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Aula 08 – Barragens – Elementos de uma barragem

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

2016/1

01/04/2016 Barragens 2

INTRODUÇÃO

DIMENSIONAMENTO DOS FILTROS

ELEMENTOS DE UMA BARRAGEM

TRATAMENTO DE FUNDAÇÕES


INTRODUÇÃO

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


ELEMENTOS DE UMA BARRAGEM

Crista

Borda Livre

Taludes

Núcleo da barragem

Elementos de Proteção

Vertedouro e monges

Fonte

: Gaio

to,2

003


ELEMENTOS

Fo

nte

: Go

og

le im

ag

en

s, 2

01

5

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. 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


ELEMENTOS 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


ELEMENTOS Borda Livre

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:

𝐹 = ∑𝑥𝑖𝑐𝑜𝑠𝛼/∑𝑐𝑜𝑠𝛼A equação 1 permite calcular o “fetch” efetivo , onde

temos α sendo igual ao ângulo entre a direção

considerada e a direção principal do vento e xi é a

extensão do reservatório na direção α . Os valores de α

são tomados a cada 3º, até 45º, em ambos os lados da

direção principal. Pode ser traduzido como alcance –

no caso alcance efetivo


ELEMENTOS Taludes

Barragem de Terra 1:2

Barragem de Enrocamento com Núcleo de

Terra 1:1,5 até 1:2

Barragem de Enrocamento com Face de

Concreto1:1,13 até 1:1,5

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

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.


ELEMENTOS Núcleo

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.

01/04/2016 Barragens 10

ELEMENTOS Núcleo

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.

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ELEMENTOS Elementos de proteção

Rip - Rap Bermas de equilíbrio

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ELEMENTOS Vertedouros e monges

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ELEMENTOS Vertedouros e monges

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Filtros e tratamentos de fundações!

ELEMENTOS

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Tratamento de fundações

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.

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Tratamento de fundações Trincheira de Vedação

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”.

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Tratamento de fundações Trincheira de Vedação

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”.

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Tratamento de fundações Cortina de injeção

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

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Tratamento de fundações Cortina de injeção

Este processo de tratamento quando executado de maneira incorreta pode causar mais

faturamentos ao maciço da fundação, devido a pressões excessivas dos líquidos.

A utilização de cortina de injeção também ocorre em aluviões permeáveis, utilizando

varias linhas de furos, porém para o calculo das pressões de injeção, os valores são

obtidos através do calculo de quantidade de injeção por metro cúbico de solo, devido o

solo possuir uma granulometria especifica e determinada porosidade

O uso desta técnica possui algumas dificuldades, como por exemplo, a dificuldade se

manter o furo de injeção aberto, diferente dos maciços rochosos que usam obturadores,

o furo em aluvião necessita de outra técnica de revestimento.

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Tratamento de fundações Parede diafragma

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.

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Tratamento de fundações Tapete impermeável

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.

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Sistema de drenagem

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

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Sistema de drenagem FILTROS

Filtro em chaminé ou Dreno vertical

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.

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Tapete Drenante ou dreno horizontal 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.

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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 extende 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 8.4, 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.

Dreno de pé

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Dreno de pé

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Dimensionamento dos filtros

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.

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O Critério de Filtro de Terzaghi proposto em 1922 , baseado em sua experiência profissional estabeleceu

relações entre os diâmetros d15 e d85 do material da base , com o diâmetro D15 , do material de filtro ,

expresso por duas inequações, que são denominadas , de relação de permeabilidade .

𝑫𝟏𝟓𝒅𝟏𝟓 >𝟒 𝒂 𝟓 𝑫𝟏𝟓

𝒅𝟖𝟓 >𝟒 𝒂 𝟓

Sherard et al ( apud GAIOTO, 2003) citam outras regras comumente utilizadas:

- a curva granulométrica do filtro deve apresentar, aproximadamente, a mesma forma da curva do solo

protegido.

- quando o solo for protegido conter uma grande porcentagem de pedregulhos , o filtro dever ser projetado

com base na curva granulométrica da porção do material que é mais fino que a peneira com abertura de

25,4 mm

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O traçado de uma rede de fluxo pode auxiliar na determinação da largura B dos filtros de

barragem, porém devido a existência de pequenas espessuras e as diferentes constantes

de permeabilidade , traçado utilizando este método pode se tornar trabalhoso.

Massad (2003) recomenda a utilização de métodos aproximados para determinação dos

filtros horizontais e verticais, porém também devem ser feitas duas observações

importantes:

1) ao aplicar as expressões que serão apresentadas , devem ser utilizados coeficientes de

segurança altos , na casa de 10 , pois os cálculos envolvem coeficientes de permeabilidades

, que são difíceis de estimar nos problemas práticos , principalmente em relação ao solos

naturais.

2) o filtro vertical trabalha com seu gradiente hidráulico na casa de 1 , o filtro horizontal faz

com que os gradientes sejam quase nulos , da ordem de B/L. Como a vazão é diretamente

proporcional ao gradiente , para ter a capacidade de descarga, o filtro horizontal deve

trabalhar com valores de permeabilidade altos, e assim deve se utilizar a técnica já citada,

denominada filtro sanduiche.

Determinação da largura dos filtros

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Dimensionamento dos filtros Determinação da largura dos filtros

Largura de Filtros verticaisPara 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 ∙ 𝑩Sabendo que B é a largura do filtro, e que o gradiente (i) é um, que determina a largura do

filtro vertical:

𝑩 =𝑸

𝒌𝒇𝒗

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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∙

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Largura de Filtros HorizontaisPara determinar a largura dos filtros horizontais em barragens de terra, existem duas hipóteses simplificadas, onde em uma

a espessura é subestimada e em outra a espessura é superestimada. Para os filtros horizontais os parâmetros envolvidos

são a vazão de água percolada Q, a largura L e a espessura denominada como Hf.

A hipótese que subestima a espessura, admiti que o filtro trabalhe em carga, utilizando toda a sua seção para o fluxo da

água, subestimando o Hf, aplicando a Lei de Darcy obtém-se:

𝑸 = 𝒌𝒇∙ ∙𝑯𝑭

𝑳∙ 𝑯𝒇

𝑸 = 𝒌𝒇∙𝑯𝒇𝟐

𝑳

𝑯𝒇𝟐 =

𝑸 ∙ 𝑳

𝒌𝒇∙

𝑯𝒇 =𝑸 ∙ 𝑳

𝒌𝒇∙

01/04/2016 Fluxo no Solo 33

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.

01/04/2016 Barragens 34

Obrigado pela atenção.

Perguntas?

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