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
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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
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ELEMENTOS DE UMA BARRAGEM
Crista
Borda Livre
Taludes
Núcleo da barragem
Elementos de Proteção
Vertedouro e monges
Fonte
: Gaio
to,2
003
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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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Sistema de drenagem FILTROS
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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Sistema de drenagem FILTROS
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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Sistema de drenagem FILTROS
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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Dimensionamento dos filtros
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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Dimensionamento dos filtros
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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Dimensionamento dos filtros Determinação da largura dos filtros
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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Dimensionamento dos filtros Determinação da largura dos filtros
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∙
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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?