CapituloBarragens_FaiçalMassad

7/21/2019 CapituloBarragens_FaiçalMassad

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BARRAGENS DE TERRA E

ENROCAMENTO

7 1

Introdufao

volufao

Historica

As barragens de terra sao constru<;oes de longa data. Um dos registros

mais antigos

eo

de uma barragem de 12 m de altura, construida no Egito, hi

aproximadamente 6.800 anos, e que rompeu por transbordamento.

Esta

e

outras informa<;:oes, contidas

na

Tabela 7.1, encontram-se no livro de

Thomas

(1976).

As barragens de terra eram homogeneas , com material transportado

manualme.nte. e c.ompac.t2.c1o

por

pisoteamento,

por

animais

ou

homens. A

barragem do Guarapiranga foi construida pelos ingleses, no inicio do seculo

XX, proximo

a

cidade de Sao Paulo, usando a tecnica de aterro

hiddulico

a

uma certa cota, complementada ate a crista com solo compactado por

carneiros; existe

um documento

que cita, literalmente, a contrata<;:ao da

carneirada . Em 1820 consta que Telford introduziu usa de nucleos de

argila para garantir a estanqueidade das barragens. 0

usa

de enrocamento na

constru<;:ao de barragens iniciou-se, provavelmente,

com

os mineiros da

California, na decada de 1850, pois havia carencia de material terroso.

Os

blocos de rocha eram simplesmente empilhados, sem nenhuma compacta<;:ao.

Em

consequencia, muitas barragens sofreram recalques bruscos quando

do

primeiro enchimento, pois, diante da satura<;:ao, ocorria

um

amolecimento

da rocha nos pontos de contato entre pedras, donde a quebra das pontas e

os recalques. Hoje, os aterros de enrocamento sao construidos

com

rolos

compactadores vibratorios, obtendo-se um entrosamento maior entre pedras.

A compacta<;:ao mecanica so foi introduzida de meados do seculo XIX

para inicio do seculo XX, portanto, muito antes da Mecanica dos Solos se

estabelecer

em

bases cientificas.

Modernamente, constroem-se barragens de terra e terra-enrocamento

dos mais diversos

tipos,

incluindo-se,

entre

elas: a as Barragens com

Membranas, que sao colocadas na face de montante de enrocamentos,



Obras de Terra

funcionando como septos impermeaveis, e

podem

ser de madeira, de a<;o, de

material betuminoso

ou

simplesmente de concreto; e

b) as

Barragens

em

Terra Armada, como a de Vallon des Bimes, na

Fran<;a.

36

Tabela 7.1 - Alguns dados hist6ricos

no

Registro

u

Ocorrencia

Local

Barragem de Sadd-EI-Katara

Altura: 12 m

4800 a.C. Egito

Destrufda por transbordamento

Barragem de terra no Ceilao

Altura: 12 a 27m

500 a.C. Ceilao

13.000.000 m

3

de material

Norte da Italia

100 a.C. Barragens romanas em arcos

Sui da Franga

Barragem Madduk-Masur

1200 d.C.

Altura: 90 m

india

Destruida por transbordamento

Barragem de Estrecho de Rientes

Altura: 46 m

1789

Espanha

Destruida logo apes 0 primeiro enchimento

Telford introduz 0 usa de nucleos argilosos

1820 Inglaterra

em barragens de terra e enrocamento

Barragem de Fort Peck

Fim do

Altura: 76 m

Seculo XIX

EUA

Volume de material: 100.000.000 m

3

ExperiEmcias de Darcy

1856 Franga

Velocidade de percolagao da agua

Patente do primeiro rolo

1859

Inglaterra

compactador a vapor

Surge

0

primeiro rolo compactador

1904

EUA

tipo pe-de-carneiro

A Mecanica dos Solos consolida-se

1930-40

EUA

como

ci mcia

aplicada

Rolos compactadores vibraterios

EUA

Barragem de Nurek (URSS): 312 m

URSS

Hoje

Barragens com membranas

Brasil

Barragens em terra armada

e outros

Segundo Vargas (1977),

as

primeiras barragens de terra brasileiras

foram construidas no Nordeste, no inicio

do

seculo XX, dehtro

do

plano de

obras de combate

a

seca, e foram projetadas em bases empiricas. A barragem

de Curema, erguida na Paraiba em 1938, contava com os novos conhecimentos

da Mecanica dos Solos. Somente em 1947, com a barragem do Vigario, atual

barragem Terzaghi, localizada no

Estado

do Rio de Janeiro, e que se inaugurc_

o usa da

moderna

tecnica de projeto e constru<;ao de barragens de terra no

]jtas·ll. 1 0·1 tam'bem um marco,

em outro

sentlao, po lS, pela pilme·lra

Terzaghi empregou 0 flltro vertical ou chamine como elemento de drenagem

interna de barragens de terra. Hoje, existem centenas de barragens de terra e



terra-enrocamento

em

opera<;ao no Pais, inclusive de enrocamento com face

de concreto,

como

a barragem de Foz do Areia (PR),

com

156 m de altura, a

maioria de1as projetada e construida por brasileiros.

De acordo

com

Mello (1975), uma barragem deve ser vista

como

uma

unidade

ou urn todo organico

no

e s p a ~ o

compreendendo:

a

a bacia da

represa; b os terrenos de funda<;ao, que sao como um prolongamento da

barragem

em

subsuperficie;

c

as estruturas anexas

ou

auxiliares (vertedouros,

descarregadores de fundo, tomadas d agua, galerias, tuneis, casas de for<;a,

etc.); d os instrumentos de ausculta<;ao (piez6metros, medidores de recalques,

etc.), importantes para a observa<;ao do comportamento da obra, e

e

as

instala<;oes de comunica<;ao e manuten<;ao. Existe tambem um outro to do

no tempo

ou

nas atividades que, apesar de subsequentes

no

tempo, devem

ser encaradas

como

inseparaveis ou,

no

minimo, interdependentes: projeto;

a constru<;ao; primeiro enchimento, que e primeiro teste severo a que se

submete uma barragem; e as vistorias peri6dicas da barragem

em

opera<;ao,

para garantir a sua seguran<;a

em

longo prazo.

7 2

Tipos dsicos de arragens

Entende-se por barragem de grande porte qualquer barragem

com

altura

superior a 15 m,

ou com

alturas entre 10 e 15 m e que satisfa<;a uma das

seguintes condi<;oes:

a

comprimento de crista igual ou superior a 500 m;

b reservat6rio

com

volume total superior a 1.000.000 m

3

;

c

vertedouro

com

capacidade superior a 2.000 m

3

/

s;

d barragem

com

condi<;oes dificeis de funda<;oes;

ou

e barragem

com

projeto nao convencional.

A

~ g u Y t

serIlO

escrltos

os varios tipos de barragens

em

usa,

com

a

inclusao das barragens de concreto, cujo interesse,

em

nosso curso, reside

nas suas funda<;oes, problema eminentemente geotecnico.

7.2.1 Barragem de concreto gravidade (concreto

massa

Como

0 pr6prio

nome

sugere, este tipo de barragem funciona

em

fun<;ao

do

seu peso. Em geral,

requer

f u n d a ~ e s em

rocha,

por questoes de

capacidade de suporte

do

terreno. A Figura 7.1a da uma ideia das dimensoes

da base. Alem

do

empuxo

hidrosdtico

da agua

H

,

intervem a resultante

das subpressoes U), que atua na base da barragem, tendendo a instabiliza

la, pois reduz efeito

do

peso pr6prio P), que e, em ultima insdncia, a for<;a

estabilizadora (ver Figura 7.1b).

Capitulo 7

arragens de Terra

e

nrocamento

37



NA

Obras de Terra

A

v e r i f i ~ o

da

estabilidade e feita com a

a)

aplica<;ao dos principios da

estatica,

sob

dois aspectos:

estabilidade quanto

ao

38

p

H

deslizamento, em que se

compara

a for<;a

H

com

a

for<;a de cisalhamento T e a

estabilidade quanto ao

tombamento. Outra exigencia

T

-. '-.// que se costuma fazer e que a

resultante das for<;as atuantes

1

caia

no

ter<;o medio da base,

_ _ 1

0 7

a

0 8 H

visto

no

Capitulo 4. Para propiciar economia de concreto, procura-se

minimizar ao maximo essas subpressoes,

com

tecnicas que serio abordadas

no

Capitulo 8

7.2.2 Barragem de concreto estrutural com

contrafortes

Essas barragens de

concreto

estrutural sao constituidas de lajes ou

ab6badas multiplas Figura 7.2) inclinadas, apoiadas em contrafortes. Em

compara<;ao com

0

tipo anterior, requerem menor volume de concreto mas,

em compensa<;ao, exigem mais forma e arma<;ao

FiGUR

7 2

arragem e

concreto estrutural

com contrafortes

b)

FiGUR

7.1

Barragem de

concreto gravidade

u

para

evitar

tra<;ao no pe

de

mont

ante da barragem.

As subpressoes na base

ocorrem em consequencia da

percola<;ao de agua pelo maci<;o

rochoso de funda<;ao que, via

de regra, apresenta-se fraturado

ou fissurado, co n

forme

foi



A estabilidade quanto ao deslizamento e favorecida pela

inclina<;:ao

da

resultante do empuxo hidrostatico, isto e existe urn

efeito

benefico do peso

da agua,

que

se

adiciona

ao

peso

proprio da

barragem, garantindo

a

estabilidade.

Este tipo de

obra

requer cuidados com as funda<;:6es pois a sua base,

em

contato

com

0 maci<;:o rochoso,

e

relativamente pequena, havendo,

em

contrapartida, vantagens quanto as subpress6es.

7.2.3 Barragem de concreto em arco de dupla

curvatura

A Figura 7.3 ilustra,

em

perspectiva, esse tipo de barragem,

com

a

indica<;:ao de dimens6es para urn caso real. A sua forma, com dupla curvatura

( casca ), faz

com

que

0

concreto trabalhe

em

compressao. Note-se que so

e

possivel construi-la engastada

em

vales

fechados,

em que

a rela<;:ao

entre

a

largura da crista e a altura da barragem

e

inferior a 2,5.

o problema

e

hiperestatico

e

sua

solu<;:ao requer considera<;:6es

quanto

a compatibilidade

de

deforma<;:6es

entre

a

estrutura de

Comprimento L)

Altura m)

UH

134 m

concreto e 0

maci<;:o

rochoso, donde a

84 m

necessidade de se conhecer 0 modulo

1,6

de elasticidade da rocha. Ademais,

como a espessura da casca , no

contato

com

0

maci<;:o

rochoso,

e

da

ordem

de lOa 15% da altura da barragem, as

funda<;:6es

devem ser melhores

do que nos tipos anteriores.

7.2.4 arragem de terra

homogenea

E 0 tipo de barragem (ver Figura 7.4) mais

em

uso entre nos,

em

face

das condi<;:6es topogrificas,

com

vales muito abertos, e da disponibilidade

de material terroso no Brasil.

Tolera

fundas;6es

mais deformaveis,

podendo-se construir barragens de terra apoiadas sobre solos moles,

como

foi

0

caso da barragem

do

rio Verde, proxima a Curitiba,

com

15 m de altura

maxima.

NA

H

Capitulo

Barragens

e

Terra

e Enrocamento

139

FiGUR 7 }

arragem de concreto

em arco de dupla

curvatura

FiGUR 4

arragem de terra

homogene



Obras de Terra

14

A inclina<;ao dos taludes de montante e de jusante e fIxada de

modo

a

garantir a estabilidade durante a vida uti da barragem, mais especifIcamente,

em fInal de canstru<;ao,

em

opera<;ao e

em

situa<;oes de rebaixamento rapido

do

reservatorio (ver Capitulo 4 - Estabilidade de Taludes).

Urn dos problemas que mais preocupam projetista e pipin ou

erosao regressiva tubular, no proprio corpo

da

barragem ou nas suas

funda<;oes.

Esse

fenomeno consiste

no

carreamento de particulas de solo

pela agua

em

fluxo, numa progressao de jusante para montante, dai termo

"regressivo" empregado para designa-lo;

com

passar do tempo, forma-se

urn tubo de erosao, que

pode

evoluir para cavidades relativamente grandes

no

corpo

das barragens, levando-as ao colapso.

Para evitar sua ocorrencia, e necessario urn controle da percola<;ao, tanto

pelas funda<;oes, assunto que sera tratado no Capitulo

8

quanto pelo carpo

da barragem (aterro).

No

aterro, intercepta-se fluxo de agua, de modo a

impeclir sua saida nas faces dos taludes de jusante

ou

nas ombreiras de jusante,

por meio de filtros verticais (tipo "chamine")

ou

inclinados. Os ftltros sao

constituidos de areia ou material granular,

com

granulometria adequada para

evitar 0 carreamento de particulas de solo e nesse sentido, 0 material deve

satisfazer "Criterio de Filtro de Terzaghi",

como

se vera adiante. Esses

ftltros colaboram

tambem

na dissipa<;ao das pressoes neutras construtivas e

inclusive, de rebaixamento rapido.

Uma

variante desse tipo e a barragem de terra zone

ada,

construida

com

urn unico solo de emprestimo, mas compactado

em

condi<;oes diferentes

de umidade, que confere ao solo caracteristicas geotecnicas diferentes,

como

se viu

no

Capitulo 6. Trata-se de uma otimiza<;ao da sec<;ao de uma

barragem de terra, para tirar partido das caracteristicas do solo seco, usado

nos espaldares, onde se deseja mais resistencia (estabilidade), e do solo umido,

no

nucleo,

on

de se quer baixa permeabilidade (estanqueidade).

Outras

variantes sao as barragens

em

aterro

umido

construidas

compactando-se os solos de emprestimos normalmente,

com

a diferen<;a de

que as umidades de compacta<;ao sao muito elevadas, 5 a 10% acima da

otima de Proctor. Foi que aconteceu na constru<;ao da barragem

do

rio

Verde, proxima a cidade de Curitiba, em que os solos de emprestimo

encontravam-se bastante umidos e a pluviosidade no local era muita elevada.

A constru<;ao de urn aterro convencional demandaria urn

tempo

bastante

grande, muito alem do que havia sido estabelecido pela proprietaria da obra.

N esse tipo de barragem, os problemas referem-se ao controle

do

peso dos

equipamentos

de compacta<;ao,

que devem ser

leves

para

evitar solo

borrachudo ,

alem

das

pressoes neutras

de final de constru<;ao,

que

costumam ser altas, em virtude da elevada umidade de compacta<;ao do solo.

7.2.5 Barragem de terra enrocamento

E a mais

estave1

dentre as barragens de terra e terra-enrocamento, nao

havendo registro

de

ruptura envolvendo seus taludes. material do



enrocamento (pedras) apresenta elevado angulo de atrito, garantindo a

estabilidade dos taludes de montante e jusante, mesmo quando sao ingremes

inclina<;:oes de 1:1,6 ate 1:2,2).

0

nuc1eo argiloso imprime a estanqueidade

abarragem, permitindo 0 represamento de agua forma<;:ao do lago).

o

nuc1eo dessas barragens pode ser central ou inclinado para

montante

(Figuras 7.5a e b). Quando a

argila

e 0 enrocamento apresentam

compressibilidades comparaveis entre si, 0 nuc1eo central tem a vantagem

de exercer uma pressao maior nas funda<;:oes, alem de ser mais largo na sua

base, 0 que e benefico em termos de controle de perdas d'agua.

No

entanto,

se a argila for mais compressive1 que 0 enrocamento, pode ocorrer 0 fenomeno

de arqueamento, ou

efeito de

silo . Nessas condi<;:oes, a argila tende a

recalcar mais, sendo impedida pe10s espaldares, mais rigidos. Em outras

palavras, 0

peso

da argila

passa

a ser suportado pelo enrocamento

(arqueamento), por atrito, como s6i acontecer nos silos,

podendo

surgir trincas

no nuc1eo, na

dire<;:ao

do

fluxo de agua. A vantagem de se inclinar 0 nuc1eo e

que nao ha

como

transferir seu peso para os espaldares.

Outra

vantagem

do

nuc1eo inclinado e que se

pode

levantar grande parte do enrocamento de

jusante,

ganhando-se tempo, enquanto

se

procede

ao

tratamento

das

funda<;:oes inje<;:oes na base do nuc1eo).

(a)

Capitulo 7

Barragens

de Terra

e Enrocamento

141

NA

(b)

1 8

FiGUR 7.";

Barragem de terra-

enrocamento, (a)

com

nue/eo central e (b)

ine/inado para montante

No que se refere ao controle da

percola<;:ao pe10 corpo

da barragem,

dispoe-se de material altamente permeavel, 0 enrocamento de jusante, que

permite

uma

vazao rapida das aguas de

percola<;:ao;

deve-se apenas dispor

de

uma transi<;:ao

gradual, em termos de granulometria, entre a argila e

as

pedras, para evitar 0

piping

Nas

funda<;:oes,

a percola<;:ao concentra-se sob a

base do nuc1eo, que e relativamente pequena; para evitar fugas d'agua

significativas, e necessario

um maci<;:o

de funda<;:ao mais estanque, quando

comparada com a barragem de terra homogenea , em que 0 caminho de

percola<;:ao

e maior.



bras de Terra

7.2.6

Barragem

de

enrocamento com

membrana de

concreto

Descritas

anteriormente as

barragens

com membranas

de

concreto

apresentam,

como

septo impermeivel, placas de concreto sobre 0 talude de

42

montante, de enrocamento ver Figura 7.6). Essas placas sao ligadas umas

as outras

por

meio de juntas especiais, pois apoiam-se

em

meio deformavel,

o enrocamento que

pode

sofrer recalques significativos

por

ocasiao

do

primeiro enchimento.

FiGURA

7.6

Barragem de

enrocamento

com membr n

de

concreto

NA

Concreto

E;nrocamento

A grande

vantagem

esta no cronograma construtivo, pois tanto

0

aterro

quanto

a membrana

de

concreto podem

ser construidos

independentemente do clima e portanto, da dura<;ao das esta<;6es chuvosas.

Alem disso, podem-se projetar aterros de enrocamento que suportam

0

desvio

de rios por entre

as

pedras: basta que se

tomem

alguns cuidados

no

talude de

jusante, como a coloca<;ao de

bermas

com pedras de maior

tamanho

entrosadas com pedras pequenas, bem compactadas, podendo-se [lXar umas

as

outras

com

chumbadores

ou

telas de ferro.

7.2.7 Barragem em aterro hidraulico

Alem dos tipos ja citados, existem barragens em que

0

aterro e construido

por processo hidraulico, isto e 0 solo e transportado

com

agua,

por

meio de

tubula<;6es, ate

0

local de constru<;ao. Trata-se das barragens em aterro

hidraulico. Ao ser despejado,

0

material segrega-se, separando-se as areias,

NA

FiGURA 7.7

que formam os espaldares

do

aterro, dos finos siltes e argilas), que acabam

Barragens

em

por constituir

0

nucleo da barragem ver Figura 7.7).

terro

hidrcJU ico

A

vantagem

e

0

baixo custo apesar do grande volume de solo que

despende,

em

virtude do abatimento dos taludes 1:5). Varias barragens fQram

construidas

com

essa tecnica

em

diversos paises, inclusive

no

Brasil, estando



muitas delas em opera<;ao. Em face

do

processo construtivo, as areias dos

espaldares apresentam-se

com compacidade fofa e saturada, sujeitas ao

fenomeno da i q u e f ~ o como ocorreu no caso da barragem de Fort Peck,

a ser relatado mais adiante. Os defensores dessa tecnica, que continua muito

difundida

no

leste europeu, argumentam que basta deixar

um

rolo vibratorio

passeando sobre

as

areias recem-despejadas das tubula<;6es, para se ter

uma certa densifica<;ao das mesmas e uma garantia contra a liquefa<;ao.

7.3 Fatores que Afetam a Escolha do Tipo de

Barragem

Antes de tecer considera<;6es quanto a escolha do tipo de barragem

mais

adequado

a um dado local,

convem

destacar a impordincia dos

aspectos geo16gico geotecnicos no projeto, na constru<;ao e na seguran<;a

das barragens.

Essa

importincia advem,

conforme

Mello (1966),

do fa

to

do

rio ser uma linha de maior fraqueza do terreno. Em geral, os locais favoriveis

para a implanta<;ao de barragens

envolvem

descontinuidades geologicas

associadas a fei<;6es topogrificas e s p e i ~ s como corredeiras, cotovelos nos

cursos dos rios, encostas escarpadas, etc.

Dados estatisticos sobre comportamento de barragens em opera<;ao

tem corroborado essas asser<;6es. De fato, um levantamento feito em 1961,

na Espanha, revelou que de 1.620 barragens cerca de 308 (ou 19%) haviam

sofrido incidentes, assim diagnosticados:

a 40% relacionados com problemas de funda<;6es;

b 23% devido a vertedouros inadequados; e

c 12% em virtude de defeitos construtivos.

Em

1973,

ICOLD

(International Committee

on

Large Dams) publicou

um livro intitulado Lessons from am Incidents que

mostra

236 incidentes

envolvendo barragens de varios tipos (em arco, contrafortes, gravidade,

enrocamento e terra), com 162 (quase 70%) referentes a barragens de terra.

As maiores causas dos incidentes foram atribuidas

a:

a falhas de projeto,

com

uma

<;

incidencia de 32%;

b investiga<;6es hidrologicas e geologico-geotecnicas inadequadas,

em

30% dos casos; e

c deficiencias construtivas, em 17% dos casos.

Essa forma de apresenta<;ao destaca a relevancia das investiga<;6es no

projeto

e constru<;ao de barragens.

Note-se

que os aspectos geologico

geotecnicos intervem nos tres itens listados acima.

Uma

vez real<;ada a

importincia

dos aspectos geologico-geotecnicos,

passa-se a listar os principais fatores que afetam a

escolha

do tipo

de

barragem Sao eles:

a

geologico-geotecnico;

b

hidrologico-hidraulico;

c

topogrifico; d materiais de emprestimo; e custo; f prazo; g clima e h)

construtivo. Outro fator que costuma ser citado e de

ordem

subjetiva, pois,

£requentemente, a escolha

0.0

tipo

o.e

barragem baseia-se na preferencia pessoal

ou

na experiencia

pro

fissional do projetista.

Capitulo 7

arragens de Terra

e Enrocamento

43



bras de Terra

44

A imporrancia desses fatores e seu imbricamento

ou

interdependencia

pode

ser

melhor

entendida

com

alguns exemplos. 0 primeiro refere-se

a

barragem rio Verde, proxima a Curitiba, citada anteriormente. A barragem

deveria ter 15 m de altura maxima e serviria para abastecer a refinaria de

Araucaria, da Petrobras. Do ponto de vista geologico-geotecnico, ocorria no

local camada de argila mole,

com

cerca de 4 m de espessura, sobreposta a

solo de altera<;ao e rocha fissurada. Havia terra (solos de empresrimo)

em

abundancia, mas com teores de umidade de ate 10% acima da otima de

Proctor. Ademais, a

regiao

de Curitiba e conhecida por

sua elevada

pluviosidade. Sabia-se das dificuldades decorrentes desse fato, pois a barragem

Capivari-Cachoeira,

tambem

proxima a Curitiba, levou quase 5 anos para ser

construida em

aterro compactado convencionalmente. Finalmente, dispunha

se de 2 anos para a constru<;ao.

Diante desses condicionantes, a

op<;ao final foi 0 tipo barragem

em

aterro umido , com nucleo compactado

5

acima da orima e as bermas de

equilibrio ate 10% acima da orima, necessarias

em

face da presen<;a de solos

moles nas funda<;oes. 0 raciocinio feito na ocasiao foi mais ou menos

seguinte:

a uma barragem de concreto superaria problema do clima e prazo,

mas exigiria funda<;ao em

rocha,

portanto escava<;oes de lOa 20 m de

profundidade, alem do que a barragem deveria ter quase

dobro

da altura,

onerando em muito a obra; e

b uma

barragem de terra

homogenea,

por ser flexivel,

poderia

ser

construida sobre

0

solo mole, com bermas de equilibrio, mas acabou sendo

descartada

em face do clima: os

trabalhos

de compacta<;ao, por meios

convencionais, e em torno da umidade otima, seriam prejudicados pelas

chuvas, afetando prazo de constru<;ao.

Uma

barragem

em

arco de dupla curvatura, que chama a aten<;ao pelo

efeito estetico, so pode ser construida se existirem vales bastante fechados e

condi<;oes de funda<;ao rochosa adequadas. No Brasil, os vales sao bastante

abertos, exigindo barragens de grande extensao. Por questao de economia,

recorre-se a barragens de terra e

ou

terra-enrocamento, deixando-se para serem

executadas em concreto as estruturas anexas ou auxiliares (vertedouros, casa

de for<;a, descarga de fundo, tomadas d'agua, etc.).

Ha certos locais onde existem afloramentos de rocha em quantidade,

que

podem

servir de pedreiras. Nesses casos, a op<;ao acaba sendo

as

barragens

de enrocamento, com nucleos de argila ou membranas de concreto. Estas

ulrimas tem a seu favor questoes de prazo e clima adverso,

como

se mencionou

aClma.

o fator hidro16gico hidniulico intervem desde a fase de planejamento

e viabilidade, que e determinante e quando sao estabelecidas a altura, a sobre

eleva<;ao da barragem e as dimensoes

do

vertedouro; ate a defini<;ao do desvio

do

rio, durante a constru<;ao da obra.

Pode

influir na escolha

do

tipo de

barragem. Por exemplo, em certos casos, pelo porte da obra e para minimizar

custos,

pode-se optar por

barragens

autovertedoras, isto e,

barragens

projetadas para suportar

0

transbordamento, durante cheias. Nestes casos,



pode-se escolher barragens de enrocamento

com

alguns clispositivos na face

de jusante para evitar 0 arraste das pedras pela

for<;a

das aguas como

mencionado anteriormente.

Para se

ter uma no<;ao quanto

a custos re1ativos de

barragens

de

varios tipos apenas

do

ponto de vista dos materiais e seus volumes preparou

se a Tabela 7.2. 0 numero entre parentesis

2,0)

refere-se ao uso de concreto

compactado a rolo que se compara

com

5 de concreto massa convencional.

Atente-se para 0 fato de que a estrutura de pre<;os e sempre clinamica variavel

no tempo e no espa<;o, dependendo de fatores como custos dos combustiveis

da energia dos insumos basicos etc.

Tabela 7.2 - Custo relativo

de

alguns tipos

de

barragens levando em conta

s6

os

materiais e seus volumes

Volume

Custo

Tipo de barragem Base

m

3

/m)

. relativo

Terra homogenea 5,5 H

2 75H

2

1,0

Enrocamento

3,7 H

1,8 H

2

1,5

Aterro hidraulico 10,0 H

5,0 H

2

0,7

Concreto massa

0,8 H

0,4 H

2

5,0 2,0)

apitulo

7

Barragens

de

Terra

e Enrocamento

145

Esses

dados a

despeito

de sua precariedade

em termos

absolutos

confumam

que

as

barragens

em

aterro hidriulico sao

as

de

menor

custo

apesar do maior volume quase 0

dobro

de

uma

barragem de terra homogenea.

As barragens de concreto sao as mais caras donde 0 seu uso ser em geral

restrito as estruturas anexas ou auxiliares como mencionado acima.

7.4

Acidentes Catastr ficos Envolvendo

Barragens

Acidentes catastr6ficos envolvendo barragens de terra acabam tendo

repercussao ate internacional pelas perdas de vidas que em geral provocam

e pela extensao dos

danos

materiais afetando popula<;6es ribeirinhas

quilometros de clisrancia rio abaixo.

o aspecto que se quer enfatizar e de outra ordem referente

as

li<;6es

que se

podem

e devem extrair nao s6 das rupturas

como

tambem dos pequenos

incidentes envolvendo as barragens. Terzaghi via-os

como

elos essenciais e

inevitaveis

na

cadeia

do

progresso na engenharia pois argumentava nao

existirem outros meios de se

detectar

os limites de validade de nossos

conceitos e processos.

Para ilustrar 0 que se acaba de afumar serao descritos cinco casos de

ruptura em barragens; tres deles mudaram os rumos de nossos conhecimentos

nesse campo da Engenharia e tiveram reflexos

no

projeto e constru<;ao de

barragens pelo

mundo

afora; os outros dois

mostram

casos de ruptura de

barragens de terra por

piping



bras de Terra

46

o primeiro caso e da barragem Fort Peck,

construida

em aterro

hidriulico em flns do seculo XIX, nos E.U.A. Possuia 70 m de altura, taludes

de 1:5, extensao de 6,4 km, tendo consumido 100.000.000 m

3

de materiaL

Apoiava-se sobre espessa camada

cerca

de

40

m)

de aluviao,

com

predominancia de areia. A ruptura, ocorrida em

1938,

envolveu talude de

montante, de areia fofa e saturada, numa extensao de

500

m, que se liquefez,

abatendo-se para

uma

inclina<;ao fmal de 1:20.

Uma

das consequencias desse

evento foi a realiza<;ao de estudos para entender comportamento das areias,

que culminaram

com

a introdu<;ao do conceito de

indice de vazios

critico

de fundamental impordncia para a

moderna

Mecanica dos Solos. A outra

consequencia e negativa, pois os aterros hidriulicos cairam

em

desuso

no

Ocidente.

o segundo caso refere-se a

barragem

de

Malpasset

na Fran<;a, em

arco de dupla curvatura, de 60 m de altura. A sua ruptura ocorreu

em

1959,

por cisalhamento na rocha, segundo um plano preferencial, provavelmente

uma

junta extensa, ao longo da ombreira esquerda, um

pouco

abaixo do

apoio. A rocha era um gnaisse,

com

flssuramento flno. Muito embora se saiba

que tanto 0 projeto

como

a constru<;ao flcaram ao encargo de proflssionais

competentes, reconhece-se que havia um distanciamento muito grande entre

os projetistas e os ge6logos, que nao sabiam exatamente tipo de barragem

que seria construida. Hoje, trabalha-se com equipes integradas, com uma

linguagem

comum,

respaldada numa

nova

discipl ina - a

Geologia

de

Engenharia.

A

ruptura

do reservat6rio

de

Vajont

na

Italia,

em

1963,

foi pior

desastre na hist6ria das barragens, causando a morte de

3.000

pessoas. Era a

maior barragem

do mundo em

arco de dupla curvatura,

com

cerca de 286 m

de altura, engastada na

parte

mais baixa de um vale de

1.000

m de

profundidade. A causa direta do desastre foi escorregamento de 200 milh6es

de m

3

de

uma

massa rochosa de

um

talude para dentro

do

reservat6rio da

barragem,

com

150 milh6es de m

3

de agua.

Com

0 impacto, a agua foi expulsa

para jusante, rio abaixo, na forma de uma onda, que passou cerca de

150

m

acima da crista da barragem. As rochas eram calcarias, fortemente fraturadas,

e sabia-se que toda a regiao estava sujeita a movimentos de rastejos. Por isso,

foram executados trabalhos

de

observa<;ao e acompanhamento dos

movimentos de rastejo do maci<;o encosta abaixo. Esse movimento lemo

transformou-se

num

escorregamento

rapidissimo, cuja causa direta foi

atribuida

as

intensas chuvas que come<;aram uns 10 dias antes da catastrofe.

A li<;ao que flcou foi 0 reconhecimento de que e necessario um entendimento,

em

profundidade e

com

detalhes, da geologia regional e

em

particular, da

regiao bacia)

do

reservat6rio,

onde

as

encostas

flcam sujeitas a

uma

submersao pelas aguas represadas.

Construido em

1951, nas cercanias de Los Angeles, reservat6rio

aldwin

Hills

tinha a forma aproximada de um trapezio, com dimens6es

medias entre

300

e

350

m, delimitado pela barragem de terra, com altura

media de 22 m. A ruptura ocorreu ap6s 12 anos de opera<;ao. No local da

constru<;ao ocorriam varias falhas geo16gicas e sabia-se

tambem

que a regiao

estava sujeita a afundamentos do

terreno diante da explora<;ao petrolifera,

feita nas proximidades. Alem disso, os solos de funda<;ao eram constituidos



por siltes arenosos, colapsiveis e erodiveis. Diante desse quadro, adotou-se

como conceito

bisico

de projeto evitar contato da

igua com

os solos de

funda<;:ao.

Tanto

a barragem quanto fundo do reservat6rio receberam duas

camadas de impermeabiliza<;:ao, com

membrana

asfiltica, entremeadas

por

camada de solo compactado e urn flitro. Acredita-se que deve ter havido

recalques das funda<;:6es da barragem com a forma<;:ao de trincas

imperceptiveis no sistema de impermeabiliza<;:ao,

por

onde a igua se inflitrou.

Lentamente, os solos siltosos foram erodidos pipiniJ, com a forma<;:ao de

cavernas locais que no limite de sua progressao levaram a ruptura

catastr6fica. Somente poucas horas antes do colapso eque se observaram os

1j)r.ime.i.r.as. s . ~ t \ ~ ~ s e Y t e ~ 0 S ce. q'U\: 'd\go 6\: anQtmal estava acontecenao. Nao

havia que fazer.

A barragem Teton E.D.A. rompeu

em junho

de 1976,

com

reservat6rio praticamente cheio, provocando a

morte

de 14 pessoas e

prejuizos estimados entre 0,4 a 1 bilhao de d61ares. Era uma barragem de

terra,

com

93 m de altura, zoneada e,

como

particularidade, foi escavada

uma trincheira de veda<;:ao cut

ojJj

nas funda<;:6es rochosas e executada uma

cortina de

inje<;:ao

de cimento.

Arocha

apresentava-se muito fraturada e

solo, usado no nucleo da barragem e na sua trincheira, era erodivel. A barragem

rompeu por

piping,

que teria se iniciado no contato solo-rocha, na base da

trincheira

cut

offJ, junto aombreira direita. Nao havia transi<;:ao entre solo

e a rocha fraturada, que, ademais, nao foi selada. A grande altura do

cut off

aliada a sua pequena largura, deve ter favorecido a forma<;:ao de trincas no

solo de preenchimento, por efeito de silo (arqueamento). Houve, portanto,

uma falha de projeto, da parte de urn 6rgao do governo norte-americano,

United States Bureau of Reclamation, com uma experiencia bern sucedida

de projeto e constru<;:ao de centenas de barragens.

7 5 Principios p r Projeto

o projeto de uma barragem de terra deve pautar-se por dois

principios

basicos: g u r n ~ e economia. Este ultimo inclui os custos de manuten<;:ao

da obra, durante a sua vida

Util.

A seguran<;:a da barragem eobviamente principio preponderante. Dela

dependem vidas humanas, bens comunitirios e bens individuais e deve ser

garantida quanto:

a) ao transbordamento que pode abrir brechas no corpo de barragens

de terra e de enrocamento;

b) ao

pipin

e ao fenomeno de areia movedi<;:a;

c)

a

ruptura

dos taludes artificiais

de

montante

e de jusante, e aos

taludes naturais das ombreiras adjacentes ao reservat6rio;

d) ao efeito

das

ondas formadas pela

a<;:ao

dos ventos atuantes na

superficie

dos

reservat6rios, e que

van

se quebrar no talude de

montante,

podendo provo

car sulcos de erosao; e

e) ao efeito erosivo

das

aguas das chuvas sobre talude de jusante.

Capitulo

Barragens de Terra

e Enrocamento

147



bras de Terra

148

E

necessario adotar medidas para evitar

ou

minimizar fugas d agua

pel s f u n ~ o e s

da barragem. A seguir serao feitas algumas considera<;5es

a respeito.

7.5.1 A f o r m ~ o de brechas

em

barragens de terra e de enrocamento,

em conseqiiencia de rupturas provocadas por transbordamentos, depende

de

uma

serie de fatores.

Dentre

eles, citam-se:

• 0

tipo de solo e

as

condi<;5es de compacta<;ao;

• a presen<;a de enrocamento

no maci<;o

de jusante;

• 0 tipo e a forma de coloca<;ao dos materiais de prote<;ao do talude de

jusante;

• a inclina<;ao do talude de jusante, que influencia a velocidade do

fluxo d'agua; e

• a lamina d'agua sobre a crista da barragem, imediatamente antes da

forma<;ao da brecha.

Ha indica<;5es de que solos compactados suportam laminas de agua,

sobre a crista de barragens, superiores as de enrocamentos.

7.5.2 Sao fatores condicionantes

do piping que tambem

podem

levar a forma<;ao de brechas

em

barragens de terra homogeneas:

• a ausencia de fJ ltros horizontais tipo sanduiche, construidos

com

materiais pedregosos, francamente permeaveis;

• as condi<;5es de compacta<;ao

do maci<;o

terroso;

• a ausencia de

transi<;5es

adequadas entre solos e materiais granulares; e

• a presen<;a de funda<;5es arenosas.

7.5.3 Quanto aestabilidade dos taludes artificiais, considere-se 0

caso de uma barragem de terra homogenea, construida

com

solo argiloso, de

baixa permeabilidade, apoiada em terreno de funda<;ao fIrme, mais resistente

que 0

maci<;o

compactado. No Capitulo 3 viu-se que existem tres situa<;5es

no tempo

de vida uti! da barragem que requerem analises da estabilidade de

seus taludes de montante e de jusante. Sao:

• final de constru<;ao,

em

que interessa analisar 0 talude de jusante, 0

mais ingreme

• barragem

em

opera<;ao,

com

0 nivel de agua na sua posi<;ao maxima,

ha

varios anos, situa<;ao em que 0 talude critico e tambem 0 de

jusante, pois 0 talude de montante esta submerso; e

• abaixamento

rapido do

nivel de agua, que, na realidade,

pode

levar

alguns meses para ocorrer, mas que

nem por

isso deixa de ser "rapido",

diante da baixa permeabilidade do solo compactado; 0 talude critico

e 0 de montante.

7.5.4 A estabilidade

dos

taludes naturais das ombreiras,

adjacentes

aos reservatotios,

pode

ser analisada pelos

metodos

vistos

no

Capitulo 4.

Devem set considerados, alem das chuvas, os efeitos

provocados

pela

submersao e por eventual abaixamento rapido

do

nivel d'agua do

reservatorio.



7.5.5 Os

taludes

das barragens

de terra

sao protegidos de forma

diferente, quer se trate

do.

de montante ou jusante.

• As ondas, provocadas pela a<;ao dos ventos sobre a superficie do

reservat6rio, quebram-se

no contato com 0

talude de

montante

podendo

resultar na forma<;ao de sulcos de erosao.

Este

efeito

e

combatido construindo-se

um rip

rap isto e camadas de enrocamento

e transi<;ao, estendendo-se

na

face

do

talude de montante;

• A incidencia das chuvas na face do talude de jusante

pode

provocar

sulcos

de erosao. Para evitar este efeito

pode-se

recorrer ao

lan<;amento de camada de pedrisco

ou

ao plantio de gramas

em

placas

ou

por meio de hidro-semeadura.

7.5.6 A largura

minima

da crista de

barragens

de terra e

usualmente flXada

em

cerca de 3 m, para permitir 0

trifego

de manuten<;ao e

inspe<;ao da obra, ao longo de sua vida Util.

Por

vezes, a crista da barragem

transforma-se

em

pista de uma estrada, quando

endo

a sua largura edefmida

pelo tipo de estrada.

Para um aprofundamento nestas e outras questoes, envolvendo

0

projeto

das barragens de terra e de enrocamento, consulte-se Cruz (1996).

7.6

Sistema de Drenagem Interna em Barragens

de Terra

.6.1 v o l u ~ a o conceitual

A evolu<;ao

do

sistema de drenagem das barragens de terra esta ilustrada

na Figura 7.8. Houve um longo percurso desde

0

caso a), sem drenos, em

(b)

A - Ponto e saida d'agua

Enrocamento de

p

Capitulo

Barragens de Terra

e Enrocamento

149

FiGURA 7 8

Drenagem interna

m

barragens

de

terra:

e v o u ~ a o conceitual

(e)

(f)

(g)



bras de Terra

150

que 0 problema era a emergencia da agua na face

do

talude de jusante e a

consequente possibilidade de ocorrencia do

piping;

passando pelos casos b)

e c), que teoricamente resolveriam 0 problema se 0 solo compactado fosse

isotr6pico

0 que nao corresponde a realidade,

perdurando portanto

a

possibilidade

do

piping ate chegar a solu<;:ao encontrada por Terzaghi, caso

d), em que se combinam flitros vertical chamine) e horizontal, interceptando

o fluxo de agua antes que ele saia pelo talude de jusante. Note-se que os

flitros jogam

tambem

um papel importante na dissipa<;:ao das pressoes neutras,

quer de jusante,

em

ftnal de constru<;:ao, quer de montante, para

situa<;:oes

de

rebaixamento rapido

do

N.A. do reservat6rio.

as demais casos correspondem a ideias mais recentes, de se inclinar um

dos flitros para montante, caso e), 0 que melhora as condi<;:oes de estabilidade

do

talude de

montante quando do

rebaixamento rapido do N.A.

do

reservat6rio; ou para jusante, caso f), mais favoravel quando as funda<;:oes

sao permeaveis, pois aumenta 0 caminho de percola<;:ao; ou ainda 0 caso

g),

proposto por Mello 1975), que procura combinar as vantagens dos dois

casos anteriores.

7.6.2 Dimensionamento dos filtros

Para

0

dimensionamento dos flitros, procede-se da seguinte forma:

a)

determina-se a quantidade de agua vazao) a ser captada pelos flitros,

com base no tra<;:ado de redes de fluxo, 0 que e relativamente f:icil, e em

estimativas dos coeftcientes de permeabilidade

do

maci<;:o

compactado

e

dos maci<;:os de

funda<;:ao,

0 que e muito mais dificil ver 0 Capitulo 1);

b) em

fun<;:ao dos materiais granulares disponiveis, ftxam-se valores para

os coeficientes de permeabilidade dos filtros

e

calculam-se

as suas

espessuras

com

base na Lei de Darcy,

ou

na Equa<;:ao de Dupuit; e

c)

veriftcam-se se os materiais dos flitros e os solos que os envolvem

satisfazem 0 Criterio

de

Filtro

de

Terzaghi para se ter

uma

garantia segura

contra 0 piping.

Determina ao

da largura dos filtros

A largura dos flitros

pode

ser determinada pelo tra<;:ado de redes de

fluxo, envolvendo 0 maci<;:o compactado e

as

funda<;:oes. No entanto, diante

das pequenas espessuras dos flitros e as diferentes permeabilidades,

0

tra<;:ado

e trabalhoso. Por isso, costuma-se

lan<;:ar mao

de metodos aproximados veja

o Capitulo

1).

Para os filtros verticais Figura 7.9, 0 fluxo e praticamente vertical.

Logo, pode-se admitir gradiente 1) igual a l e pela Lei de Darcy, chega-se a:

Q = k i . = k ·1·

B

,1) = k B

jv jv jv



N

a)

FiGUR 7 1

L

com filtro

trabalhando

livremente, sendo, nessas condi<;:oes, aplicavel a

Equa<;:ao

de

Dupuit

ver 0 item 1.5.3 do Capitulo 1). Nas expressoes 2) e

3),

k h e 0 coeficiente de permeabilidade do

fUtro

horizontal; e eo seu

comprimento.

onde e a

vazao absorvida pelo

filtro; e

k /v

e 0 seu

coeficiente

de

permeabilidade.

Portanto:

1)

N

Para os ftltros

horizontais

Figura 7.10a, pode-se empregar, quer:

2)

em

que a hip6tese e fUtro trabalhando

em

carga, sendo valida a Lei de Darcy;

quer:

3)

apitulo 7

Barragens e Terra

e Enrocamento

151

I

FiGUR 7 9

Filtro vertical

Filtro horizontal

t po sanduiche



bras de Terra

52

A seguir sao feitas duas observa<;oes importantes:

a)

ao se aplicarem as expressoes acima, devem-se utilizar coeficientes

de seguran<;a elevados da ordem de 10, pois os

calculos

envolvem

coeficientes de permeabilidade, de dificil estimativa

em

problemas praticos,

principalmente quando se trata de solos naturais, como ocorrem nas funda<;oes

de barragens; e

b) enquanto ftltro vertical trabalha com gradiente da ordem de 1

flitro horizontal

0

faz com gradientes quase nulos, da

ordem

de B/L.

Como

a vazao e diretamente proporcional ao gradiente, para ter capacidade de

descarga ftltro horizontal precisa trabalhar

com

valores muito elevados de

permeabilidade. Consegue-se isto estruturando esse ftltro, isto e fazendo

se urn sanduiche areia-pedregulho ou pedrisco-areia (ver a Figura 7.10b).

Prevens:ao contra 0

pipin

Para prevenir

piping

deve-se cuidar que na passagem

do

fluxo de urn

meio (solo a ser protegido) para outro, mais

poroso

(ftltro), nao haja

carreamento de particulas de solo. Consegue-se fazendo

com

que as particulas

do filtro sejam

suficientemente pequenas

para

impedir

a

passagem

de

particulas do solo a ser protegido.

Se

algumas das particulas maiores puderem

ser mantidas

em

posi<;ao, elas, por sua vez, bloquearao a passagem das

particulas mais finas. ftltro nao pode ser muito fino, a ponto de impedir a

passagem da agua; sua permeabilidade deve ser, pelo menos, de lOa 20

vezes a do solo a ser protegido.

E nessa linha de pensamento que se baseia

Criterio

de

Filtro

de

Terzaghi que estabelece as seguintes condi<;oes a serem satisfeitas pelo

flitro e pelo solo a ser protegido:

DiS

Filtro)

< 4

ou

4

D

ss

Solo)

para garantir a prote<;ao contra

piping,

e

DiS Filtro)

>

4

ou

5)

DiS Solo)

para

garantir a

passagem da

agua. Os

indices

15 e 85

referem-se

as

porcentagens

do

material,

em

peso,

com

particulas menores

do

que diametro

D, a eles associados.

As argilas sao,

em

geral, menos suscetiveis ao piping. Assim, desde que

haja experiencia

acumulada

ou se executem ensaios especiais, pode-se



abrandar as

concli<;6es

acima, alterando-se segundo membra da expressao

(4)

para 10, ou ate mais.

Para a transi<;ao de enrocamentos, pode-se usar

0

Criterio de Filtro de

Terzaghi, tambem abrandado. Finalmente, ha os criterios semelhantes para

prevenir

piping, no

caso de tubos perfurados estarem envolvidos

por um

solo (sobre assunto, veja Cedergren, 1967; e Cruz, 1996).

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apitulo

Barragens de Terra

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53

Documents

CapituloBarragens_FaiçalMassad