sismógrafo.
Esta
instrumentação faz parte de um trabalho de monitoramento realizado pela
Universidade de São Paulo - USP.
Na ocasião da visita a obra pode-se ter a oportunidade de encontrar um funcionário
realizando leituras em piezômetros e medidores de nível d’água, conforme mostrado
na figura 7.16.
65
Figura 7.16: leitura de piezômetro de tubo
66
Logo após as leituras das instrumentações as informações são encaminhadas à Ilha
Solteira para o Departamento de Engenharia da Manutenção Civil e segurança de
Barragens da CESP onde são feitas as avaliações, relatórios e tomadas as
eventuais providências.
67
8 ANÁLISE CRÍTICA
A construção das barragens de Paraibuna e Paraitinga foi responsável por grandes
modificações em toda a região, exigindo a relocação da cidade de Natividade da
Serra e seus 10 mil habitantes. Com o desenvolvimento das obras, foi necessário
promover à construção de cinco pontes e cerca de 400 km de estradas municipais e
secundárias, hoje importantes para a economia e o turismo da região.
As obras de Paraibuna foram iniciadas em 1972 com inauguração em 1978. Naquela
época questões relacionadas ao meio ambiente não eram bem definidas nem
Normalizadas. Apenas em 23 de janeiro de 1986, através da Resolução CONAMA
01/86, que a situação foi regulamentada e passou a ser obrigatória a elaboração de
relatórios de impacto ambiental. Mesmo assim a CESP teve consciência da
magnitude dos impactos ambientais causados pela obra e, como medida mitigadora,
foi executado pela empresa um sistema de piscicultura para repovoar o reservatório,
tendo-se o respeito de colocar no meio as espécies nativas da região. Na figura 8.1
pode-se observar os tanques onde é feito o manejo das espécies de peixes.
Na usina encontra-se um projeto dedicado à reprodução de aves que estão entrando
em extinção e encontra-se também uma região destinada ao cultivo de árvores
nativas para o reflorestamento das ilhas do reservatório e das regiões afetadas pela
construção da barragem conforme ilustrado na figura 8.2.
68
Figura 8.1: Vista dos tanques de piscicultura
Figura 8.2: Viveiro de mudas
69
A barragem de Paraibuna foi uma das primeiras barragens a empregar na
composição de sua seção o chamado “siltão” que é um solo siltoso muito micáceo;
esse material não era tido como aceitável na construção de barragens de terra, onde
até então usavam-se sempre argilas. A utilização deste material se fez necessário
devido a indisponibilidade de materiais argilosos suficientes na região; contudo, para
que o uso do siltão fosse viabilizado efetuaram-se vários ensaios de caracterização
de solo, até que se concluiu que o material apresentava características tecnológicas
satisfatórias. Após o êxito da construção, outras barragens foram construídas com a
utilização deste material, o que significou grande avanço, pois se pôde assim melhor
aproveitar os materiais disponíveis no entorno das obras.
Com o enchimento do reservatório perdeu-se a ligação de muitos acessos
importantes para a região. Como alternativa, a CESP implantou um sistema de
transporte através de balsas, sistema este que está em funcionamento até os dias
de hoje, e que acarreta para a empresa constantes gastos com o transporte e sua
manutenção.
70
9 CONCLUSÕES
As barragens podem ser construídas com diversos materiais e de diversas formas. A
escolha do tipo de seção a ser utilizada é influenciada por diversos fatores, tais
como: disponibilidade de materiais, clima da região e fatores geológico-geotécnicos
do vale onde será implantada.
As obras de barramento em estruturas homogêneas (terra), com filtro horizontal e
tapete drenante, são amplamente utilizadas no Brasil e no mundo, o que garante
larga experiência na construção destes sistemas. Há relatos de inúmeros acidentes
ocorridos com estas obras por falta de sistema de drenagem interna adequado, que
serviram para ampliar os aprendizados, a fim de se evitar que tais fatos voltem a
ocorrer.
Pode-se concluir que o sistema de drenagem interna é essencial para a segurança e
estabilidade destas barragens, pois a maioria dos rompimentos destas estruturas
deu-se devido a sua ineficiência ou má execução.
Observa-se que não houve, ao longo do tempo, muitas variações nas características
de implantação, nem tampouco muitos avanços tecnológicos no emprego da
drenagem interna de barragens. O que na realidade ocorreu foram avanços no que
diz respeito ao seu dimensionamento, pois atualmente os estudos, caracterização e
dimensionamento dos filtros, são feitos através de softwares específicos, que
71
permitem a realização de simulações do comportamento durante as diversas etapas
da vida de uma barragem (enchimento e esvaziamento do lago, por exemplo)..
A barragem de Paraibuna, foco do estudo de caso, possui como drenagem interna
um sistema tradicional composto por filtro vertical de areia e tapete drenante;
decorridos quase 30 anos de sua execução, o seu sistema funciona dentro das
condições esperadas, sem apresentar indícios de colmatação ou carreamento de
materiais.
O monitoramento da drenagem interna é feito através de instrumentação, localizada
em pontos estratégicos do maciço. Esse controle é fundamental e seu investimento
é desprezível em face dos problemas e custos que podem ser acarretados caso haja
ruptura da estrutura. A instrumentação instalada na barragem de Paraibuna não
acusa quaisquer anormalidades que possam colocar em dúvida o funcionamento do
seu sistema de drenagem.
Nos dias de hoje são exigidos estudos de impactos ambientais para a autorização
da construção de novas barragens; depois da obra executada ainda se faz
necessário uma licença de funcionamento. Ressalta-se que, na época em que a
barragem de Paraibuna foi executada, não se tinha a mesma preocupação
ambiental que se tem hoje, mas mesmo assim, a CESP adotou medidas
mitigadoras, através da construção de viveiro de reprodução de pássaros em
extinção, tanques de piscicultura para repovoamento do reservatório e viveiro de
árvores nativas da região para reflorestamento das áreas afetadas pela construção
da obra. Isso mostra que a engenharia é capaz de colaborar com o progresso
72
nacional e, simultaneamente, prover condições mínimas para minimizar os impactos
sobre os recursos naturais do local de implantação de uma barragem.
73
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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com rolo – CCR, na construção de barragens. 2002, 77p.
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CAPUTO, H. P. Mecânica dos solos e suas aplicações: Mecânica das Rochas –
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em: <www.cbdb.org.br>. Acesso em 26 de abril de 2005 as 15 horas.
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74
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2000, 247p.
SÁ, M.B.L.; Fatores Análise e controle de percolação. In: ABMS, Barragem de
Terra e Enrocamento - Curso de Extensão Universitária. Núcleo Regional de
Brasília, 1981, cap. IX.
i
ANEXOS
ii
Anexo A – Ensaio de Proctor Normal
Cópia de: PINTO, C. S. Curso básico de mecânica dos solos. São Paulo: Oficina
de textos, 2000, 247p. página de 66 a 69.
iii
Anexo B – Mapa com a localização da usina de Paraibuna
112
Saneamento básico segundo bacia hidrográfica
IBGE
Atlas de saneamento
Uso múltiplo da água - Paraíba do Sul - 2000
400.000
600.000
500.000
700.000
900.000
800.000
Bacia do Paraíba do Sul - 2002
Localização da Bacia do Paraíba do Sul
Vazão do Rio Paraíba do Sul, com permanência de 95% - (Q95)
s
Volume (m³/s)
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7.400.000
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Transposição para
Sistema Light/Guandu
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Maiores usinas hidrelétricas
Brasil - 2000
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Municípios mais populosos - 2000
Municípios
Paraibuna
População
São José dos Campos
Juiz de Fora
Campos dos Goytacazes
Petrópolis
Taubaté
Volta Redonda
Jacareí
Nova Friburgo
Barra Mansa
Teresópolis
Pindamonhangaba
Resende
Guaratinguetá
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538 909
456 432
406 511
286 348
244 107
242 046
191 358
173 321
170 593
138 019
125 722
104 482
104 022
Fonte: IBGE, Censo Demográfico 2000.
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Nota: As letras em verde indicam a posição dos pontos de medição no mapa.
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Fontes: Universidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto Alberto Luiz Coimbra de PósGraduação e Pesquisa de Engenharia - COPPE, Laboratório de Hidrologia e Estudos do
Meio Ambiente; Capacidade de geração do Brasil. In: Agência Nacional de Energia
Elétrica. Banco de Informações de Geração.
7.500.000
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Juiz de Fora
(Localização dos pontos de medição)
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Transposição de águas
para o sistema
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57,2
55,0
32,0
27,6
18,0
18,0
Fonte: Capacidade de geração do Brasil. In:
Agência Nacional de Energia Elétrica.
Banco de Informações de Geração. 2002.
Disponível em: <http://www.aneel.gov.br>.
Acesso em: 23 mar. 2003.
700.000
#
Sobragi
#
Rios principais
Limite da bacia do
Paraíba do Sul
Pontos de medição de
vazão do rio Paraíba do Sul
Usinas Hidrelétricas
Captação de Água para
Potência Instalada (Mw)
Consumo Humano (m3/s)
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Nome de Usina Hidrelétrica
Cidades principais
Limite estadual
Principais concentracões
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50 a 119,9
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250 a 479,99
480 a 1650
900.000 m. E
Fontes: Universidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia - COPPE, Laboratório de Hidrologia e Estudos do Meio Ambiente; Capacidade de geração do Brasil. In: Agência Nacional de Energia Elétrica. Banco de Informações de Geração. 2002. Disponível em: <http://www.aneel.gov.br>.
Acesso em: 23 mar. 2003.