DIMENSIONAMENTO

DE FILTROS

At o meio da barragem fao tudo para a gua no chegar. A partir da fao tudo para a gua sair da

maneira que quero Arthur Casagrande

IV .8- DIMENSIONAMENTO DE FILTROS

IV.8.1- FILTROS EM GERAL

O projeto de um filtro deve ter como base fundamental a granulometria do material a ser empregado. Esta granulometria deve ser tal que: a) As partculas menores se acomodem nos vazios entre as partculas maiores, de modo que o conjunto atue sempre como camada filtrante, ou seja, o material slido deve ser retido e a gua consiga percolar com facilidade. Quando tal ocorre, a gua que surge a jusante do filtro se apresenta lmpida e isenta de material slido; b) O material mais fino seja retido pelo filtro, evitando o carreamento de partculas slidas e, conseqentemente, a formao de eroso regresssiva (piping); c) Os vazios do material do filtro devem ser suficientemente pequenos, de forma que impeam a passagem das partculas do solo a ser protegido; d) os vazios do filtro devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre drenagem das guas e o controle de foras de percolao, impedindo o desenvolvimento de altas presses hidrostticas, isto , a carga dissipada no filtro.

IV.8.2- CRITRIOS PARA O DIMENSIONAMENTO DE FILTROS Com o objetivo de atender aos requisitos citados em IV.8.1, com base na sua experincia profissional, TerzaghiTerzaghiTerzaghiTerzaghi props, em 1922, relaes entre os dimetros dddd15151515 e e e e dddd85 85 85 85 do material de base, com o dimetro DDDD15151515, do material de filtro, expressas pelas duas inequaes:

DDDD15151515 / d/ d/ d/ d15 15 15 15 >>>> 4 a 5 4 a 5 4 a 5 4 a 5 e DDDD15151515 / d/ d/ d/ d85 85 85 85

a) D(15) do filtro / D(15) da base maior ou igual a 5. ( O filtro no deve ter mais de 5% de gros passando na peneira No 200 dimetro igual a 0,075 mm.); b) D(15) do filtro / D(85) da base menor ou igual a 5; c) D(85) do filtro / dimetro dos furos no tubo de drenagem ( ou da malha do poo de alvio) maior ou igual a 2; No anterior, D(ij) corresponde ordenada ij% do material que passa nas peneiras. Isso significa que o material possui ij% dos gros mais finos. Apresenta-se na Figura IV.8.1 e Figura IV.8.2, detalhes de filtros de proteo contra piping.

Figura IV.8.1- Detalhes de filtros de proteo contra piping (in Bordeaux, 1980).

Figura IV.8.2- Detalhes de filtros de proteo contra piping (in Vargas, 1977). Detalhes sobre a curva granulomtrica de um solo so apresentados no Captulo XX. Na Figura IV.8.3 apresenta-se um detalhe da faixa de variao granulomtrica de um filtro, adotando-se:

- D15-Filtro < 4 a 5 D85-Solo e -

D15-Filtro > 4 a 5 D15-Solo

Figura IV.8.3- Escolha da faixa de variao granulomtrica do filtro (a partir

dos pontos A e B determinados, so traadas curvas paralelas curva granulomtrica do solo)

PintoPintoPintoPinto (2000), utilizando: - D15-Filtro > 5 D15-Solo e, - D15-Filtro < D85-Solo,

apresenta a Figura IV.8.4 e faz as seguintes consideraes: No exemplo indicado na Figura, o material P no um bom filtro para o solo S, porque no muito mais permevel do que ele, enquanto que o material R no adequado por ser muito mais grosso e, eventualmente, permitir a passagem de finos do solo S pelos seus vazios. O material Q o que satisfaz as duas condies.

Figura IV.8.4- Materiais para filtros de proteo (in Pinto, 2000).

FILTRO VERTICAL

Karl Terzaghi na obra da Barragem de Vigrio, em Pira-RJ, no incio da dcada de 1950, por conta das peculiaridades regionais do solo, idealizou o dreno vertical, ou filtro chamin, como elemento de drenagem interna de barragens de terra homogneas. (....) Desde ento, sua soluo pioneira tem sido bastante difundida e muitas barragens foram construdas com o dreno chamin, tanto no Brasil como no exterior.

Historia da Engenharia Geotcnica no Brasil, ABMS, 2010

IV.9- FILTRO VERTICAL

Os filtros em chamin podem ser verticais ou inclinados, Figura IV.9.1, devendo a escolha por um desses tipos ser feita criteriosamente no desenvolvimento do projeto da barragem. O filtro vertical foi utilizado pela primeira vez no Brasil na barragem do Vigrio em 1948 (Figura IV.9.2), tendo sido projetado por K. Terzaghi.

O filtro vertical representou no Brasil uma evoluo no conceito de drenagem, e a barragem de seo homognea com dreno vertical e horizontal constitui um modelo de Barragem Brasileira seguido por um grande nmero de projetos de barragens em outros paises. S mais recentemente que os drenos inclinados (Figura IV.9.1) vem sendo introduzidos em barragens de maior altura (Cruz, 1995).

Drenos verticais do tipo chamin somente so recomendados para

barragens at 25 a 30m de altura. Para maiores alturas, o dreno inclinado propicia uma melhor distribuio de tenses no macio, evitando a incluso de uma parede vertical de areia, de rigidez sempre muito superior a do macio adjacente, mesmo em se tratando de enrocamentos (Cruz, 1995).

Figura IV.9.1 Exemplo de filtro vertical e filtros inclinados.

Os filtros verticais geralmente so projetados em uma espessura

variando de 0,9 a 2,0m, sendo que na maioria dos casos, essas espessuras so fixadas por motivos de ordem construtiva, ou seja, de acordo com as dimenses mnimas dos equipamentos de construo. A altura dos filtros verticais geralmente a altura do nvel dgua no reservatrio, podendo ser construdos com alturas menores, isto dependendo das especificaes do projeto, aps criteriosa anlise das linhas de percolao no macio e de sua estabilidade.

Figura IV.9.2- Barragem do Vigrio (Sherard et al.,1963) (in Cruz, 1996).

Os filtros devem ser construdos com areia de granulometria previamente estabelecida, a qual deve ser devidamente compactada durante a execuo. Apresenta-se na Figura IV.9.3 o contato entre o solo de um aterro compactado e a areia do filtro. Na Figura IV.9.4 apresenta-se um aterro e filtro vertical em construo.

Figura IV.9.3- Contato entre o solo do aterro e o filtro de areia.

Figura IV.9.4- Aterro e filtro vertical em construo O filtro em chamin geralmente construdo com areia grossa, aluvionar, isenta de finos. Especifica-se uma porcentagem mxima de 5%, em peso, passando na peneira #200, para que o material no apresente coeso, evitando-se assim a propagao de trincas de trao dentro do filtro, eventualmente desenvolvidas no interior do aterro. Este material deve satisfazer, simultaneamente, aos dois requisitos de filtragem e drenagem da gua percolada atravs da barragem, ou seja, os seus vazios devem ser suficientemente pequenos, para evitar que as partculas do aterro sejam carreadas atravs deles e suficientemente grandes, para proporcionar permeabilidade adequada para o escoamento da gua, evitando o desenvolvimento de elevadas foras de percolao e de presses hidrostticas (Gaioto, 2003).

Os mtodos executivos dos drenos verticais podem ser de duas maneiras:

1- Lanamento e compactao de areia acompanhando o avano da barragem de terra. Partindo-se da base, sobre o filtro horizontal j construdo, executa-se o filtro vertical com areia at certa altura, na largura

especificada pelo projeto, e aps constri-se o aterro lateralmente, at a altura do filtro. Repete-se o processo at atingir-se a altura final do filtro, especificada pelo projeto. Apresenta-se na Figura IV.9.5 (1) e Figuras IV.9.6 a IV.9., detalhes da construo deste filtro.

2- Partindo-se da base, sobre o filtro horizontal j construdo, constri-se algumas camadas de aterro, e depois, no local do filtro, procede-se retroescavao de uma vala no aterro, com a largura especificada para o filtro, at encontrar-se a camada de areia do dreno horizontal. Dentro da vala, procede-se a limpeza da areia contaminada com solo no dreno horizontal e, aps isto, procede-se o enchimento da vala com a areia do filtro e executa-se sua compactao. Repete-se o processo at atingir-se a altura de filtro, especificada no projeto. Na Figura IV.9.5 (2), Figura IV.9.6 e Figuras IV.9.10 a IV.9.18, so apresentados detalhes da construo do filtro vertical de uma barragem, atravs deste procedimento. Na Figura IV.9.19 apresenta-se um filtro vertical construdo junto ao ncleo impermevel. Rosa, 1983, apresenta a seguinte seqncia para construo do filtro vertical: a) lanamento da ltima camada de areia sem compactao; b) cobertura da areia com material terroso e compactao das duas primeiras camadas com rolo liso; c) avano normal do aterro at a altura pr-determinada (H), com acompanhamento topogrfico deste limite; d) escavao do aterro com retroescavadeira at chegar no material arenoso. Normalmente perde-se 20 cm de areia devido a mistura com terra, que provocada pelos dentes da caamba da retro, durante a escavao; e) e finalmente, o preenchimento do dreno vertical em camadas pr-estabelecidas, espalhadas manualmente ou mecanicamente, compactadas com vibradores e jatos dgua.

Quando so necessrios grandes volumes de produo diria, o mtodo da retroescavao do aterro mais vantajoso, pela sua alta produtividade e maior eficincia no controle de trfego dentro da barragem.

Em cada corte do aterro para construo do filtro, obrigatoriamente, uma camada de areia ( 20 cm) perdida devido ao revolvimento e mistura do material. Quanto maior o nmero de cortes, tanto maior sero as perdas em volume de material. Por exemplo, para cada 100m de comprimento de barragem, para filtro de 1m de largura, 20m3 de areia sero perdidos por corte.

Em termos de quantas camadas se compactar antes de proceder a retroescavao para construo do filtro vertical, o que se sugere nestes casos especficos (Rosa, 1983) so testes, efetuados durante o incio da obra, a fim de determinar a altura de corte em funo de: tipo de material terroso, umidade tima deste material e tipo de equipamento disponvel ou a ser adquirido pelo empreiteiro, para efetuar a retroescavao. Por exemplo, durante a execuo da barragem de terra da usina hidroeltrica de Itumbiara, chegou-se concluso que a altura ideal de corte para o filtro vertical era em torno de 4,00m. Nesta barragem a largura do filtro vertical foi de 1,50m.

Quanto compactao das camadas de areia (Rosa, 1983), a experincia mostra que, o grau de compactao requerido alcanado mais depressa, com um nmero menor de passadas do compactador, por causa do confinamento a que o material (areia) esta submetido. Dessa maneira, testes para determinao da altura das camadas e do nmero de passadas dos compactadores (e seus tipos disponveis pelo empreiteiro) devem ser feitos. No prprio aterro experimental, normalmente executado para determinar os equipamentos e grau de compactao das argilas e siltes, poderia ser feito o mesmo para as areias, nas valas.

Figura IV.9.5- Detalhes da construo de filtros verticais (Rosa, 1983)

Figura IV.9.6 Detalhes da construo de filtro vertical (Rosa, 1983)

Figura IV.9.6- Filtro vertical em construo. Lanamento de areira (k 1 x 10-2)

Figura IV.9.7- Filtro vertical em construo. Lanamento de areira (k 1 x 10-2)

Figura IV.9.8- Execuo de filtro inclinado entre o ncleo impermevel e o espaldar de jusante (k 1 x 10-2).

Figura IV.9.9- Filtro vertical em construo. Lanamento de areia (k 1 x 10-2).

Figura IV.9.10- Escavao do aterro para a construo do filtro.

Figura IV.9.11- Colocao de areia na vala escavada no aterro.

Figura IV.9.12- Colocao de areia na vala escavada no aterro.

Figura IV.9.13- Areia colocada na vala escavada no aterro.

Figura IV.9.14- Preparao da areia para compactao.

Figura IV.9.15- Compactao da areia.

Figura IV.9.16- Areia compactada.

Figura IV.9.17- Areia Compactada.

Figura IV.9.18- Lanamento de gua.

Figura IV.9.19- Filtro vertical de areia construdo junto a um ncleo impermevel.

FILTRO HORIZONTAL

In soil mechanics, no evidence can be considered reasonably adequate until there is sufficient field experience to determine whether the phenomena observed in the laboratory are indeed the same as those that operate in the field

Ralph Peck

IV .10- FILTRO HORIZONTAL OU TAPETE DRENANTE

Toda gua coletada pelo filtro chamin e tambm toda gua que

percola atravs da fundao, deve ser conduzida para o p de jusante da barragem atravs do filtro horizontal, que tem como finalidade transportar gua atravs da barragem e servir de transio para os materiais mais finos. As vazes que percolam atravs das fundaes geralmente so bem maiores que as que percolam atravs do aterro, devido ao aterro ser construdo com material compactado e a fundao se encontrar em seu estado natural. necessrio que, no dimensionamento dos tapetes drenantes, se trabalhe com coeficientes de segurana ainda maiores que os adotados no projeto dos filtros em chamin, principalmente levando-se em conta que, no caso de um funcionamento deficiente do filtro em chamin, o tapete drenante funciona como defesa adicional; por outro lado, no caso de um mal funcionamento do tapete drenante, o filtro chamin resultar inoperante. Para evitar subpresses elevadas na barragem e manter no saturada a zona de jusante, os tapetes drenantes devem trabalhar com a menor carga hidrulica possvel, ou seja, com gradiente hidrulico muito baixo. Por este motivo, se ele for construdo com o mesmo material do filtro em chamin, dever apresentar uma espessura excessivamente grande. Para diminuir esta espessura, utiliza-se o chamado filtro sanduche, com a introduo de uma ou mais camadas internas de materiais drenantes, de maior permeabilidade (Gaioto, 2003). O dreno horizontal deve atender trs condies (Rosa, 1983):

1- graduao de materiais, tal que impea os mais finos, do macio de jusante (acima dele) e da fundao (caso dela ser em solo), de serem carreados provocando a eroso interna (pipping); 2- capacidade suficiente para absorver e transportar todas as guas provenientes do dreno vertical e fundao; 3- permeabilidade suficiente, para que as guas da fundao percolem livremente, sem provocar altas presses de baixo para cima no aterro de jusante. Apresenta-se na Figura IV.10.1, exemplos de tapete drenante. Apresenta-se na Figura IV.10.2 exemplo do tapete drenante tipo sanduche de uma barragem. Apresenta-se na Figura IV.10. 3 detalhes dos tipos de tapete drenante utilizados na barragem de Itumbiara. Apresenta-se nas Figuras IV.10.4 a Figura IV.10.24, fotos da construo de tapetes drenantes de barragens.

Figura IV.10.1- Exemplos de Tapete Drenante.

Figura IV.10.2 - Tapete drenante tipo sanduche (Rosa, 1983).

Figura IV.10.3- Tapetes drenantes da barragem de Itumbiara (Rosa, 1983).

Figura IV.10.4 Lanamento de areia para construo do tapete drenante.

Figura IV.10.5 Lanamento de areia para construo do tapete.

Figura IV.10.6 Lanamento de areia para construo do tapete.

Figura IV.10.7 Lanamento de areia para construo do tapete.

Figura IV.10.8 Umedecimento da areia do tapete drenante.

Figura IV.10.9- Vista area de um tapete drenante tipo Francs.

Figura IV.10.10- Vista area de um tapete drenante tipo Francs

Figura IV.10.11- Tapete drenate tipo Francs.

Figura IV.10.12- Detalhe do dreno para retirada de gua captada pela camada de areia.

Figura IV.10.13- Detalhe do dreno para retirada de gua captada pela camada de areia.

Figura IV.10.14 Tapete drenante tipo sanduche. Camada de brita sendo lanada sobre camada de areia.

Figura IV.10.15- Barragem de terra Margem direita Filtro horizontal.

Figura IV.10.16- Filtro horizontal a jusante do eixo Ao fundo, incio do lanamento de Saprolito (micaxisto alterado) camada solta de 25cm.

Figura IV.10.17- Filtro horizontal tipo sanduche Lanamento da primeira camada (k 1 x 10-2 cm/seg).

Figura IV.10.18- Filtro horizontal tipo sanduche Lanamento da primeira camada sobre a fundao Areia (k 1 x 10-2 cm/seg).

Figura IV.10.19- Filtro horizontal tipo sanduche Lanamento da camada de camada de cascalho lavado (k > 0,50cm/s) sobre a camada de areia Espessura de 0,60 metros.

Figura IV-9-20- Filtro horizontal tipo sanduche Lanamento da camada superior de areia (k 1 x 10-2 cm/seg).

Figura IV-9-21- Incio do lanamento do solo de aterro a ser compactado sobre o filtro horizontal tipo sanduche j executado.

Figura IV-9-22- Execuo de filtro horizontal Areia com k 1 x 10-2 cm/seg Espessura acabada de 1,00 metro.

Figura IV-9-23- Execuo de filtro horizontal Areia com k 1 x 10-2 cm/seg.

Figura IV-9-24- Lanamento de solo do aterro a ser compactado, sobre o filtro horizontal j executado.

IV.8- DIMENSIONAMENTO DE FILTROSIV.9- FILTRO VERTICALIV.10- FILTRO HORIZONTAL