universidade do estado de mato grosso campus de...
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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.
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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
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Fonte
: Gaio
to,2
003
ELEMENTOS DE UMA BARRAGEM
Crista
Taludes Núcleo da barragem
Elementos de proteção
TERMINOLOGIA TÉCNICA
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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
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ELEMENTOS DE UMA BARRAGEM TERMINOLOGIA TÉCNICA
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.
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ELEMENTOS DE UMA BARRAGEM TERMINOLOGIA TÉCNICA
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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ELEMENTOS DE UMA BARRAGEM TERMINOLOGIA TÉCNICA
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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ELEMENTOS DE UMA BARRAGEM TERMINOLOGIA TÉCNICA
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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ELEMENTOS DE UMA BARRAGEM TERMINOLOGIA TÉCNICA
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;
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ELEMENTOS DE UMA BARRAGEM TERMINOLOGIA TÉCNICA
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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ELEMENTOS DE UMA BARRAGEM TERMINOLOGIA TÉCNICA
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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ELEMENTOS DE UMA BARRAGEM TERMINOLOGIA TÉCNICA
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;
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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
ELEMENTOS DE UMA BARRAGEM
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
ELEMENTOS DE UMA BARRAGEM
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
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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.
ELEMENTOS DE UMA BARRAGEM
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).
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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
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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
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Elementos de proteção
Rip - Rap Bermas de equilíbrio
ELEMENTOS DE UMA BARRAGEM
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Elementos de proteção
Bermas de equilíbrio
ELEMENTOS DE UMA BARRAGEM
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.
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Elementos de proteção
Rip - Rap
ELEMENTOS DE UMA BARRAGEM
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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Elementos de proteção
Rip - Rap
ELEMENTOS DE UMA BARRAGEM
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:
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
?
INVESTIGAÇÕES GEOLÓGICO - GEOTÉCNICAS
Eixo da barragem Região circundante
Barragens
Barragem de Vajont
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INVESTIGAÇÕES GEOLÓGICO - GEOTÉCNICAS
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
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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
Investigações de fundaçãoINVESTIGAÇÕES GEOLÓGICO - GEOTÉCNICAS
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
Investigações de fundaçãoINVESTIGAÇÕES GEOLÓGICO - GEOTÉCNICAS
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.
Investigações de fundaçãoINVESTIGAÇÕES GEOLÓGICO - GEOTÉCNICAS
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
Investigações dos materiais de construçãoINVESTIGAÇÕES GEOLÓGICO - GEOTÉCNICAS
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.
Investigações dos materiais de construçãoINVESTIGAÇÕES GEOLÓGICO - GEOTÉCNICAS
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
Investigações dos materiais de construçãoINVESTIGAÇÕES GEOLÓGICO - GEOTÉCNICAS
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
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”.
12/11/2016 Barragens 49
TRATAMENTO DE FUNDAÇÕES Trincheira de Vedação
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 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
12/11/2016 Barragens 57
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
SISTEMA DE DRENAGEM Filtro Chaminé Dimensionamento
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
12/11/2016 Barragens 61
SISTEMA DE DRENAGEM Filtro Chaminé Dimensionamento
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
SISTEMA DE DRENAGEM Filtro Chaminé Dimensionamento
Solo:
B15%=0.006mm
B50%=0.030mm
B85%=0.100mm
12/11/2016 Barragens 63
SISTEMA DE DRENAGEM Filtro Chaminé Dimensionamento
Areia:
F15%=0.08mm
F50%=0.30mm
F85%=1.00mm
12/11/2016 Barragens 64
SISTEMA DE DRENAGEM Filtro Chaminé Dimensionamento
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)
F15% = 0,080mm < 20B15% = 20 x 0,006mm = 0,120mm (3ª Regra)
Adotar menor dos dois valores: F15% = 0,080mm < 0,120mm
0,030mm < F15% < 0,120mm
Limite Superior de F50%:
F50% = 0,300mm < 25B50% = 25 x 0,03mm = 0,750mm (3ª Regra)
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
SISTEMA DE DRENAGEM Filtro Chaminé Dimensionamento
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
SISTEMA DE DRENAGEM Filtro Chaminé Dimensionamento
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
SISTEMA DE DRENAGEM Filtro Chaminé Dimensionamento
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
SISTEMA DE DRENAGEM Filtro Chaminé Dimensionamento
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∙
SISTEMA DE DRENAGEM Filtro Chaminé Dimensionamento
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/