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Aula 07 – Barragens – Elementos de projeto

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO

CAMPUS DE SINOP

FACULDADE DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGIAS

CURSO DE ENGENHARIA CIVIL

GEOTECNIA III

Eng. Civil Augusto Romanini (FACET – Sinop)

Sinop - MT

2016/2

Fluxo no solo

AULAS

12/11/2016 2

Aula 01 – Fluxo no solo

Aula 02 – Redes de Fluxo confinado Aula 03 – Redes de Fluxo não confinado

Aula 04 – Erosão interna e Ruptura Hidráulica

Aula 06 – Barragens

Aula 07 – Elementos de Projeto Aula 08 – Instrumentação de barragens e análises

Aula 09 – Aspectos construtivos

Aula 11 – Técnicas de estabilização de encostas

Aula 12 – Estruturas de contenções Aula 13 – Escoramento Provisório

Aula 05 –

Aula 14 – Cortinas de Contenção Aula 15 – Cortinas Atirantadas

Aula 00 – Apresentação / Introdução

Parte III – Taludes e Estruturas de contenção

Parte II – Barragens de Terra

Parte I – Fluxo no solo

Aula 10 – Pequena Barragem de terra – “Pré Projeto”

Barragens

INTRODUÇÃO

INVESTIGAÇÕES GEOLÓGICO - GEOTÉCNICAS

SISTEMA DE DRENAGEM

ELEMENTOS DE UMA BARRAGEM

TRATAMENTO DE FUNDAÇÕES

TERMINOLOGIA TÉCNICA

Barragens

INTRODUÇÃO

A BARRAGEM é uma barreira artificial de solo ou concreto, anteposta a curso natural de água, construída

com o objetivo de abastecimento de água, geração de energia ou contenção de rejeitos.

CONDIÇÕES PARA PROJETO:a) O aterro deve estar seguro contra o transbordamento, durante a ocorrência da descarga de cheia do

projeto, pela adoção de vertedouros com suficiente capacidade de vazão.

b) Os taludes do aterro devem ser estáveis durante a construção e sob quaisquer condições de

operação do reservatório.

c) O aterro deve ser projetado de modo que não submeta as fundações a tensões excessivas.

d) A percolação através o aterro, fundação e ombreira deve ser controlada a fim de que não haja erosão

interna nem perda d'água excessiva prejudicando a obra.

e) O aterro não deve sofrer transbordamento pela ação da onda.

f) O talude de montante deve ser protegido contra a erosão por ação da onda; a crista e o talude de

jusante contra erosão devida ao vento e a chuva.

12/11/2016 Barragens 5

Em vistas dos inúmeros fatores que devem ser considerados na elaboração do projeto de

uma barragem de terra ou de enrocamento, ainda que se utiliza a mesma metodologia de

trabalho, dificilmente a seção transversal do projeto final de uma barragem será repetido

para outras barragens.

Para a seleção de uma seção transversal, devem ser analisadas, técnica e

economicamente, diversas alternativas, em processo iterativo, partindo de dimensões

conservativas, ditadas pela experiência em obras e condições semelhantes a do projeto

atual.

Se preciso copie a boa experiência de alguém

INTRODUÇÃO


Fonte

: Gaio

to,2

003


Crista

Taludes Núcleo da barragem

Elementos de proteção

TERMINOLOGIA TÉCNICA


Fonte

: Gaio

to,2

003

ELEMENTOS DE UMA BARRAGEM TERMINOLOGIA TÉCNICA





Nível Mínimo de Operação (Minimum Operating Level) – Menor nível para o qual o reservatório pode ser rebaixado mantendo-se

as condições de operação para as quais o aproveitamento foi projetado, tais como geração de energia ou irrigação. Abaixo deste

nível o reservatório pode ser eventualmente rebaixado por outros dispositivos de descarga;

Nível Máximo de Cheia (Maximum Water Level) – Nível mais elevado da superfície de água para o qual a estrutura foi projetada.

É geralmente fixado com o nível correspondente a sobrelevação máxima, quando da ocorrência da cheia de projeto;

Nível Máximo de Armazenamento (Normal Top Water Level) – Elevação máxima de armazenamento do nível de água

correspondendo ao nível máximo do reservatório para o qual a barragem foi projetada, sem considerar o efeito de

superelevação;

Superelevação

12/11/2016 Barragens 10


Superelevação

Superelevação (Surcharge) – Volume de um reservatório, situado entre o nível máximo de armazenamento e o nível máximo de

cheia. Pode também ser expresso pela dimensão vertical. O volume de água relativo à superelevação não pode ser mantido no

reservatório e escoará pelo vertedouro até que o nível máximo de armazenamento seja novamente atingido;

Altura Hidráulica da Barragem (Top Water Height) – Altura hidráulica correspondente à diferença entre o nível máximo de

armazenamento e a superfície do terreno;

Borda Livre (Freeboard) – Distância vertical entre o nível do coroamento da barragem e cada um dos níveis característicos do

armazenamento d'água, tais como nível máximo de cheia e nível máximo de armazenamento, denominados, respectivamente,

Borda Livre Mínima e Borda Livre Normal.

12/11/2016 Barragens 11


Superelevação

Volume do Reservatório (Total Storage) – Volume total de água acumulado pelo reservatório, isto é, a soma do volume do útil e do

volume inativo;

Volume Inativo (Unusable Storage) – Parte do volume do reservatório situada abaixo do nível do mais baixo dispositivo de

descarga;

Volume Útil (Usable Storage) – Parte do volume do reservatório situada acima do nível do mais baixo dispositivo de descarga;

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Largura da Crista (Top Width) – Largura da parte superior da Barragem, medida entre as faces de montante e jusante,

perpendicularmente ao eixo;

Parapeito (Wave Wall) – Muro colocado no lado de montante ao longo da crista da Barragem para refletir as ondas;

Altura acima da Fundação (Height above Foundation) – Altura desde o ponto mais baixo da Fundação até a crista da

Barragem

Pé da Barragem (Toe of Dam) – Encontro do paramento de jusante com o terreno natural;

Largura da Base (Base Thickness) – Largura máxima de projeto de uma barragem na sua base, medida horizontamente

entre as faces de montante e jusante, perpendicular ao eixo;

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Tapete de Montante (Upstream Blanket) – Camada de material impermeável colocada no terreno a montante da barragem,

para controlar a percolação de água através da fundação;

Enrocamento de Proteção (Rip-Rap) – Camada de grandes pedras ou blocos colocada no talude de montante para proteção

contra ação de ondas e correntes;

Filtro (Filter Zone) – Zona do maciço constituída de material granular adjacente à zona impermeável com o objetivo de prevenir

a migração de material de uma zona para outra;

Núcleo Impermeável (Impervious Core) – Trecho de barragem zoneada constituído de material de baixa permeabilidade com

o objetivo de limitar a percolação pelo maciço;

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Base da Barragem (Base of Dam) – Área da fundação da parte mais baixa do corpo principal da barragem, isto é, a área de

fundação, excluindo as ombreiras;

Fundação (Foundation) – Material natural abaixo da superfície de escavação sobre o qual a estrutura da barragem é

colocada, incluindo qualquer tratamento de vedação;

Nível mais baixo do Maciço – Cota mais baixa do maciço da Barragem, incluindo a trincheira de Fundação;

Cortina de Injeção – Tratamento de vedação de fundações com injeção de calda de cimento;

Altura da Trincheira de Vedação (Height of Foundation) – Distância entre a parte mais baixa da superfície e o fundo da

trincheira, desde que este não tenha menos que 10 m de largura;

12/11/2016 Barragens 15


Margem do Reservatório (Reservoir Shore) –

Área de terreno imediatamente acima e ao longo

da linha d'água do reservatório;

Comprimento do Reservatório (Length of

Reservoir) – Distância máxima medida da

barragem até a cabeceira do reservatório seguindo

a linha de centro do curso do rio principal,

considerando-se o reservatório no nível normal de

retenção;

Vertedouro de Emergência (Emergency Spillway) –

Vertedouro auxiliar de proteção do maciço para o

caso de cheias excepcionais;

Ombreira Direita (Right Abutment) – Ombreira

situada no lado direito do rio considerando-se o

observador olhando para jusante;

Ombreira Esquerda (Left Abutment) – Ombreira

situada no lado esquerdo do rio considerando-se o

observador olhando para jusante;

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Casa de Força (Power House) – Local destinado aos

equipamentos elétricos utilizados na área da

barragem;

Comprimento da Crista (Length of Dam) – Distância

entre as extremidades da barragem, medida no

coroamento. Inclui-se o vertedor, tomada d'água,

estruturas para navegação e outras;

Eixo da Barragem (Dam Axis) – Plano vertical ou

superfície curva de referência entre as ombreiras, em

tomo do qual a barragem é projetada e locada;

Vertedor (Spillway) – Soleira, conduto, túnel, canal ou

outra estrutura projetada para descarregar água do

reservatório, controlando os seus níveis. Pode ter ou

não comportas;

Bacia de Dissipação (Stilling Basin) – Bacia

formada a jusante da barragem principal com o

objetivo de proteger o leito contra a erosão

provocada pelas descargas do vertedor;

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Fetch – Distância na qual o vento pode atuar sobre as

águas. Geralmente é definida pelo ponto mais a montante

até a estrutura, na direção do vento;

Borda Mínima (Minimum Board) – Altura entre o coroamento e

o nível d’água máximo;

Borda Normal (Normal Board) – Altura entre o coroamento e o

nível d’água normal;

Coroamento (Crest of Dam) – Termo usado para significar a

parte mais alta da barragem;

12/11/2016 Barragens 18

Fonte

: LN

EC

, 2015

A crista é o elemento de acesso à barragem, localizado no topo do barramento. A largura da crista é determinada pela

necessidade de trafego, em pequenas barragens espera-se que adote uma crista com largura em torno de 3 metros, mas

sugere – se o valor de 5 metros como valor mínimo. No entanto em barragens maiores é recomendada uma crista variando

de 6 a 12 metros.

Altura da barragem

Utilização

Crista

Esta altura pode ser calculado a partir de um

nível máximo e ainda é acrescido um valor de

bordo livre.

𝐿 =𝑍

5+ 3


Importância da obra

Exceções

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Borda Livre

Um reservatório com água e a força dos ventos podem ocasionar o surgimento de ondas que afetarão as margens do

reservatório e principalmente a barragem. A construção da barragem deve prever esta diferença entre o nível máximo do

reservatório e a crista da barragem, para que estas ondas não ultrapassem o barramento

NUNCA MENOR QUE 0,50 M Valor decorrente do vento


Para a fixação da borda livre de uma barragem, considera-se o nível máximo de operação da barragem e tem-se como

objetivo:

• Evitar o transbordamento pela ação das ondas, que pode coincidir com a máxima enchente;

• Fornecer um fator de segurança contra imprevistos tais como recalque da barragem, ocorrência de uma cheia maior do que

a prevista no projeto ou mau funcionamento do vertedouro.

A borda livre (B) em metros pode ser dada pela expressão:

g

VHB

275,0

20

0

Onde 𝐻0 é a altura de onda (m), 𝑉0 é a sua velocidade de

propagação (m/s) e g é a gravidade (𝑚/𝑠2).

4

026,076,0032,0 FUFH

0025,1 HV

Onde 𝐻0 é a altura de onda (m), 𝑉0 é a sua velocidade de

propagação (m/s), F é o Fetch (km) e U é a velocidade do vento

(km/h).

Stevenson & Molitor

Para 0,3m<𝐻0<2,0m Gaillard

UFH 032,00 Para Fetch > 20 km

12/11/2016 Barragens 20

Como se trata de um elemento de segurança do

empreendimento, estima-se que a borda livre seja no mínimo

igual à altura da onda máxima, somando 50% para

compensar a corrida sobre o talude, e ainda é claro, um fator

de segurança que varia de 0,6 a 3 metros, dependendo da

importância da barragem. Para efetuar os cálculos existem

ábacos, como o desenvolvido pelo U.S Bureau of Reclamation

Borda LivreELEMENTOS DE UMA BARRAGEM

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Taludes

Barragem de Terra 1:2 até 1:3

Barragem de Enrocamento com Núcleo de Terra 1:1,5 até 1:2

Barragem de Enrocamento com Face de Concreto 1:1,13 até 1:1,5

As inclinações abaixo são utilizadas como valores iniciais para o desenvolvimento do projeto. Valores de

referência

Os materiais de construção, a geometria interna, as características da fundação e as condições de construção e

operação influenciarão na escolha da inclinação dos taludes.


A figura ( próximo slide) mostra o esquema de zoneamento de uma barragem para as seguintes situações:

Barragem construída sobre fundação impermeável ou permeável completamente atravessada por uma trincheira de

vedação. Neste caso temos um núcleo denominado de núcleo mínimo com largura na base 1:1;

Barragem construída sobre fundação permeável sem "cut-off". A largura 2-2 representa a dimensão de um núcleo mínimo

para esta situação;

O núcleo máximo para uma barragem do tipo zoneado (3-3).

12/11/2016 Barragens 22

TaludesELEMENTOS DE UMA BARRAGEM

12/11/2016 Barragens 23


Barragem Homogênea

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12/11/2016 Barragens 25

Este elemento da barragem tem como função principal possibilitar a estanqueidade do barramento, uma vez

que estamos armazenando água. Existem duas maneiras de construírem a seção interna, uma se da

quando os materiais de empréstimos possuem características distintas, e utiliza-se o material menos

permeável para construção do núcleo.

ELEMENTOS DE UMA BARRAGEM Núcleo

12/11/2016 Barragens 26

Perda de água admissível através do maciço

Condições construtivas

Disponibilidade de materiais

Sistema de drenagem interna projetado

Projetos semelhantes

A espessura do núcleo é adotada por fatores como:

Sherard et al(1976 , citado em Gaioto

,2003) sugerem os seguintes critérios para

o projeto de núcleo das barragens de

enrocamento:

• Espessuras de 30 a 50% da altura da

agua do reservatório tem-se mostrado

satisfatórias, sob diversas condições;

• Espessuras de 15 a 20%

correspondem a núcleos delgados e

requerem filtros adequadamente

projetados e construídos.

• Espessuras menores que 10% não são

amplamente utilizadas; somente

podem ser adotadas em circunstancias

em que grandes fugas de água através

do núcleo não conduzam a ruptura da

barragem.

ELEMENTOS DE UMA BARRAGEM Núcleo

Otimização a partir de 0,5H

12/11/2016 Barragens 27


Rip - Rap Bermas de equilíbrio


12/11/2016 Barragens 28


Bermas de equilíbrio


Valores para o caso de barragens de fundações

constituídas por solos finos saturados, com espessuras

maiores que a altura do aterro.

As bermas podem ser construídas utilizando outras

referências e metodologias.

12/11/2016 Barragens 29


Rip - Rap


O talude de montante das barragens de terra e de enrocamento deve ser protegido

contra a ação erosiva das ondas que se formam no reservatório.

Tais proteções podem ser de vários tipos, devendo ser colocadas desde o

coroamento até pelo menos 2,5 a 3,0m abaixo do nível mínimo de retenção,

terminando numa berma de suporte. Se for previsto o esvaziamento total do

reservatório, a proteção deve ir até ao pé do talude.

Os tipos usuais de proteção são:

Enrocamento lançado (Rip-Rap)

Empedramento manual (Pedra de mão arrumada)

Solo-cimento

Concreto

Concreto betuminoso

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Rip - Rap


Para taludes com declividades entre 1:2 e 1:4 recomenda-se (U.S. Arrmy Corp of Engineers) a adoção das

seguintes dimensões para o tamanho dos blocos e a espessura da camada de Rip-Rap:

12/11/2016 Barragens 31

Vertedouros e mongesELEMENTOS DE UMA BARRAGEM

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Barragens

As investigações geológicos – geotécnicas para a construção de uma barragem são realizadas em diversas etapas,

acompanhando a evolução gradativa do projeto. Essas investigações iniciam –se de maneira expedita observando o local,

com plantas topográficas, mapas geológicos e fotografias aéreas da região.

Investigações das

fundações

Materiais de

construção

Deve – se

investigar a

área do

reservatório

?


Eixo da barragem Região circundante

Barragens

Barragem de Vajont

Fo

nte

:http

://ww

w.la

nd

-man

.net/v

ajo

nt/v

ajo

nt.h

tml


Antes Depois

Barragens

A altura da onda de inundação atingiu uma altura estimada de 100m no lago, esta tabela mostra a altura

máxima estimada da onda causada pelo desmoronamento do Monte Toc.

Mortes de 1900 a 2500 pessoas

Destruição da cidade de Longarrone - Itália

Desmoronamento de mais de 200

milhões de metros cúbicos de terra e

rocha devido a ativação de uma falha

geológica, após o enchimento do

reservatório.

Barragem de VajontINVESTIGAÇÕES GEOLÓGICO - GEOTÉCNICAS

Barragens

Fo

nte

:http

://ww

w.la

nd

-man

.net/v

ajo

nt/v

ajo

nt.h

tml

Barragem de VajontINVESTIGAÇÕES GEOLÓGICO - GEOTÉCNICAS

Barragens

Fundação em rocha

Fundação em cascalho Fundação argilosaAs fundações em rocha possuem

alta capacidade de carga e

resistência à erosão e

percolação, desde que o maciço

rochoso não apresente falhas

O cascalho desde que

compactado suporta estruturas

de terra, de enrocamento,

porém pode ocorrer forte

percolação de água, exigindo

medidas de impermeabilização.

Sendo recomendado apenas

para barragem de terra, porém

podem surgir recalques

excessivos e até mesmo falta

de estabilidade da estrutura.

Investigações de fundaçãoINVESTIGAÇÕES GEOLÓGICO - GEOTÉCNICAS

Fundação em solo

O maciço de fundação , que será afetado pela construção da barragem, precisa ser investigado para

determinação de três parâmetros que afetam no desenvolvimento do projeto.

Resistência Permeabilidade Compressibilidade

Investigações de fundação

Barragens

São investigações realizadas:

a)Investigação de superfície

b)Sondagens de percussão

c)Poços e trincheiras de inspeção

d)Sondagens rotativas

e)Sondagens sísmicas

f) Ensaios de injetabilidade

g)Ensaios de laboratório


Investigação de superfície

Com a realização das investigações

de superfície podem ser obtidos

dados como a litologia de toda a

região, profundidade de

recobrimento, profundidade do

intemperismo, orientação e

continuidade juntas. Utiliza – se

mapas, cartas e a própria ida a

campo.

Sondagem a precursão

Realização de ensaios de SPT, avaliar a

resistência e deformabilidade do

terreno, além da possibilidade de

realização do ensaio de infiltração.

Barragens


Poços e trincheiras de inspeção

Estes elementos fornecem subsídios

para o projeto de escavação das

fundações, às vezes mais

importantes que os resultados dos

ensaios de laboratório realizados com

amostras indeformadas.

Sondagens Rotativas

São realizadas quando as

investigações devem ser realizadas

na camada “impenetrável”. Com

estas sondagens são obtidos a

classificação geológica da rocha,

número de fraturas, permeabilidade

da rocha.

São realizados quando há necessidade

de realizar a diminuição da

permeabilidade do maciço por meio de

injeções de cimento ou outros

preparados químicos. Para elaborar

esse plano de injeção são realizados

ensaios para se obter o grau de

injetabilidade da rocha e a redução de

permeabilidade que pode –se conseguir.

Esses ensaios são realizados em uma

área representativas ou em todo o eixo

da barregam.

Ensaios de Injetabilidade

Barragens

Ensaios de laboratório

São extraídos amostras indeformadas das trincheiras ou poços de inspeção, e estas são submetidas aos ensaios de

caracterização, tais como , limite de liquidez , limite de plasticidade, granulometria, massa especifica dos grãos e de

compactação Proctor normal.

São selecionados amostras representativas para a realização dos ensaios de resistência, permeabilidade e

compressibilidade. São realizados ensaios de compressão tri axial, dos tipos adensado – rápido, drenado, não

saturados e saturados.


Barragens

Materiais Terrosos Materiais Granulares

Investigações dos materiais de construçãoINVESTIGAÇÕES GEOLÓGICO - GEOTÉCNICAS

Ensaios de Caracterização

Sondagens

Ensaios de Compactação

Ensaios de Tri axiais

Ensaios de Permeabilidade

Ensaios de desagregabilidade

Análise petrográfica

Britagem

Seleção de jazidas para

reduzir o DMT. Quando

não houver

disponibilidade esta

deve estar prevista nos

estudos de viabilidade,

pois estas influenciam

diretamente na

construção do

empreendimento.

Barragens


As sondagens a trado são realizada em malhas espaçadas de 200 a 400 metros, utilizando um trado de 10 cm,

coletando – se amostras a cada 0,50 metros de profundidade, limitando a perfuração ao nível da água ou material

impenetrável.

Barragens

Aterros experimentais

Os aterros experimentais são desenvolvidos para sanar dúvidas em relação ao comportamento de

materiais durante a compactação. Os aterros experimentais são confeccionados com o material terroso ou

com o enrocamento dentro do local onde será o eixo da barragem. Este tipo de aterro normalmente é

executado na fase de projeto executivo, podendo assim testar novos equipamentos ou técnicas de

compactação. Através deste ensaio e por meio da confecção de diversas camadas podem ser construídas,

realizando variações na espessura das camadas, o numero de passadas , o tipo de equipamento de

compactação , os tipos de materiais , a umidade de compactação, entre outros.


O aterro experimental serve para:

• Escolha do tipo de equipamento de compactação

• Número de passadas do rolo compactador

• Seleção de áreas de empréstimos e de jazidas de rocha

• Espessura da camada lançada para a compactação

• Intervalos de umidade para a compactação

Barragens

Aterros experimentais PCH Pampeana


12/11/2016 Barragens 46

O primeiro tratamento da fundação já é definido quando o eixo da barragem e

consequentemente seu maciço são locados, quando não há alternativas , em um local que o

material da fundação é pouco resistente e de elevada compressibilidade

Existem diversas formas de tratamento , no entanto algumas já entraram em desuso como é

o caso da cortina de estaca-prancha, outras no entanto tendem a evoluir como foi o caso dos

diafragmas e outras continuam com seu método tradicional como é o caso da trincheira de

vedação e o tapete impermeável a montante. Outras não são muito comuns, no entanto

podem ser tidas como alternativas, como é o caso dos poços de alivio ou dos filtros

invertidos.

TRATAMENTO DE FUNDAÇÕES

Trincheira de Vedação Cortina de injeçãoParede diafragma Tapete impermeável

Fundações em solos Fundações em rocha

12/11/2016 Barragens 47

Massad (2011) “define a trincheira de vedação como uma escavação, feita no solo de fundação, que é preenchida como solo

compactado. É como se o aterro da barragem prolongasse para baixo, nas fundações”.

TRATAMENTO DE FUNDAÇÕES Trincheira de Vedação

12/11/2016 Barragens 48


As barragens de aterro construídas com a utilização de núcleo de terra , o tratamento da fundação inicia-se com a remoção

de materiais permeáveis , exclusivamente os locados na região do núcleo. Essa operação de retirada de material e

substituição por uma aterro compactado nas mesmas condições do núcleo, criando uma camada de solo denominada

trincheira de vedação ou “cut-off”.

12/11/2016 Barragens 49


D = 0,3 H

D < 35 m

No caso de existir uma

camada permeável muito

profunda, o custo do cut-off se

torna inviável. Para iniciar a

determinação da

profundidade D usa – se a

equação de D = 0,3H, limitado

ao valor de 35 metros.

Nestes casos, costuma-se

utilizar um cut-off parcial e se

for necessário associado a

outra forma de controle de

percolação pela fundação. O

valor da base “mínima” do cut

– off deve ser de no mínimo 3

metros para que se possa

compactar a camada inicial.Uma regra empírica utilizada para uma primeira indicação é adotar (Cruz, 1996):

b = H – D

Onde:

b – largura da base;

H – desnível de montante para jusante;

D – profundidade da trincheira.

12/11/2016 Barragens 50

Os tapetes impermeáveis a montante são uma excelente escolha, esta estrutura visa a impermeabilização ou controle da

percolação da água através da fundação construindo esta camada de material que é conectada ao núcleo impermeável da

barragem, além de um sistema de drenagem a jusante.

TRATAMENTO DE FUNDAÇÕES Tapete Impermeável

12/11/2016 Barragens 51

TRATAMENTO DE FUNDAÇÕES Tapete Impermeável

12/11/2016 Barragens 52

A cortina de injeção em maciços rochosos é constituída

na maioria das vezes é formado através de uma ou

mais linhas de furos, executadas no maciço rochoso,

por meio de equipamentos de perfuração e

posteriormente preenchido com material vedante,

normalmente calda de cimento. O processo de injeção é

feito com base nas investigações geológicas do maciço

obtidas na fase de investigação

TRATAMENTO DE FUNDAÇÕES Cortina de injeção

O maior problema da cortina injeta é a incerteza da

eficiência na redução do coeficiente de permeabilidade

pois esta é muito variável. Conforme experiências, esta

redução pode variar de 10 a 10.000 vezes. Assim, só

será sabido qual foi a eficiência da aplicação da cortina

injetada após a sua execução. A permeabilidade média

dos maciços injetados têm ficado em torno de 10-4 cm/s

(Cruz, 1996).

12/11/2016 Barragens 53

O método de execução do diafragma é o

mesmo utilizado para escavação

profunda, não ocorrendo rebaixamento

do lençol freático. Sabendo que a

utilização de materiais que tenham maior

rigidez na fundação, podendo assim

originar concentrações de tensões na

zona do aterro, devido a recalques

diferencias entre o diafragma e a

fundação, para evitar tal situação

observa-se que a utilização do

diafragma plástico será mais eficiente.

Existem duas formas de construção uma

utilizando painéis alternados ou

colocando os diafragmas em como se

fossem estacas justapostas, tal

configuração é dependente do tipo de

solo da fundação.

TRATAMENTO DE FUNDAÇÕES Parede diafragma

12/11/2016 Barragens 54

Os tipos de filtros são definidos através de sua posição , no caso os filtros verticais ou filtros em chaminé, e também os

filtros ( drenos) horizontais ou tapetes drenante, que formam o sistema vital de drenagem de uma barragem. Existem

também o que pode ser denominado como estruturas auxiliares conhecidas como dreno de pé e poços de alivio.

FILTROS

SISTEMA DE DRENAGEM

O sistema de drenagem interna constitui o elemento vital na segurança de uma barragem de terra e deve ser dimensionado de

modo a atingir os seguintes objetivos:

• Reduzir a poro pressão na área de jusante da barragem e portanto aumentar a estabilidade de jusante contra o

deslizamento;

• Controlar a percolação da água na face de jusante da barragem de tal modo que a água não carregue qualquer partícula do

maciço, isto é, que não se desenvolva o fenômeno de "piping";

12/11/2016 Barragens 55

O dreno de pé , assim como o tapete drenante, é uma estrutura auxiliar de drenagem, ele coleta a água percolada pelo filtro

chaminé e o tapete drenante, este dreno se estende de maneira longitudinal pelo pé a jusante da barragem, dessa forma

também surge sua denominação.

O dreno de pé reúne toda água captada pelo sistema de drenagem interna, pode-se visualizar a tubulação no corte

esquemático da figura, para lança-la no curso do rio novamente. Ocorrem duas configurações típicas de dreno de pé, a

primeira quando há agua represada após o barramento ou quando esta situação não ocorre

Quando não existe represamento a

jusante, o escoamento de água coletada

através do dreno de pé é realizado por

meio de um sistema de tubulações

conforme as variações topográficas,

quando ocorre a outra situação o dreno

é incorporado a uma seção de

enrocamento fazendo com que a água

retorne a curso do rio.

SISTEMA DE DRENAGEM Dreno de pé

12/11/2016 Barragens 56

SISTEMA DE DRENAGEM Dreno de pé

Recomenda-se que o dreno de pé penetre um pouco no terreno de fundação porque

o contato da barragem com a fundação é um caminho preferencial de erosão.

A tentativa inicial na escolha da posição do tapete drenante poderá ser a

recomendada por Creager, adotando um comprimento de 0,3 a 0,5 L, sendo L a

distância do eixo da barragem ao pé do talude de jusante.

Tapete

drenante

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SISTEMA DE DRENAGEM Filtro Chaminé

Este tipo de drenagem é constituído por um dreno vertical posicionado ligeiramente a jusante do eixo da barragem e

prolongado para jusante por um tapete drenante horizontal. Foi adotado pela primeira vez por Terzaghi para a barragem de

Vigário no Brasil (atualmente denominada Barragem Terzaghi); O filtro Victor de Mello é a solução mais completa

Filtro Victor de Mello

12/11/2016 Barragens 58

O filtro chaminé, possibilita uma maior

estabilidade do talude a jusante, o que

consequentemente possibilita numa inclinação

superior, reduzindo o volume de aterro. Para

construção é preferível que seja construído na

posição vertical , para facilitar sua locação

topográfica e a construção, junto as sucessivas

camadas de aterro do maciço da barragem.

SISTEMA DE DRENAGEM Filtro Chaminé

O tapete drenante, é uma estrutura auxiliar de

drenagem, este instrumento serve como defesa

adicional ao filtro chaminé, uma vez que é esta

estrutura que encaminha a água coleta no filtro

chaminé para o pé da barragem.

12/11/2016 Barragens 59

Os procedimentos tomados por Massad (2011) para dimensionamento dos filtros são os seguintes:

a) determina-se a quantidade de água ,vazão, a ser captada pelos filtros, com base no traçado de rede de fluxo, o que é

relativamente fácil, e em estimativas dos coeficientes de permeabilidade do maciço compactado e dos maciços da

fundação;

b) em função dos materiais granulares disponíveis, fixam-se os valores para os coeficientes de permeabilidade dos filtros e

calculam-se as espessuras, com base na Lei de Darcy, ou na equação de Dupuit;

c) verifica-se os matérias dos filtros e solos que os envolvem satisfazem o Critério de Filtro de Terzaghi, para se ter uma

garantia segura contra o piping.

SISTEMA DE DRENAGEM Filtro Chaminé Dimensionamento

O fenômeno do piping pode ser evitado pela introdução de filtros. Eles constituem zonas relativamente delgadas, o que exige

que sejam perfeitamente dimensionados geométrica e granulometricamente. A granulometria dos filtros deve atender a duas

exigências principais quanto a:

1) Erosão Interna: os vazios existentes nos filtros em contato com solos erodíveis devem ser suficientemente pequenos para

evitar que as partículas desses solos sejam carreadas através do filtro.

2) Permeabilidade: ss vazios existentes nos filtros, em contato com solos a serem protegidos, devem ser suficientemente

grandes para que a permeabilidade do filtro seja maior que a do o material protegido.

12/11/2016 Barragens 60


Onde F15 é o diâmetro da partícula do filtro para o qual 15% em peso do solo tem diâmetros inferiores a ele, e B85 é o

diâmetro da partícula do material de base, para o qual 85% em peso do solo tem diâmetros inferiores a ele.

5 485

15 aB

F

1ª Regra (Terzaghi, 1929 e Bertram, 1940):

Esta regra garante que os

filtros são substancialmente

mais permeáveis do que os

solos a proteger, geralmente,

da ordem de 10 a 20.

2ª Regra:

5 415

15 aB

F

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5050 25BF 1515 20BF

Recomenda-se escolher material de filtro com uma

curva granulométrica aproximadamente paralela à

curva do material a ser protegido.

3ª Regra (U.S. Army Corp of Engineers):

4ª Regra:

Os filtros não devem conter mais do que 5% de

material mais fino que 0,074mm (peneira #200) e

ainda devem ser isentos de partículas argilosas, a

fim de não serem coesivos.

5ª Regra:

Quando um tubo perfurado é colocado no interior do

filtro, as aberturas do tubo (f), devem ser pequenas

o bastante para evitar o piping.

285

F

Exemplo:

Na figura está representada a curva granulométrica

média de um solo onde será instalado um dreno, bem

como as curvas granulométricas de uma areia e um

pedregulho disponíveis para serem utilizados como

filtro. A drenagem será obtida por meio de tubos com

orifícios de 12,5mm ( ½’’).

Pede-se verificar a possibilidade de utilização da

areia no filtro e a eventual necessidade de projetar-

se mais uma camada no dreno (pedregulho).

12/11/2016 Barragens 62


Solo:

B15%=0.006mm

B50%=0.030mm

B85%=0.100mm

12/11/2016 Barragens 63


Areia:

F15%=0.08mm

F50%=0.30mm

F85%=1.00mm

12/11/2016 Barragens 64


Solo:

B15%=0.006mm

B50%=0.030mm

B85%=0.100mm

Areia:

F15%=0.08mm

F50%=0.30mm

F85%=1.00mm

Limite Inferior de F15%:

F15% = 0,080mm > 5B15% = 5 x 0,006mm = 0,030mm (2ª Regra)

Limite Superior de F15%:

F15% = 0,080mm < 5B85% = 5 x 0,100mm = 0,500mm (1ª Regra)


Adotar menor dos dois valores: F15% = 0,080mm < 0,120mm

0,030mm < F15% < 0,120mm

Limite Superior de F50%:


F50% < 0,750mm

Verificação das condições de utilização do tubo

de drenagem (5ª Regra):

Para que o filtro de areia possa estar em contato

com o tubo de drenagem, este deve ter o

diâmetro F85% satisfazendo a condição: F85% >

2 x ½’’ = 25,4mm, o que não ocorre (1,0mm).

Logo, deve-se interpor, entre o tubo e o filtro de

areia, uma camada de material mais grosso.

Verificação das condições-limite do Pedregulho

(F2):

A escolha da granulometria desse material deve

obedecer os mesmos critérios anteriores,

considerando a areia como material de base, ou

seja, o material a ser protegido

0,400mm < F15% < 1,600mm

F50% < 7,500mm

F85% = 40 mm > 25.4mm Tubo OK!

Pedregulho OK!

Areia OK!

12/11/2016 Barragens 65


Para aplicar os métodos racionais e experimentais da Mecânica dos Solos à análise da percolação através de drenos, devem

ser executados os seguintes procedimentos:

I. Identificação de todas as fontes possíveis de água que podem penetrar no dreno;

II. Consideração das condições hidráulicas no interior do dreno;

III. Elaboração de um projeto de dreno que garanta uma condutividade hidráulica suficiente para transportar as águas

captadas sob um gradiente aceitável.

qat = vazão

captada através do

maciço da

barragem

qf = vazão

captada

através da

fundação

q = vazão a

ser eliminada

pelo dreno

q = K i A

O dimensionamento do dreno deve ser feito de acordo

com a combinação mais favorável em termos

construtivos e mais econômica em termos de custo, da

área drenante (A) e do coeficiente de permeabilidade

(K):

a) Fixar o valor de i no interior dos drenos, pelos

processos aproximados como é usual, levando em

conta as exigências de estabilidade do talude de

jusante;

b) Verificar os materiais drenantes naturais

disponíveis, com seus respectivos coeficientes de

permeabilidade;

c) Calcular a área drenante A, com as diversas

combinações dos materiais drenantes.

12/11/2016 Barragens 66


Drenos aproximadamente verticais são dimensionados

com i = 1,0. Para drenos aproximadamente verticais, i2

pode ser tomado como h2/L2, o que é

aproximadamente igual a unidade.

222 AiKq 3

2

33

2L

hKq

Para dimensionamento de drenos horizontais, adota-

se, geralmente, valores de i da ordem de 0,005 a 0,15,

ou considerando a expressão deduzida da equação de

Darcy, admitindo-se o escoamento laminar:

12/11/2016 Barragens 67


Se a vazão a ser drenada é elevada, a utilização de um único material filtrante pode conduzir a espessuras de dreno

excessivas e anti-econômicas. Para aumentar a condutibilidade do dreno emprega-se o seguinte recurso:

Drenos de filtros graduados, consistindo de duas ou mais camadas de diferentes materiais, conhecidos pelo nome de

sanduíche. Cada camada sucessiva é escolhida de modo que satisfaça os critérios de filtro já expostos;

Uma redução sensível da espessura total de um dreno pode ser obtida pela adoção do dreno sanduíche, incorporando-se

uma camada de material altamente permeável ou tubo metálico perfurado. Nesse caso, as camadas externas de material

fino atuam como filtros de transição e a camada interna de material grosso atua como dreno propriamente dito.

Em muitos casos, a espessura mínima necessária não é fixada pelas exigências hidráulicas, mas sim pelas

imposições construtivas.

O método de dimensionamento hidráulico, pela aplicação da lei de Darcy ao fluxo pelo dreno, deve incorporar um fator de

segurança, que é obtido multiplicando-se a seção drenante, determinada pelos cálculos, por um fator que em geral varia de

10 a 100, dependendo da confiabilidade das hipóteses adotadas.Esses valores elevados são justificados pelo fato que as

incertezas relativas as permeabilidades variam na escala logarítmica

12/11/2016 Barragens 68

Largura de Filtros verticais

Para os filtros verticais, o fluxo é praticamente vertical , dessa

forma assume-se o gradiente( i ) igual a 1 , e lei de Darcy e

sabendo que Q é a vazão absorvida pelo e filtro 𝑘𝑓𝑣 é o seu

coeficiente de permeabilidade, e A representa a área, no caso (i·

B) , temos:

𝑸 = 𝒌𝒇𝒗 ∙ 𝒊 ∙ 𝑨

𝑸 = 𝒌𝒇𝒗 ∙ 𝟏 ∙ 𝑩 ∙ 𝟏

𝑸 = 𝒌𝒇𝒗 ∙ 𝑩

Sabendo que B é a largura do filtro, e que o gradiente (i) é um,

que determina a largura do filtro vertical:

𝑩 =𝑸

𝒌𝒇𝒗

Na prática os filtros verticais não são dimensionados, pois

a aplicação das formulas levariam a espessuras muito

pequenas, sendo assim adota-se como espessura mínima

construtiva 0,6 metros, mas normalmente varia de 1 a 2

metros


12/11/2016 Barragens 69


12/11/2016 Barragens 70

A segunda hipótese superestima a espessura do filtro, com

base na equação de Dupuit (MASSAD , 2003).Assim, o filtro

horizontal trabalha livremente , e os parâmetros utilizados

continuam os mesmo.

𝑄 =𝑘∙(ℎ1

2−𝑘22)

2∙𝐿( Equação de Dupuit)

Como h1 e h2 , serão iguais, adotamos 𝐻𝑓2:

𝑄 =𝑘 ∙ 𝐻𝑓

2

2 ∙ 𝐿Dessa forma o valor de H é obtido pela manipulação das

formulas, obtém-se a equação, que determina a largura do

filtro horizontal:

𝐻𝑓 =2 ∙ 𝑄 ∙ 𝐿

𝑘𝑓∙


Para que essa expectativa seja atendida deve-se construir um

filtro com a espessura igual ou superior ao nível d’água de

montante do filtro. Para saber qual será a possível altura de

montante no filtro, utiliza-se a formulação proposta por Kaufman

& Mansur, que é dada pela Equação

Onde:

Qp = vazão que chega no filtro(obtida da rede de fluxo);

KF = permeabilidade do filtro (obtido de ensaios com o material);

HM = Altura de montante;

HJ = Altura de jusante (nível d’água do rio a jusante);

L = Comprimento do dreno horizontal (obtido do projeto básico).

A utilização desta fórmula é relativamente simples, pois todos os

parâmetros são conhecidos, a exceção da altura de montante.

2L

HH K Q

2

J

2

M

Fp x

A altura considerada máxima para a construção do dreno horizontal é de 3 metros de altura. Contudo, em

determinados casos, a altura do nível d’água a montante pode exceder este limite. Para solucionar o problema, deve-se

optar pela construção de um filtro sanduíche, cuja permeabilidade é função da permeabilidade dos materiais que o

constituem, reduzindo, dessa forma, a espessura do dreno.

12/11/2016 Barragens 71

SISTEMA DE DRENAGEM Dimensionamento

KH

L A V1

v

Q

K

L A H11

H

QQFormulação disponibilizada por:

Prof. Romero César Gomes - Departamento de

Engenharia Civil /UFOP

FS 10

12/11/2016 Fluxo no Solo 72

REFERÊNCIAS

HACHICH, W. ET AL (ED.). FUNDAÇÕES, TEORIA E PRÁTICA. SÃO PAULO: PINI, 751P, 1998.

MASSAD, F. Escavações a céu aberto em solos tropicais. São Paulo, SP. Oficina de textos, 96p,2005.

MASSAD, F. Obras de terra – Curso básico de geotecnia . São Paulo, SP. Oficina de textos, 215p,2010

GERSCOVICH, D.M.S . Fluxo em solos saturados. Rio de Janeiro, RJ. Departamento de Estrutura e fundações.Faculdade de

Engenharia. Notas de Aula.169p, 2011.

GAIOTO. N. Introdução ao projeto de barragens de terra e de enrocamento. São Carlos, SP. EESC-USP. 126p. 2003.

http://www.dnocs.gov.br/~dnocs/doc/canais/barragens/

Barragens

Obrigado pela atenção.

Perguntas?

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