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UNIVERSIDADE DE MOGI DAS CRUZES DANIEL BRANDÃO MENDES
BARRAGENS DE TERRA E ENROCAMENTO: ASPECTOS DE PROJETO E EXECUÇÃO
Aplicação à barragem do Reservatório de Água para Subestação Conversora de Energia de Ibiúna
Mogi das Cruzes, SP 2007
UNIVERSIDADE DE MOGI DAS CRUZES DANIEL BRANDÃO MENDES
BARRAGENS DE TERRA E ENROCAMENTO: ASPECTOS DE PROJETO E EXECUÇÃO
Aplicação à barragem do Reservatório de Água para Subestação Conversora de Energia de Ibiúna
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao curso de Engenharia Civil da Universidade de Mogi das Cruzes como parte dos requisitos para conclusão do curso.
Profº Orientador: Ms. Jairo Pereira de Araújo
Mogi das Cruzes, SP 2007
DANIEL BRANDÃO MENDES
BARRAGENS DE TERRA E ENROCAMENTO: ASPECTOS DE PROJETO E EXECUÇÃO Aplicação à barragem do Reservatório de Água para Subestação Conversora de Energia de Ibiúna
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao curso de Engenharia Civil da Universidade de Mogi das Cruzes como parte dos requisitos para conclusão do curso.
Aprovado em ...................................................
BANCA EXAMINADORA
____________________________________
____________________________________
____________________________________
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho a todos que me apoiaram nesta etapa da vida, mas em
especial, a minha mãe.
AGRADECIMENTO
Agradeço primeiramente aos meus pais, que construíram a base da minha
formação, entre outros ensinamentos, me passaram o que é respeito, dedicação e
humildade.
Aos meus gerentes, os engenheiros José Carlos Petrarolli e Luiz Antonio Prézia de
Araújo, que considero como grandes responsáveis pelo meu crescimento, tanto
profissional como pessoal.
Ao meu professor e orientador Jairo Pereira de Araújo, por quem tenho grande
admiração pelo seu conhecimento e profissionalismo.
E a todos que, direta ou indiretamente, me apoiaram para a conclusão deste curso.
RESUMO
“Barragens de Terra e Enrocamento: Aspectos de Projeto e Execução” é um trabalho
com temática da construção civil que reúne informações relacionadas a projeto e
construção de reservatórios, com ênfase na construção de barragens de terra e
enrocamento.
Foram apresentados fatores hidrológicos, geológicos e geotécnicos que influenciam
na concepção de um reservatório e aborda procedimentos quanto a sua execução,
desde a escolha do local até a construção de suas estruturas.
O trabalho tem o objetivo de mostrar que a construção de reservatórios, seja para
abastecimento de água ou geração de energia elétrica, é de suma importância para
o crescimento sustentável do país e apresenta ao final, proposta de aplicação
prática para o projeto de um reservatório em fase de implantação em Ibiúna.
Palavras-chave: barragem de terra, reservatórios
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Seção transversal da Barragem de Proserpina........................................14
Figura 2 – Seção transversal de uma barragem com núcleo de argila .....................16
Figura 3 – Seção transversal da barragem com placa de concreto ..........................17
Figura 4 – Seção transversal de uma barragem de terra homogênea ......................18
Figura 5 – Usina Hidrelétrica de Funil - Barragem de Concreto................................18
Figura 6 – Usina Hidrelétrica de Itaipu - Barramento de contraforte .........................19
Figura 7 – Seção típica de uma barragem ................................................................21
Figura 8 – Área para construção de um reservatório de água ..................................23
Figura 9 – Efeito das pressões de percolação ..........................................................29
Figura 10 – Aterro compactado para reservatório de água .......................................34
Figura 11 – Curva de compactação ..........................................................................35
Figura 12 – Curva de compactação para energias diferentes...................................36
Figura 13 – Curvas de compactação para solos diferentes ......................................36
Figura 14 – Causas de ruptura – Extravasamento....................................................41
Figura 15 – Causas de Ruptura - Infiltrações............................................................41
Figura 16 – Tipos de drenos utilizados......................................................................42
Figura 17 – Proteção contra o “piping” (cut-off).........................................................43
Figura 18 – Construção de vertedouro......................................................................44
Figura 19 – Perfil tipo Creager ..................................................................................45
Figura 20 – Vertedor com soleira espessa................................................................45
Figura 21 – Posicionamento preliminar do eixo da barragem na planta topográfica do IBGE..........................................................................................................................49
Figura 22 – Proteção talude de jusante.....................................................................66
Figura 23 – Acerto do tadule de montante ................................................................68
Figura 24 – Barragem de terra no Ribeirão Sarassará..............................................69
Figura 25 – Mapa do Estado de São Paulo – Localização do Empreendimento.......70
Figura 26 – Detalhe do Mapa do Estado de São Paulo - Localização do Empreendimento .......................................................................................................71
Figura 27 – Foto aérea da Subestação de Ibiúna .....................................................71
Figura 28 – Válvula de Tiristores...............................................................................73
Figura 29 – Gráfico Curva Cota-Área-Volume...........................................................77
Figura 30 – Precipitações - Anos 1984 até 2004.......................................................80
Figura 31 – Área de drenagem da bacia de contribuição..........................................83
Figura 32 – Arranjo geral das obras ..........................................................................88
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Identificação e classificação de materiais................................................26
Tabela 2 – Principais causas no rompimento de barragens......................................40
Tabela 3 – Inclinação dos Taludes............................................................................67
Tabela 4 – Consumo de água na Subestação de Ibiuna...........................................74
Tabela 5 – Calculo da área e volume........................................................................77
Tabela 6 – Precipitações - Anos 1984 até 2004........................................................79
LISTA DE SIGLAS
A.A.S.H.O. American Association of State Highway Officials
a.C antes de Cristo
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
CBDB Comitê Brasileiro de Barragens
CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente
d.C depois de Cristo
DER Departamento de Estradas de Rodagem
El. Elevação
ETA Estação de Tratamento de Água
GC Grau de Compactação
IBAMA Instituto Brasileiro do Meio Ambiente
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
ISO International Standardization Organization (Organização
Internacional para Padronização)
MW Megawatt
N.A. Nível de Água
NEPA National Enviormental Policy Act
RIMA Relatório de Impacto Ambiental
RN Referência de Nível
SPT Standard Penetration Test
USBR United States Department of the Interior – Bureau of
Reclamation
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO..................................................................................................13
1.1 Tipos de Barragens ................................................................................15
1.1.1 Barragem de Enrocamento..........................................................15
1.1.1.1 Barragem de Enrocamento com Núcleo de Argila ........16
1.1.1.2 Barragem de Enrocamento com Paramento de Concreto......................................................................................16
1.1.2 Barragem de Terra ......................................................................17
1.1.3 Barragem de Concreto.................................................................18
1.1.3.1 Barragem de Contraforte ..............................................19
1.2 Escolha do Tipo......................................................................................20
2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS...........................................................................21
2.1 Caracterização Geológica e Geotécnica do Terreno..............................21
2.2 Avaliação do Impacto Ambiental ............................................................22
2.3 Materiais Naturais de Construção ..........................................................24
2.4 Permeabilidade dos Solos......................................................................26
2.5 Estabilidade............................................................................................28
2.5.1 Verificação da Estabilidade de uma Barragem de Terra..............30
2.5.1.1 Estabilidade do Tipo Estática........................................30
2.5.1.2 Estabilidade do Tipo Interna .........................................31
2.6 Compactação .........................................................................................33
2.6.1 Curvas de Compactação .............................................................34
2.6.2 Ensaio de Compactação..............................................................37
2.7 Controle do Comportamento das Barragens (Instrumentação) ..............38
2.8 Causas de Ruptura das Barragens de Terra..........................................40
2.9 Estruturas de Extravazão - Vertedouro ..................................................43
2.10 Estruturas de Dissipação de Energia .....................................................46
3. ESTUDO PRELIMINAR E PROJETO BÁSICO ................................................48
3.1 Topografia ..............................................................................................49
3.2 Prospecções Geológicas........................................................................50
3.2.1 Investigações em Fundações ......................................................51
3.2.2 Jazidas de Materiais de Construção............................................52
4. PROCEDIMENTOS EXECUTIVOS ..................................................................55
4.1 Projeto Executivo ...................................................................................55
4.2 Locação Topografica..............................................................................55
4.3 Materiais de Empréstimo........................................................................56
4.3.1 Solos............................................................................................56
4.3.2 Cascalhos ....................................................................................57
4.4 Fundações..............................................................................................57
4.4.1 Detalhes Construtivos..................................................................59
4.5 Vedação do corpo da barragem.............................................................60
4.6 Vedação da fundação ............................................................................60
4.7 Ensaios ..................................................................................................62
4.8 Compactação .........................................................................................63
4.8.1 Proteção das Barragens ..............................................................65
4.9 Recalques ..............................................................................................66
4.10 Dimensões Básicas................................................................................67
5. APLICAÇÃO AO RESERVATÓRIO DA SUBESTAÇÃO DE IBIUNA................69
5.1 Objetivos da derivação de recursos hídricos..........................................69
5.2 Localização ............................................................................................70
5.3 Informações de Caráter Geral ................................................................72
5.3.1 Demanda de Água.......................................................................73
5.3.2 Descrição das instalações existentes e serviços a executar .......74
5.3.2.1 Instalações Existentes ..................................................74
5.3.2.2 Serviços a executar.......................................................75
5.4 Levantamentos e Estudos......................................................................76
5.4.1 Levantamento Topográfico ..........................................................76
5.4.2 Hidrológicos e Hidráulicos ...........................................................76
5.4.3 Determinação do Volume Útil do Reservatório ............................78
5.4.3.1 Volume disponível necessário ......................................78
5.4.3.2 Volume de precipitação nos meses mais secos ...........79
5.4.3.3 Volume evaporado nos 3 meses mais secos................81
5.4.3.4 Volume de infiltração pela fundação e dique ................82
5.4.3.5 Volume útil necessário para o reservatório ...................82
5.4.4 Determinação das Cotas do Reservatório ...................................83
5.5 Investigações Geotécnicas.....................................................................86
5.5.1 Materiais Naturais de Construção................................................86
5.5.2 Escavações .................................................................................87
5.6 Dimensionamento do Dique e Estruturas...............................................87
6. CONCLUSÃO ...................................................................................................89
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..................................................................90
13
1. INTRODUÇÃO
Barragem é definida como uma barreira artificial, construída em cursos de
água com objetivo de criar um lago artificial, armazenando água para diversas
finalidades, como: geração de energia, irrigação de áreas, abastecimento de água,
regularização de vazão, pesca e lazer. (FURNAS, 1993).
A construção de barragens é tão antiga quanto à história do homem e há
registros da construção de barragens em praticamente todas as culturas. No Século
XX, a prática de construir reservatórios cresceu significativamente.
As barragens foram desde sua origem, fundamentais ao desenvolvimento. A
sua construção devia-se, sobretudo à escassez de água no período seco e à
conseqüente necessidade de armazenamento de água, feito em barragens
executadas de forma empírica. No nível mundial, algumas das barragens mais
antigas de que há conhecimento situavam-se no Egito, Oriente Médio e Índia, onde
foram construídas barragens de aterro de perfil homogêneo com descarregadores de
cheias para evitar acidentes provocados pelo galgamento das barragens. Com a
Revolução Industrial, houve a necessidade de construir um crescente número de
barragens, o que permitiu o progressivo aperfeiçoamento das técnicas de projeto e
construção. (WIKIPÉDIA, 2007).
A figura 1 mostra uma sessão transversal da Barragem de Proserpina
construída entre o século 1 a.C. e o século 2 d.C. Originalmente, o reservatório
formava parte do sistema de abastecimento de água da Colônia Augusta Emérita e
está localizada na Espanha. Esta barragem consiste de dois muros de alvenaria de
granito com um núcleo interno de calicanto (concreto de calcário), tendo a jusante
uma barragem de terra de grande largura no trecho central da estrutura. A barragem
tem 21,6 m de altura máxima, comprimento de 427,8 m e fundação em granito.
(CRUZ, 1996).
14
Figura 1 – Seção transversal da Barragem de Proserpina Fonte: CRUZ, 1996
A implantação de um reservatório necessita preliminarmente a identificação
da necessidade da sua construção e o desenvolvimento de uma alternativa mais
viável, o que inclui a análise econômica, social, ambiental, hidrológica bem como os
aspectos construtivos necessários a sua implantação. (USBR, 1987).
As barragens são uma das estruturas mais notáveis já construídas pelo ser
humano. Isto se deve tanto pelos benefícios quanto aos danos que estas estruturas
podem causar ao meio, como enumerado a seguir:
• os graves danos que seu rompimento pode causar;
• alagamento de grandes áreas em função do reservatório;
• impacto na fauna e flora da região;
• crescimento do turismo nas cidades banhadas pelo reservatório;
• remanejamento da população da área a ser alagada;
• alteração do clima e microclima local.
O Brasil foi ativamente envolvido na construção de reservatório desde final do
século XIX. A primeira grande represa, açude de Cedro, foi iniciado como uma
medida de prevenção relacionada a uma seca severa ocorreu na região nordeste do
país. O projeto foi entregue em 1906 e ainda serve ao seu propósito junto com
outras grandes represas construídas para propensas secas da região. (CBDB,
2000).
Em se tratando de Usinas Hidrelétricas, a primeira construída para uso
público foi a Usina de Marmelos, inaugurada em 1889, no estado de Minas Gerais,
região Sudeste. Depois disto, a hidrelétrica progrediu em um passo lento que
alcançou 5.000 MW nos anos de 1950. Um desenvolvimento acelerado do potencial
hidroelétrico brasileiro começou nesta mesma década. (CBDB, 2000).
15
Esta intensa atividade em projetos de barragens e construção resultou em
uma significante experiência brasileira. Alcançamos reconhecimento internacional, o
qual é aproveitado na adaptação de projetos em regiões tropicais e em paises em
desenvolvimento. (CBDB, 2000).
1.1 TIPOS DE BARRAGENS
A escolha da concepção estrutural de uma barragem depende de uma análise
complexa de fatores, entre os quais se destacam a topografia e geologia da região,
finalidade do barramento1, aspectos técnicos e econômicos e impacto ambiental.
Podemos destacar dois tipos principais de barragens:
• Barragens de Aterro: podem ser de Terra ou Enrocamento;
• Barragens de Concreto: podem ser de Concreto Gravidade, em Arco ou
Contrafortes.
1.1.1 Barragem de Enrocamento
As barragens de enrocamento utilizam pedras de diferentes granulometrias
para proporcionar estabilidade e uma membrana impermeável para não permitir a
entrada de água. Esta membrana impermeável é construída na montante da
barragem e pode ser uma laje de concreto, solo impermeável, concreto asfáltico ou
construção de um núcleo impermeável no interior da barragem. (USBR, 1987).
Como os diques de terra, os barramentos de enrocamentos estão sujeitos a
danos ou destruição pelo transbordamento de água e assim, é necessário ter um
vertedouro de capacidade adequada para prevenir o extravasamento. Reservatórios
de enrocamento requerem fundações que não estarão sujeitas a acomodações
1 Barramento é todo maciço que intercepta um curso d’água, alterando suas condições de escoamento natural, formando reservatórios de água a montante, o qual tem finalidade única ou múltipla.
16
grandes o bastante para romper a camada impermeável. Sendo assim, as fundações
podem ser de pedra ou areia compactada e cascalho. (USBR, 1987).
As barragens de enrocamento são satisfatórias para locais onde há grande
disponibilidade de pedra ou para locais onde ocorrem prolongados períodos
chuvosos, o que torna inviável a construção das barragens de terra e quando o
custo de uma barragem de concreto seja muito alto. (USBR, 1987).
1.1.1.1 Barragem de Enrocamento com Núcleo de Argila
São as barragens com dois ou mais tipos de solos, em que os blocos de
rocha compactados (enrocamentos) são mais abundantes na seção transversal da
barragem, comparados com o núcleo impermeável. Este pode ocupar a parte
central, como ilustrado na figura 2, ou ser inclinado para montante. (FURNAS,1993).
Figura 2 – Seção transversal de uma barragem com núcleo de argila Fonte: FURNAS, 1993
1.1.1.2 Barragem de Enrocamento com Paramento de Concreto
É aquela em que a seção da barragem é toda em enrocamento compactado,
sendo que o elemento impermeabilizador é uma placa de concreto construída
apoiando-se sobre o talude de montante, conforme apresentado na figura 3.
(FURNAS, 1993).
17
Figura 3 – Seção transversal da barragem com placa de concreto Fonte: FURNAS, 1993
1.1.2 Barragem de Terra
É o tipo mais comum de barragem, principalmente porque sua construção
envolve o uso dos materiais das escavações da própria barragem e o uso de outros
disponíveis no local. Para grandes volumes de terra é necessário um local de
empréstimo. Este é um dos fatores positivos deste tipo de barragem, pois
proporciona uma boa redução econômica no custo final da barragem. (USBR, 1987).
As barragens de terra são aquelas em que toda ou quase toda a seção
transversal está construída por um mesmo material. Há sempre uma proteção com
blocos de rocha no talude de montante, conhecido como enrocamento, contra as
ondas provocadas pelos ventos na área do reservatório, conforme figura 4.
(FURNAS, 1993).
Para controlar o fluxo de água que atravessa a seção transversal constrói-se
um filtro vertical ou inclinado que intercepta essas linhas de fluxo. Conectado ao filtro
vertical há um filtro horizontal, normalmente todo apoiado na fundação, que também
capta as infiltrações nesta, encaminhando a água para um dreno localizado no “pé”
da barragem. (FURNAS, 1993).
18
Figura 4 – Seção transversal de uma barragem de terra homogênea
1.1.3 Barragem de Concreto
O uso do concreto na construção de barragens iniciou-se no final do século
XIX, motivado pela garantia de maior durabilidade oferecida pelo material. O sistema
é empregado tanto nas estruturas do circuito de geração quanto nos vertedouros. O
concreto daquela época tinha tecnologia pouco desenvolvida e as estruturas eram
construídas quase artesanalmente. (COMUNIDADE DA CONSTRUÇÃO, 2007).
A Figura 5 mostra a Usina Hidrelétrica de Funil com uma barragem do tipo
abóbada de concreto, única no Brasil e localizada no Estado do Rio de Janeiro.
Figura 5 – Usina Hidrelétrica de Funil - Barragem de Concreto Fonte: FURNAS, 2006
19
Estas barragens são apropriadas para os locais onde ocorre uma fundação
em rocha, podendo ser retas ou curvadas. Os reservatórios curvos oferecem mais
vantagens com relação ao custo e a segurança. Ocasionalmente a curvatura da
barragem permite localizar parte do reservatório em uma fundação mais forte, que
requer menos escavação. Barramentos em concreto também são utilizados como
vertedouro para barragens de terra e enrocamento. (USBR, 1987).
1.1.3.1 Barragem de Contraforte
As barragens de contraforte de concreto são constituídas de cobertura plana
e múltiplas estruturas em arco. Estes tipos de barragem requerem aproximadamente
60% a menos de concreto que uma barragem de concreto, mas por outro lado,
ocorre um aumento na mão-de-obra e um reforço em sua armação. Nos Estados
Unidos, várias represas de contraforte foram construídas nos 1930, quando a
relação entre os custos de mão-de-obra e material era comparativamente menor. O
custo deste tipo de construção normalmente não é competitivo com o custo de
outros tipos de reservatório quando custos de mão-de-obra forem altos. (USBR,
1987).
Figura 6 – Usina Hidrelétrica de Itaipu - Barramento de contraforte Fonte: COMUNIDADEDACONSTRUCAO, 2007
20
Os blocos de contraforte são elementos estruturais concebidos para que a
estabilidade seja garantida mais por sua forma geométrica do que pelo seu peso. A
figura 6 mostra esta concepção estrutural aplicada na usina de Itaipu.
1.2 ESCOLHA DO TIPO
A adoção de uma determinada seção é conseqüência dos estudos de
mecânica dos solos e rochas, aplicados com critério econômico na obtenção da
estrutura que melhor satisfaça as finalidades do projeto e cumpra os requisitos
mínimos de segurança. Depende também, da conveniência de construir uma
estrutura econômica e segura com os materiais encontrados na região da obra,
levando-se em conta também as condições geológicas e de fundação do local.
Portanto, não é possível antecipar soluções, sem conhecer as características da
rocha nas ombreiras e fundo do rio, as propriedades mecânicas dos materiais que
irão ser utilizados e seus volumes exploráveis, assim como, as condições
topográficas e sísmicas do local. (FURNAS, 1993)
Vale ressaltar que as barragens de terras são apropriadas para locais onde
haja disponibilidade de solo argiloso ou areno-siltoso/argiloso, onde, utilizando o solo
escavado para a construção da barragem evita-se a formação de bota-foras ou
empréstimo de material. (HRADILEK, 1993).
A escolha de uma seção transversal deve ser feita tendo-se em vista o
emprego de materiais disponíveis na sua função mais rentável, além, é claro, dos
demais condicionantes tais como forma do vale, natureza da fundação, seqüência
construtiva, entre tantos outros. (CRUZ, 1996).
21
2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS
A construção de uma barragem é constituída de diversas etapas dependentes
uma da outra. A Figura 7 apresenta a seção típica de uma barragem, onde aparece
a maioria dos termos que freqüentemente são utilizados na linguagem geotécnica.
Figura 7 – Seção típica de uma barragem Fonte: FURNAS, 1993
2.1 CARACTERIZAÇÃO GEOLÓGICA E GEOTÉCNICA DO TERRENO
A geologia e a geotecnia devem ser levada em consideração para escolha do
local da barragem, de modo a garantir uma escolha adequada e segura, sobretudo
quanto às fundações, ombreiras e encostas naturais nas vizinhanças das obras.
22
O aproveitamento dos materiais naturais em torno do local é necessário para
a construção das obras. De acordo com ELETROBRÁS (1985), deve-se implantar as
barragens de terra em localidades com grande disponibilidade de solo argiloso ou
areno-siltoso/argiloso.
Este assunto está apresentado com maior detalhe no Capítulo 3.
2.2 AVALIAÇÃO DO IMPACTO AMBIENTAL
A questão ambiental cada vez mais tem se tornado um aspecto importante da
sociedade. A consciência de que os recursos naturais são limitados e que o meio
ambiente não suporta indefinidamente a ação humana vêm lentamente se
consolidando.
O Estudo de Impacto Ambiental surgiu nos Estados Unidos em fins de 1969,
com a aprovação da “National Environmental Policy Act” (NEPA) e revelou-se um
dos mais valiosos instrumentos para a execução de política e gerenciamento
ambientais. Esta lei determina os objetivos e os princípios da política ambiental
americana e ordena que todas as propostas de legislação e ações e projetos de
responsabilidade do governo federal incluam uma declaração detalhada contendo o
impacto ambiental da ação proposta, os efeitos ambientais, as alternativas que
poderão ser seguidas, a relação entre os usos do meio ambiente a curto prazo e a
manutenção e a melhoria da sua produtividade a longo prazo. (SANTOS, 2006).
CONAMA (1986), em sua resolução nº 001, considera como impacto
ambiental, qualquer alteração das propriedades físicas, químicas e biológicas do
meio ambiente, causada por qualquer forma de matéria ou energia resultante das
atividades humanas que direta ou indiretamente afetam a população e o meio
ambiente.
A ISO 14001 define impacto ambiental como sendo: “qualquer modificação do
meio ambiente, adversa ou benéfica, que resulte, no todo ou em parte, das
atividades, produtos ou serviços de uma organização” (ABNT, 1996).
Embora este presente trabalho refira-se aos aspectos construtivos de um
reservatório, é indispensável que se tenha uma compreensão das implicações
23
trazidas pela realização do empreendimento sobre o meio ambiente. Na figura 8,
podemos ver o início dos serviços na área de um futuro reservatório.
Figura 8 – Área para construção de um reservatório de água Fonte: BADRA, 1982
CONAMA (1986), em seu Artigo 2, estabelece:
“Dependerá de elaboração de estudo de impacto ambiental e respectivo relatório
de impacto ambiental – RIMA, a serem submetidos à aprovação do órgão estadual
competente, e do IBAMA em caráter supletivo, o licenciamento de atividades
modificadoras do meio ambiente, tais como:”
“VII – Obras hidráulicas para exploração de recursos hídricos, tais como:
barragens para fins hidrelétricos, acima de 10 MW, de saneamento ou de
irrigação, abertura de canais para navegação, drenagem e irrigação, retificação de
cursos d’água, abertura de barras e embocaduras, transposição de bacias,
diques;”
O estudo de impacto ambiental deverá desenvolver um diagnóstico ambiental
relacionado ao meio físico, biológico e sócio-econômico, uma análise dos impactos
positivos e negativos, com uma definição das medidas mitigadoras dos impactos
negativos e elaboração de um programa de acompanhamento (CONAMA, 1986).
Segundo ELETROBRÁS (1985), um reservatório tem a possibilidade de ser
utilizado para fins múltiplos como: geração de energia, abastecimento de água,
24
irrigação de agricultura, piscicultura e pesca em geral, lazer entre outros. Alguns
itens deverão ser observados e relatados, como:
• Caracterização das áreas onde serão realizadas as obras de
construção das estruturas componentes e eventuais conseqüências
dessas obras;
• Situação das “áreas de empréstimos”, onde serão retirados materiais a
serem usados nas obras: localização dessas áreas e conseqüências
previstas da retirada desses materiais;
• Observação do uso do solo na área da bacia hidrográfica, em termos
de uso agrícola, pastagens e florestas, tendo em vista, principalmente,
a ocorrência de erosão que possa vir a provocar o assoreamento futuro
do reservatório. Recomenda-se verificar se o rio a ser barrado
transporta muito material em suspensão, especialmente após períodos
de chuva examinando alterações na coloração da água. Deverão ser
examinados também, os riscos de que a utilização intensa de
fertilizantes e defensivos agrícolas em áreas da bacia possa vir a
prejudicar a qualidade da água;
• Para preservação da qualidade da água, definir a necessidade de
proceder-se ao desmatamento e limpeza, totais ou parciais, da área a
ser inundada.
2.3 MATERIAIS NATURAIS DE CONSTRUÇÃO
Em princípio, toda obra de barragem de terra, deve ser construída com os
materiais naturais existentes em suas vizinhanças. Isto quer dizer que a escolha do
tipo de barragem deve ser justamente em função da disponibilidade destes
materiais, optando-se por um ou outro tipo de barragem, justamente em função
desta disponibilidade. (ELETROBRÁS, 1985).
As investigações destes materiais abrangem a pesquisa de solo para
construção das obras de terra, áreas para filtros e agregados, e rocha para
enrocamentos, transições e agregados de concreto.
25
Segundo ELETROBRÁS (1985), a pesquisa de solo para barragem deve
definir os materiais em qualidade e quantidade. No que dizem respeito à qualidade,
os solos deverão ser identificados e classificados de acordo com suas
características próprias e a quantidade, é obtida através do processo de cálculo de
volumes, que consiste na demarcação da área e na estimativa média das
profundidades exploráveis de solo.
Após determinadas às áreas de exploração e a espessura média das
camadas, calcula-se os volumes disponíveis para utilização, considerando sempre
que os volumes de exploração devem ser superiores aos volumes aplicados na obra.
Obtendo-se a certeza da disponibilidade de solo em qualidade e quantidades
adequadas para utilização, procede-se à definição da forma mais conveniente de
exploração através do emprego de equipamentos mecânicos, como tratores com
lâmina, pás carregadeiras, retroescavadeiras e outros (ELETROBRÁS, 1985).
A pesquisa de areia deverá ser realizada nos depósitos situados nas margens
e no leito dos cursos d'água existentes e nas proximidades dos locais de construção.
Em se tratando de pequenas barragens, deverão ser analisadas as areias dos
fornecedores locais.
Na ausência de fontes de materiais arenosos, pode ser usado como material
alternativo a areia artificial obtida como refugo de britagem. Entretanto, isto deve ser
avaliado economicamente, pois poderá dificultar a trabalhabilidade do concreto.
(ELETROBRÁS, 1985).
Cruz (1996), afirma que para grandes barragens os materiais de construção
devem ser pesquisados à exaustão, porque deverão ser considerados na avaliação
dos volumes de material não só para a barragem, mas também, para os
acampamentos, aterros, estradas, alojamentos, pátios de manobra e desvio do rio
entre outros. A falta de previsão de áreas de empréstimo de solo, pedreiras e
depósitos de areia podem comprometer seriamente um projeto. Não é raro
descobrir-se na metade da execução da obra que a quantidade de material é
insuficiente ou que as espessuras previstas de solo de empréstimo eram menores
do que o estimado.
Os Materiais para construção podem ser identificados e classificados de
acordo com as características gerais descritas na Tabela 1.
26
Tabela 1 – Identificação e classificação de materiais
Classificação dos Materiais
Identificação e Descrição Geral
Faixa Granulométrica
(mm) (ABNT)
Finalidade Construtiva
ARGILAS Contém partículas muito finas não distinguíveis a
olho nu, inclusive colóides.
menor que 0,005.
SILTES Constituídos por partículas finas não visíveis a olho nu 0,005-0,05
diques, barragens de terra e vedações.
AREIAS Grãos arredondados identificáveis a olho nu 0,05-4,8 Filtros, agregados
finos
CASCALHOS OU BRITAS
Materiais grosseiros de terraços ou leito de rios ou originários de pedreiras e,
de acordo com os tamanhos dos grãos,
dividem-se em: Cascalho ou brita 1 Cascalho ou brita 2 Cascalho ou brita 3
4,8 - 19 19 - 38 38 - 76
Transições entre filtros de areia e enrocamentos,
agregados grossos
ENROCAMENTOS Materiais de pedreiras com
dimensões avantajadas constituindo blocos
Maiores que 100
Abas de proteção do material terroso e concreto
Fonte: ELETROBRÁS, 1985
2.4 PERMEABILIDADE DOS SOLOS
Um dos fatores de grande importância no estudo das barragens de terra é o
problema das infiltrações através do corpo da barragem ou de suas fundações
(CAPUTO, 1987). As infiltrações, se não controladas, poderão comprometer a
estabilidade da obra.
Segundo Cruz (1996), toda Barragem requer uma zona de baixa
permeabilidade, normalmente denominada “vedação”. A sua finalidade é reduzir e
controlar o fluxo pelo corpo da barragem. A vedação deve ser também estendida à
fundação da barragem em todos os horizontes de permeabilidade elevada.
O fluxo de água através do corpo das barragens de terra é limitado
superiormente por uma linha de percolação, denominada linha de saturação ou
27
freática. Esta linha representa a condição limite para o traçado da rede de fluxo no
interior do maciço da barragem. (CAPUTO, 1987).
De acordo com Cruz (1996), em seu relato sobre 100 barragens brasileiras, o
dreno vertical de uma barragem deve ser levado até a cota do N.A. máximo de
montante, porque a linha freática registrada na maioria das barragens tem se
mostrado muito acima das previsões teóricas, mesmo considerando relações de
permeabilidade horizontal e vertical superiores a 10 e até 50 vezes. Somente em
barragens para controle de cheias, cujo nível de montante só permanece elevado
por curtos períodos de tempo, é que se pode reduzir a cota do topo do dreno
vertical.
A vazão que percola pelo núcleo de uma barragem é geralmente pequena, se
comparada com a vazão que escoa pela fundação, seja em solo ou em rocha. Para
permeabilidades médias de núcleos entre 10-5 e 10-6 cm/s e permeabilidades médias
de fundação entre 5 x 10-4 cm/s e 5 x 10-5 cm/s, a vazão pela fundação é pelo menos
duas vezes maior do que pela barragem. (CRUZ, 1996).
A solução adotada em algumas obras nas décadas de 50 e 60 de manter o
filtro horizontal suspenso, ou seja, dentro do maciço compactado, e não no contato
barragem/fundação, foi superada em projetos mais recentes, uma vez que sua
função principal é de servir de dreno para a fundação e só secundariamente
conduzir as águas do dreno vertical para jusante. (CRUZ, 1996).
Daí decorre que drenos verticais de areia são sempre mais do que suficientes
para o controle do fluxo pelo maciço da barragem, devendo os drenos horizontais,
entretanto, serem de maior espessura, podendo-se ainda recorrer ao recurso do
emprego de drenos de camadas múltiplas (dreno-sanduíche). Não deve surpreender
o fato de que piezômetros instalados em drenos horizontais só de areia registrem
uma carga piezométrica, necessária para criar um gradiente adequado à vazão da
fundação. (CRUZ, 1996).
Em barragens com aterros superiores a 20 ou 30 metros é recomendável
executar o dreno inclinado para reduzir problemas de “interface”. A superfície de
contato solo-dreno vertical torna-se uma superfície de baixa resistência devido as
tensões de tração que aí se estabelecem pela transferência de tensões, e por isso
deve ser evitada em barragens altas. (CRUZ, 1996).
Uma trincheira ou “dreno de pé”, associada a poços de alívio (ou de
drenagem), que atinja as camadas mais permeáveis da fundação, se executada
28
durante a construção, representa a solução mais econômica e segura para controle
efetivo do fluxo pelas fundações. Sempre que este tipo de solução seja deixado para
o período de enchimento, seu custo será maior e sua execução mais preocupante e
arriscada. (CRUZ, 1996).
2.5 ESTABILIDADE
Este item apresenta as verificações de estabilidade dos taludes do
reservatório, diante das condições de solicitação a que será submetido durante sua
vida útil. Segundo Caputo (1987), a análise da estabilidade da barragem de terra
compreende a investigação da estabilidade do corpo da barragem e do solo de
fundação.
Entende-se como tal que o coeficiente de segurança, frente a um
deslizamento parcial ou total que afete a barragem e/ou sua fundação, seja aceitável
sob forças que atuam de forma permanente, como o peso próprio, as forças de
filtração e a pressão intersticial da água. Este tipo de estabilidade está ligado
fundamentalmente com a resistência ao esforço cortante dos materiais que
compõem a barragem. (FURNAS, 1993).
No corpo da barragem, consideramos os problemas de recalques e de ruptura
de taludes, além das tensões cisalhantes que se desenvolvem na base do
terrapleno. (CAPUTO, 1987).
Quanto aos recalques torna se necessário uma criteriosa seleção dos
materiais, métodos modernos de compactação e cuidadosa execução para que seus
valores sejam reduzidos. Para evitar ruptura de taludes, dever-se levar em conta
também as condições de pressões neutras e forças de percolação que se
desenvolvem nas barragens, (CAPUTO, 1987).
Para o talude de montante, deverão ser consideradas duas situações: com o
reservatório cheio e após brusco esvaziamento e no que se refere ao talude de
jusante, deve-se atentar para os efeitos das pressões de percolação. A Figura 9
ilustra várias composições da força de percolação (fp) com peso específico
submerso (γsub), mostrando que essas pressões são desfavoráveis ao equilíbrio do
29
talude de jusante. Com isto, podemos apresentar a utilidade dos drenos, que,
interceptando as linhas de fluxo, orientam a saída da água. (CAPUTO, 1987)
Figura 9 – Efeito das pressões de percolação Fonte: CAPUTO, 1987
É evidente que a estabilidade da barragem de terra depende da natureza do
solo de fundação. Casos há em que se deverá levar em conta a possibilidade de
recalques excessivos ou até mesmo a ruptura da fundação (CAPUTO, 1987). Por
isso, temos a necessidade de possuir investigações geológicas ao longo da
barragem.
Nas análises de estabilidade deve-se considerar a estabilidade externa e
interna ou geral (barragem mais fundação). Sempre que nos espaldares o material
resistente forme um triângulo com base mínima sobre a fundação igual à 1H (H =
altura da barragem), a estabilidade do talude pode ser avaliada pro ábacos, uma vez
que, em principio, a massa de material envolvido é suficiente para garantir a
estabilidade do talude. (CRUZ, 1996).
Verificada a estabilidade externa, é necessário estabelecer todos os possíveis
mecanismos potenciais de ruptura e analisá-los um a um separadamente; rupturas
circulares, planares ou em uma combinação de superfícies devem ser pesquisadas.
Neste cálculo pode-se recorrer a programas de computação, tomando-se, no
entanto, o cuidado de verificar claramente as hipóteses de cálculo de cada caso. É
necessário ainda considerar os parâmetros de entrada e as curvas tensão-
deformação dos vários materiais envolvidos. (CRUZ, 1996).
30
2.5.1 Verificação da Estabilidade de uma Barragem d e Terra
A estabilidade de uma barragem de terra deve ser verificada sob três
condições:
• Estabilidade do Tipo Estática;
• Estabilidade do Tipo Interna;
• Estabilidade do Tipo Dinâmica.
2.5.1.1 Estabilidade do Tipo Estática
“O estudo de estabilidade estática é um problema clássico de deslizamento
de taludes e deve ser analisada nas seguintes fases:” (FURNAS, 1993).
• Final de Construção: à medida que as camadas de solos finos vão sendo
compactadas, a pressão total num determinado nível aumenta e
consequentemente as pressões intersticiais da água aumentam, devido à
compressibilidade e baixa permeabilidade, reduzindo as tensões efetivas
e como conseqüência à resistência ao cisalhamento.
Os parâmetros de resistência, normalmente são fornecidos pela envoltória
dos ensaios rápidos, não drenados em nível de tensões totais, ou se fazendo as
medidas de pressão intersticial, a nível de tensões efetivas. “A influência maior no
estudo de estabilidade é no talude de jusante, visto que normalmente é menos
suave que o de montante. A ruptura da barragem nesta fase é pouco freqüente.”
(FURNAS, 1993).
Geralmente, o coeficiente de segurança para essa fase é estabelecido como
1,3. Após o cálculo da estabilidade, se o coeficiente de segurança ficar abaixo desse
valor as soluções para resolver o problema seriam suavizar a declividade do talude,
diminuir o teor de umidade, construir a barragem por etapas, acelerar a consolidação
dos solos argilosos da fundação. (FURNAS, 1993).
31
• Período de Funcionamento: o estudo de estabilidade nesse período, onde
já estabeleceu-se o regime de fluxo permanente devido o reservatório
estar cheio, é realizado para os taludes de montante e jusante.
Analise-se a estabilidade do talude de jusante de uma barragem em
funcionamento considerando-se a rede de percolação. Neste caso, a análise é feita
com a envoltória de resistência de ensaios realizados sobre corpos de prova
saturados para a parte de montante, onde ocorre a percolação d’água e com a
envoltória de ensaios sobre corpos de prova não saturados para a região de jusante
não alcançada pela percolação d’água. (FURNAS, 1993).
Os parâmetros de resistência são fornecimento pela envoltória dos ensaios
pré-adensados, não drenados, com ou sem medida de pressões intersticiais ou
pelos ensaios pré-adensados, drenados, ambos os ensaios saturados ou não.
(FURNAS, 1993).
Analisa-se a estabilidade do talude de montante para o caso de um
rebaixamento do nível d’água do reservatório. Neste caso estabelece-se uma nova
rede de percolação d’água. Esta condição de estabilidade do talude de montante é a
mais crítica possível, e assim resulta quase sempre um talude de montante com
inclinação mais branda do que a de jusante. As rupturas são pouco catastróficas,
mas muito onerosas. (FURNAS, 1993).
Após o rebaixamento rápido, se a ruptura fosse rápida a envoltória a ser
empregada seria aquela obtida através dos ensaios consolidados rápidos saturados
e não drenados; se por outro lado a ruptura fosse lenta a envoltória de resistência
seria dos ensaios lentos saturados. (FURNAS, 1993).
Em todos os estudos de análise da estabilidade da barragem a verificação é
realizada comparando-se a resistência disponível nos materiais que compõem a
barragem com as solicitações atuantes na mesma.
2.5.1.2 Estabilidade do Tipo Interna
A eventualidade de uma fissuração, como primeiro passo do aparecimento do
fenômeno de piping ou o aparecimento desse fenômeno sem uma fissuração prévia
32
através da zona de impermeabilização de uma barragem, é um dos itens mais
importantes a serem estudados para garantir a estabilidade interna de uma
barragem de terra. (FURNAS, 1993).
Dois são os tipos fundamentais de fissuras: as longitudinais e as transversais.
As longitudinais podem aparecer no coroamento do núcleo, no contato
núcleo-filtros ou no interior da barragem.
No coroamento, as causas podem ser diversas, como: a deformação
instantânea ou diferida do corpo da barragem ou fundação, uma maior
deformabilidade dos espaldares ou recobrimento do núcleo argiloso em relação a
este último, colapso dos materiais do espaldar de montante quando do primeiro
enchimento. (FURNAS, 1993).
No interior da barragem, as fissuras longitudinais aparecem na parte inferior
dos núcleos inclinados quando a fundação é compressível, por fraturamento
hidráulico, ou seja, quando a tensão total vertical sobre planos horizontais é inferior
à pressão da água do reservatório. (FURNAS, 1993).
As fissuras transversais podem aparecer no coroamento, pouco depois de
concluída a construção ou nas primeiras etapas do enchimento do reservatório.
As causas mais importantes são as seguintes: colapso ou recalque da
fundação, recalques diferenciais entre a parte mais alta da barragem e a mais baixa,
mudanças abruptas na altura da barragem. (FURNAS, 1993).
A fissuração é o primeiro passo para o aparecimento do fenômeno do piping.
A erosão do núcleo ou do corpo da barragem por arraste dos materiais que o
compõe, para o exterior ou para o interior das zonas mais permeáveis dos
enrocamentos ou filtros é a causa do elevado número de acidentes. A seguir, são
apresentados as causas e tipos desse fenômeno: (FURNAS, 1993).
• Má compactação do núcleo;
• Existência de transições ou filtros inadequados para evitar o movimento
das partículas finas de solo do núcleo;
• Fraturamento hidráulico parcial ou total do núcleo;
• Presença de tubulações permanentes ou provisórias, não
adequadamente compactadas na zona de contato com os solos finos;
• Existência de fissuração no núcleo no contato com a fundação;
33
• Infiltrações de água pela rocha de fundação que possa arrastar o material
do núcleo em direção a zonas mais permeáveis da fundação
• Ruptura ou má execução da cortina de impermeabilização
As medidas para combater ou minimizar esse fenômeno de piping, tanto na
fase do projeto como durante a execução da barragem são as seguintes: (FURNAS,
1993).
• Projeto e execução de drenos e transições muito bem feitas. Deve-se
projetá-los de forma que em nenhuma circunstância a rede de percolação
aflore no paramento de jusante. Em barragens homogêneas deve-se
projetar um filtro vertical que chegue praticamente até a crista da
barragem;
• Projetar o núcleo de impermeabilização o mais largo possível;
• Se a fundação é rochosa, é preciso tratar qualquer fissura, sobretudo na
zona do núcleo, colocando uma camada de argamassa ou concreto.
2.6 COMPACTAÇÃO
A compactação do solo pode ser entendida como uma ação mecânica por
meio do qual se impõe ao solo uma redução do índice de vazios.
O objetivo da compactação do solo é melhorar suas características
mecânicas e hidráulicas, proporcionando um acréscimo da resistência e uma
redução da compressibilidade e da permeabilidade. (FURNAS, 1993).
A diferença entre a compactação e o adensamento é que neste a redução do
índice de vazios se dá pela expulsão da água intersticial, num processo natural ou
artificial que podem durar anos. Já na compactação a redução dos vazios ocorre
pela expulsão do ar dos poros, num processo artificial e de curta duração. (FURNAS,
1993).
Em processos mecânicos de compactação são utilizados soquetes
mecânicos, rolos estáticos e vibratórios, onde a energia é função da tensão aplicada
e do número de passadas do rolo sobre a camada. (FURNAS,1993).
34
Podemos ver na figura 10, os trabalhos de compactação para construção do
barramento do reservatório de água para Subestação Conversora de Energia de
Ibiúna.
Figura 10 – Aterro compactado para reservatório de água Fonte: BADRA, 1982
2.6.1 Curvas de Compactação
A primeira contribuição significativa ao estudo de compactação foi dada por
Ralph Proctor, em 1933. Ele descobriu a relação entre massa específica seca, teor
de umidade e energia de compactação. Assim, para uma dada energia, a massa
específica seca aumenta com o teor de umidade até um valor máximo, a partir do
qual passa a decrescer. A figura 11 apresenta a curva de compactação. (FURNAS,
1993).
35
Figura 11 – Curva de compactação Fonte: FURNAS, 1993
O teor de umidade correspondente à massa especifica máxima (γs máx)
denominado de teor de umidade ótimo (hot).
O fenômeno da compactação pode ser explicado pela influência da água
intersticial sobre o comportamento, principalmente, dos solos finos. No ramo seco da
curva de compactação (à esquerda do teor ótimo de umidade) tendo o solo baixo
teor de umidade, a água de seus vazios está sob o efeito capilar. As tensões de
capilaridade tendem a aglutinar o solo mediante a coesão aparente entre suas
partículas constituintes. Isto impede a sua desintegração e o movimento relativo das
partículas para um novo rearranjo. Este efeito é reduzido com a adição de água ao
solo, uma vez que ela destrói os efeitos da capilaridade, tornando este rearranjo
mais fácil. No ramo úmido da curva, o excesso de água fica livre absorve parte da
energia de compactação aplicada. Sendo a água incompressível, parte desta
energia é dissipada. (FURNAS, 1993).
Com energias de compactação maiores há uma redução do teor ótimo de
umidade e uma elevação do valor da massa especifica seca máxima. A Figura 12
mostra o efeito do aumento da energia de compactação. (FURNAS, 1993).
36
Figura 12 – Curva de compactação para energias diferentes Fonte: FURNAS, 1993
As curvas de compactação de materiais granulares bem graduadas possuem
um máximo bem caracterizado e apresentam maior massa especifica máxima e
menor teor ótimo de umidade do que os solos de granulometria uniforme ou
argilosos. Nestes, a curva não possui um máximo bem definido. Os solos siltosos
ocupam posição intermediária. A figura 13 ilustra este fato. (FURNAS, 1993).
Figura 13 – Curvas de compactação para solos diferentes Fonte: FURNAS, 1993
37
Eq. 2.1
2.6.2 Ensaio de Compactação
O ensaio de compactação proposto por Proctor foi normalizado pela
associação dos departamentos rodoviários americanos, A.A.S.H.O. (American
Association of State Highway Officials) e é conhecido como Ensaio de Proctor
Normal ou como A.A.S.H.O. Standard. No Brasil foi normalizado pela ABNT e é
conhecido como Ensaio Normal de Compactação. (FURNAS, 1993).
O ensaio consiste em compactar uma porção de solo em um cilindro de 1000
cm³ de volume, com um soquete de 2,5 kg, caindo em queda livre de uma altura de
30 cm. O solo é colocado dentro do cilindro, em três camadas. Sobre cada uma são
aplicados 25 golpes do soquete, distribuídos sobre a superfície do solo. Após a
compactação cada camada deve ser escarificada sendo que a terceira camada deve
estar rasante com as bordas do cilindro. (FURNAS, 1993).
A energia aplicada pelo ensaio de compactação é dada pela fórmula:
VHPNn
E...=
cilindro. do volume
soquete; do queda de altura
soquete; do peso
camada; cada a aplicados golpes de número
camadas; de número
volume; de unidade por solo, ao aplicada energia
:Onde
======
V
H
P
N
n
E
Com o aparecimento de equipamentos de compactação de grande porte,
tornou-se necessário alterar as condições de ensaio, para manter a correlação com
o esforço de compactação de campo. Foi, então, criado o ensaio de Proctor
Modificado ou AASHO Modificado. (FURNAS, 1993).
Neste ensaio a amostra é compactada no mesmo molde, em 5 camadas, com
25 golpes por camada, com um soquete de 4,5 kg caindo de uma altura de 45 cm.
Para a realização do ensaio deve-se tomar de 4 a 5 pontos com umidades diferentes
de forma a se ter pelo menos dois pontos com umidade abaixo da ótima prevista e
dois acima. O primeiro ponto deve ter umidade em torno de 5% abaixo da ótima. Os
38
demais pontos são obtidos acrescentando-se água para que cada um fique com
umidade em torno de 2% acima do ponto anterior. (FURNAS, 1993).
2.7 CONTROLE DO COMPORTAMENTO DAS BARRAGENS (INSTRUMENTAÇÃO)
Para evitarmos possíveis acidentes, é de extrema importância, que seja
controlado o comportamento da barragem durante e após sua construção. Assim é
que as barragens devem ser equipadas com dispositivos destinados à medida das
pressões neutras, à determinação da linha de saturação e à medida de recalques e
deslocamentos, através de piezômetros, medidores de nível d’água e medidores de
recalques. (CAPUTO, 1987).
O uso da Instrumentação só é justificável quando se procede a uma previsão
das grandezas a serem medidas, e dos valores considerados normais e de alerta
dessas grandezas. Em princípio, a análise da Instrumentação deve ser feita pelo
projetista da obra, uma vez que é ele quem melhor conhece as hipóteses formuladas
no projeto. (CRUZ, 1996).
Segundo Cruz (1996), a instrumentação visa avaliar o comportamento das
estruturas nas fases de construção, de enchimento do reservatório e de operação ao
longo de sua vida útil. Através da análise do comportamento da obra, as condições
de segurança devem ser reavaliadas. Os vários tipos de instrumentos podem ser
classificados, de acordo com os seus objetivos, nas classes a seguir:
• “Classe 1: Na fase de construção, realimentar o projeto com os valores
observados, visando à adequação do mesmo.
• Classe 2: Comparar os dados obtidos nas medições com os antecipados
por cálculos relativos a níveis piezométricos e vazões, deformações
totais e diferenciais, e estado de tensões.
• Classe 3: Ampliar o acervo tecnológico.”
Como critérios de projeto básico, devem ser previstos os seguintes
instrumentos. (CRUZ, 1996):
• “piezômetros no maciço compactado, instalados em níveis baixos para
verificação de pressões neutras construtivas, e em níveis elevados para
controle da linha freática após o enchimento;
39
• piezômetros no sistema de drenagem interna, para avaliação de
gradientes que se estabelecerão nos períodos de enchimento e
operação;
• piezômetros de fundação em solos porosos e em formações permeáveis,
para avaliação de perdas de carga resultantes dos sistemas de vedação
e drenagem, bem como da variação do estado de tensões provocada
pela implantação da barragem;
• medidores de recalques da fundação no caso de fundação em solos
porosos e de eventuais camadas aluvionares compressíveis, para
avaliação de deformações totais e diferenciais;
• medidores de recalques do maciço compactado, em vários níveis, os
quais visam a determinar a compressibilidade do maciço compactado em
função dos carregamentos;
• inclinômetros, no caso particular de barragens apoiadas em folhelhos,
e/ou materiais com tendências a deslocamentos horizontais
pronunciados;
• medidores de vazão nos drenos de saída, ou a jusante da barragem.”
As pressões neutras, das quais depende a resistência ao cisalhamento dos
solos e conseqüentemente a estabilidade do maciço, são medidas por meio de
piezômetros, que podem ser horizontais ou verticais. (CAPUTO, 1987).
A linha de saturação é determinada pelos medidores de nível d'água, que
podem ser simples tubos de 2" perfurados na parte inferior. (CAPUTO, 1987).
Os recalques são controlados pelos medidores de recalques, os quais, lidos
periodicamente, permitirão em qualquer tempo, quando for o caso, realizar correções
na sobrelevação da crista. (CAPUTO,1987).
Dos instrumentos normalmente utilizados para o controle da construção de
barragens sobre solos moles, os que dão melhor indicação quanto a possíveis
rupturas são os inclinômetros. Sempre que os deslocamentos horizontais indicarem
uma aceleração do movimento, bermas estabilizadoras devem ser construídas.
(CRUZ, 1996).
De modo geral, deve ser fixada a periodicidade de leitura de cada tipo de
instrumento e, no final do período de enchimento, estabelecidos quais instrumentos
podem ser desativados e quais aqueles que devem continuar a ser observados.
Devem ser previstos, ainda, instrumentos complementares. (CRUZ, 1996).
Adicionalmente, em função da topografia e/ou geometria de ombreiras
delgadas adjacentes à barragem, deverão ser previstos piezômetros e medidores de
40
N.A., e até medidores de deslocamentos, com a finalidade de tomar decisões sobre
obras complementares de estabilização de encostas naturais, submetidas a novas
condições de fluxo impostas pelo enchimento do reservatório. (CRUZ, 1996).
2.8 CAUSAS DE RUPTURA DAS BARRAGENS DE TERRA
As causas mais freqüentes de rupturas das barragens de terra são
ocasionadas pelo extravasamento, infiltrações e escorregamentos. As duas
primeiras, de origem "hidráulica", e a terceira, "estrutural" (CAPUTO, 1987).
Caputo (1987), diz que Middlebrooks, em seu trabalho datado de 1953,
investigou acidentes de 206 barragens nos Estados Unidos e chegou às seguintes
conclusões quanto às causas:
Tabela 2 – Principais causas no rompimento de barragens
Tipo Percentual
extravasamento 30%
infiltrações 25%
escorregamentos 15%
vazamentos de condutos 13%
falta de proteção dos taludes 5%
causas diversas e desconhecidas 12%
Fonte: CAPUTO, 1987
Definimos como extravasamento, ou seja, a passagem da água por cima da
crista da barragem, conforme figura 14, que pode ser evitado pelo correto
dimensionamento do vertedouro, que se destina exatamente a eliminar o excesso de
água do reservatório. (CAPUTO, 1987).
41
Figura 14 – Causas de ruptura – Extravasamento Fonte: CAPUTO, 1987
As infiltrações, através do corpo da barragem ou da sua fundação, podem
comprometer a estabilidade da obra se não forem tomadas precauções contra os
efeitos decorrentes das pressões de percolação. (CAPUTO, 1987).
Se as pressões de percolação tornam-se excessivas, pode-se dar o
carreamento de partículas finas do solo no ponto onde a água emergir no corpo da
barragem ou no terreno de fundação. Desse modo, vai-se formando, dentro da
barragem ou na sua fundação, um orifício cada vez maior e em forma de tubo
conforme apresentado na Figura 15. (CAPUTO, 1987).
Figura 15 – Causas de Ruptura - Infiltrações Fonte: CAPUTO, 1987
Para esse fenômeno denominamos de erosão tubular, erosão retrogressiva
ou piping, podendo seriamente comprometer à estabilidade da barragem, podendo
mesmo destruí-Ia completamente. Com a redução do caminho de percolação e
conseqüente aumento do gradiente hidráulico e, portanto, das pressões de
percolação, o processo de erosão é acelerado com o tempo (CAPUTO, 1987)
Em barragens cujo elemento de impermeabilização é argiloso ou quando
espera-se percolação através da fundação o sistema de drenagem interna é
42
essencial para a estabilidade da barragem. A finalidade é de captar e levar para
jusante todas as águas de infiltração pelo maciço compactado da barragem e pelas
suas fundações, protegendo-os contra o fenômeno do piping. (FURNAS, 2003).
Os solos granulares que compõem os sistemas de drenagem têm
granulometria suficientemente grossa para permitir que a água escoe livremente e
ao mesmo tempo granulometria suficientemente fina para impedir que as partículas
finas dos solos sejam carreadas para zonas mais permeáveis. (FURNAS, 2003).
Portanto, filtros ou drenos no interior do corpo da barragem ou na sua
fundação é feita para facilitar a saída da água e reduzir sua velocidade de infiltração.
Na Figura 16 apresentamos três tipos de drenos geralmente usados. (CAPUTO,
1987).
Figura 16 – Tipos de drenos utilizados Fonte: CAPUTO, 1987
Para proteção contra o piping através da fundação são recomendados o
emprego de um tapete impermeabilizante a montante, a construção de uma trin-
cheira de vedação (cut-off) ou a construção de poços de alívio, conforme figura 17. A
utilização simultânea dos três elementos, filtro, tapete e trincheira (cut-off),
asseguram, em geral, eficaz proteção da barragem contra os efeitos da percolação
(CAPUTO, 1987).
43
Figura 17 – Proteção contra o “piping” (cut-off) Fonte: CAPUTO, 1987
Conforme estudo de Middlebrooks, o escorregamento é causa de ruptura que
contribuiu com cerca de 15% dos acidentes de barragens. Os escorregamentos
podem ser dos taludes ou da fundação. Em um ou outro tipo de escorregamento, ele
ocorre sempre que as "tensões" de cisalhamento ultrapassam as "resistências" ao
cisalhamento do solo. (CAPUTO, 1987)
Em 1961, foi publicado um levantamento onde envolvia 1764 barragens, de
todos os tipos e com altura superior a 30 metros, revelando que os casos de ruptura
correspondiam a 1,8% do total, sendo que 40% eram atribuídos a deficiências de
fundações e 23% a deficiências de sangradouros. (CAPUTO, 1987)
2.9 ESTRUTURAS DE EXTRAVAZÃO - VERTEDOURO
São estruturas responsáveis pelo escoamento de vazões excedentes,
garantindo a manutenção do nível de água dentro de uma faixa preestabelecida.
(UEHARA E TAMADA, 1993).
Em pequenos açudes, normalmente são utilizados vertedores de superfície,
livre, ou seja, sem controle. Portanto, dá-se início ao escoamento, quando a água
atinge a crista do vertedor e deverá atingir a capacidade máxima quando atingir a
carga máxima. (UEHARA E TAMADA, 1993).
Na figura 18 podemos ver a construção de vertedouro para um reservatório
de abastecimento de água.
44
Figura 18 – Construção de vertedouro Fonte: BADRA, 1982
O vertedor deverá ser dimensionado para descarregar a vazão de projeto.
Sabe-se evidentemente que, quanto maior a vazão específica (vazão por unidade de
largura), maior será a energia que deverá ser dissipada no pé da estrutura e
consequentemente maior será a obra responsável pela dissipação de energia. Para
tornar mais fácil, o processo de dissipação de energia, pode-se optar pela redução
da vazão específica. Evidentemente, neste caso, a topografia local deverá favorecer
para se construir um vertedor de largura maior, compatível com a vazão específica
adotada. (UEHARA E TAMADA, 1993).
O dimensionamento do vertedor, de pequenas barragens, é calculado através
da fórmula:
VVV gHLHQ 2µ=
vertedor o sobre carga
vertedor do largura
vertedor do vazão de ecoeficient
total vazão
:Onde
===
=
V
V
H
L
Q
µ
ou a equação:
Eq. 2.2
45
gC
LHCQ
Q
VQV
2
:Onde
23
µ=
=
Os valores de µ é encontrado em função de geometria do perfil escolhido, e
do acabamento, podendo variar entre 0,32 < µ < 0,45. Caso seja adotado um perfil
do tipo Creager, conforme figura 19, o coeficiente de vazão deverá aproximar-se de
0,45. (UEHARA E TAMADA, 1993).
Figura 19 – Perfil tipo Creager Fonte: Uehara e Tamada, 1993
Para uma soleira espessa, esse coeficiente cairá para aproximadamente 0,35
conforme figura 20.
Figura 20 – Vertedor com soleira espessa Fonte: Uehara e Tamada, 1993
Eq. 2.3
46
E, para um perfil de geometria não definida ou mesmo uma soleira muito
longa o coeficiente µ poderá sofrer maior redução, podendo atingir 0,32. (UEHARA E
TAMADA, 1993).
Para definir o comprimento da soleira do vertedor é necessário a veiculação
da vazão de projeto após o amortecimento da onda de cheia pelo reservatório entre
os níveis normal e máximo. (UEHARA, 2006)
Em se tratando de pequenos açudes, é aconselhável fixar a carga sobre a
crista do vertedor, e calcular a largura L necessária. Isto significa adotar uma certa
vazão especifica. Como ordem de grandeza, recomenda-se adotar como carga
máxima sobre o vertedor, valor nunca superior a 1,0 m. (HV ≤ 1,0 m). (UEHARA E
TAMADA, 1993).
A adoção de HV reduzido, em determinados casos, podem resultar o
comprimento da crista significativamente grande, e consequentemente, obras de
jusante também consideravelmente grande. Nestes casos, dependendo da
topografia do local, a utilização de um vertedor associado a um canal lateral, poderá
se tornar uma solução mais adequada. (UEHARA E TAMADA, 1993).
2.10 ESTRUTURAS DE DISSIPAÇÃO DE ENERGIA
Conforme Uehara e Tamada (1993), uma barragem ou açude, por menor que
seja a sua altura, a água extravasada através do vertedor, chega ao pé da barragem
com velocidade significativa. A velocidade teórica da água, no pé da estrutura, pode
ser calculada através da equação:
gZVt 2=
queda de altura
teórica velocidade
:Onde
=
=
ZtV
Como dissipador de energia, podemos citar os seguintes tipos de estruturas:
• Bacia de dissipação por ressalto hidráulico
• Rampa com blocos de dissipação
• Caixas de dissipação por impacto
Eq. 2.4
47
• Canal em degraus
• Método de RAND (Queda Livre)
Por mais eficiente que seja um dissipador de energia, há necessidade da
proteção a jusante das estruturas de dissipação, que ainda é bastante turbulento,
gerando ondulações que podem erodir as margens próximas. Para evitar essas
erosões, sugere-se protegê-las por meio de enrocamento. (UEHARA E TAMADA,
1993).
48
3. ESTUDO PRELIMINAR E PROJETO BÁSICO
Podemos considerar o Estudo Preliminar e Projeto Básico como o início de
um empreendimento. Nestes estudos definimos informações sobre o curso d’água
estudado, sua bacia hidrográfica, localização, características de relevo e ocupação
do solo.
Cruz (1996) afirma que um projeto de viabilidade de um empreendimento
deve ter duração limitada a 1 ou no máximo 2 anos. É claro que, em se tratando de
estudos complexos que envolvem um conjunto de obra, esse prazo tem de ser
dilatado.
Conforme Uehara (2006), para projetos de Pequenas Barragens, os
levantamentos de campo iniciam com uma visita ao local, onde são definidos a
posição preliminar do eixo da barragem, os limites dos levantamentos topográficos e
cadastrais e o local para a implantação das referências de nível (R.N.).
Para escolha da posição mais provável para eixo da barragem, bem como as
informações iniciais do projeto, podem ser apresentadas nas condições topográficas
mostradas em cartas do IBGE e a localização aproximada das divisas e da infra-
estrutura da propriedade leva à escolha da posição mais provável para o eixo da
barragem. (UEHARA, 2006)
Uehara (2006) relata:
“após a definição preliminar da posição do eixo da barragem, deve-se efetuar os levantamentos topográficos e cadastrais da área que será inundada pelo reservatório, incluindo uma faixa de aproximadamente 100 metros para jusante do eixo previsto”.
Na figura 21, verificamos o posicionamento preliminar do eixo da barragem na
planta topográfica do IBGE.
49
Figura 21 – Posicionamento preliminar do eixo da barragem na planta topográfica do IBGE Fonte: UEHARA, 2006
3.1 TOPOGRAFIA
Considerações topográficas incluem a configuração da superfície do local do
lago, da área de reservatório e acessibilidade para o local e para materiais de
construção. Um fluxo estreito que flui entre paredes altas, rochosas indicaria
naturalmente uma barragem de enrocamento ou uma represa de transbordamento
de concreto. Por outro lado, terrenos com planícies indicariam uma barragem de
terra. Condições intermediárias poderiam indicar outras escolhas, como uma
estrutura composta. O ponto é que a topografia é a principal ferramenta para
escolha do tipo de represa. (USBR, 1987).
Segundo Uehara (2006), com o levantamento topográfico da área a ser
inundada e do local onde será implantado o maciço de terra permite que o projetista
defina:
• a cota da crista do barramento;
• o nível máximo do reservatório (para a enchente de projeto) e a
respectiva área inundada;
• a curva cota-área-volume característica do reservatório;
50
• o posicionamento, as cotas e dimensões de todas as estruturas
(maciço da barragem, vertedor de superfície e descarregador de
fundo);
• as interferências com coberturas vegetais e infra-estrutura do local.
Continua Uehara (1996), que como produtos finais da topografia deve-se
dispor de:
• plantas com curvas de nível de metro em metro (pelo menos);
• planta geral da área do reservatório nas escalas 1:5.000 ou 1:2.500,
para definição da curva cota-área-volume;
• planta na escala 1:500, para o posicionamento do maciço, das
estruturas do descarregador de fundo e do extravasor de superfície;
• desenhos na escala 1:250 e, se necessário, 1:100, para melhor
detalhar as dimensões e as formas das estruturas hidráulicas,
permitindo o traçado de cortes e perfis longitudinais.
3.2 PROSPECÇÕES GEOLÓGICAS
Sob o ponto de vista geotécnico, além dos estudos, investigações e ensaios
de rotina, é necessário ter clara a geologia estrutural da área, porque, em principio,
todo local para construção de uma barragem é geologicamente conturbado. A
descoberta de uma falha geológica na fase do projeto executivo necessita de
soluções e tratamentos de fundações não previstos na fase de projeto básico.
(CRUZ, 1996).
É recomendável que, além das tradicionais sondagens a percussão e
rotativas, sejam abertos trincheiras exploratórias, poços e galerias, para esclarecer
aspectos geológicos não detectados claramente pelos procedimentos usuais.
(CRUZ, 1996).
Um caso a ser citado é o da Barragem de Itaipu. Por razões de cronograma,
as investigações das feições desfavoráveis da fundação foram procedidas apenas
na margem direita. Os poços e galerias na margem esquerda puderam ser
executados somente quando a obra já estava em fase adiantada de construção,
registrando-se feições desfavoráveis na fundação, que exigiram a execução
51
somente quando a obra já estava em fase adiantada de construção, registrando-se
feições desfavoráveis na fundação, que exigiram a execução de um complexo
sistema de chavetas. (CRUZ, 1996).
Um estudo hidrogeológico das fundações é de primordial importância, mesmo
na fase de projeto básico, porque permite antecipar os tratamentos de fundação. As
feições permeáveis da fundação e a sua interligação com o futuro reservatório da
barragem precisam ser bem identificadas. (CRUZ, 1996).
Locais sujeitos a potenciais desmoronamentos ou que tenham tido quedas de
barreiras recentes não oferecem boas condições de suporte das obras e os locais
que vêm sofrendo desmatamentos intensos ou onde a vegetação é muito rala ou
inexistente, associados a encostas íngremes, podem sofrer, na época de chuvas
intensas ou prolongadas, um processo erosivo acentuado do terreno natural. O
reservatório formado pela barragem pode ficar, assim, sujeito a grande deposição de
material em pouco tempo, o que não é conveniente. Na escolha de um local para
implantação das obras deve-se sempre procurar um apoio firme para suas
fundações. Sempre que possível, deve-se analisar muito bem zonas onde existam
bancos de areia ou cascalho, pois eles são muito permeáveis, podendo ocasionar
fugas excessivas de água pela fundação. No local da barragem, rochas que
mostrem fraturas abertas no sentido do rio podem também trazer problemas de fuga
de água. (ELETROBRÁS, 1985).
As ocorrências de turfa ou argila preta orgânica, por serem muito pouco
resistentes e muito compressíveis, devem ser perfeitamente identificadas e
delimitadas para serem analisadas em projeto. Os solos destes terrenos não servem
nem para fundação e nem como material de construção (ELETROBRÁS, 1985).
3.2.1 Investigações em Fundações
FURNAS (1993), afirma que as investigações geológico-geotécnicas em
fundações têm por objetivo conhecer suas propriedades geomecânicas e
hidrogeotécnica, e indicarão os tipos de tratamento a serem executados, além de
52
subsidiar o projeto de escavação. As investigações podem ser executados por
métodos diretos e indiretos.
Os métodos diretos mais comuns utilizados são os seguintes: (FURNAS,
1993).
• Abertura de poços e trincheiras: permite a avaliação in situ das
camadas de materiais atravessados, com facilidades para extração de
amostras indeformadas, além do exame táctil-visual das paredes.
• Sondagens à Percussão: fornece através da cravação de um barrilete
amostrador o índice de resistência à penetração que indica o estado de
compacidade ou consistência das camadas de solos atravessadas, a
posição do nível d’água, além de permitir a classificação táctil-visual
destes solos, que posteriormente, poderão ser ensaiados em
laboratórios.
• Sondagens Rotativas: executadas simultaneamente com ensaios de
perda d’água possibilitarão a definição do modelo hidrogeotécnico.
Com a extração de testemunho permite-se identificar o tipo de rocha e
determinar seu grau de sanidade, coerência e fraturamento. Dos
testemunhos podem-se confeccionar corpos de prova para submetê-
los a ensaios de determinação da resistência mecânica e
deformabilidade.
Os métodos indiretos ou geofísicos mais utilizados são os sísmicos e os
elétricos.
3.2.2 Jazidas de Materiais de Construção
Os materiais de construção que deverão ser investigados são os solos
argilosos, areias, cascalhos, pedras entre outros.
Os solos argilosos são finos e apresentam coesão e plasticidade. São
utilizados na zona de impermeabilização ou núcleo da barragem. As jazidas desses
solos serão pesquisadas nos seus aspectos qualitativos e quantitativos. (FURNAS,
1993).
53
Após a delimitação topográfica da área, define-se uma malha de 100 x 100
metros, nos vértices das quais realiza-se sondagens a trado ou poços manuais que
atravessam todas as camadas de solo, até o impenetrável ou de interesse. É
importantíssimo a verificação da existência do nível d’água e sua determinação.
(FURNAS, 1993).
Através dessas sondagens são coletadas amostras deformadas, de metro em
metro ou quando há mudança de material, e através de um exame táctil-visual
identifica-se o tipo de solo, quanto a sua textura, cor, plasticidade e gênese. As
amostras coletadas são armazenadas, identificadas e dentro do possível determina-
se a umidade natural dos solos extraídos. (FURNAS, 1993).
Em seguida, essas amostras são levadas para o laboratório e submetidas a
ensaios de caracterização e compactação. Nessas jazidas são definidas áreas
representativas dos solos que compõem a área, e abertos poços manuais ou
trincheiras onde se coletam amostras deformadas para ensaios geotécnicos
especiais e blocos indeformados para determinação da massa específica aparente
natural com seu respectivo teor de umidade. (FURNAS, 1993).
Após a definição dos solos utilizáveis, quantifica-se o volume a ser explorado.
Ressalta-se que além dos aspectos geotécnicos deve se observar outros dois: o
econômico, ou seja, a distância de transporte da jazida à barragem e sua elevação
topográfica em relação à elevação da barragem, e o ecológico, ou seja, os impactos
ambientais proporcionados pelo desmatamento e escavação das áreas escolhendo-
se, sempre que possíveis jazidas localizadas a montante, dentro da área do futuro
reservatório. (FURNAS, 1993).
Areias e cascalhos são materiais utilizados em zonas de filtros e transições,
normalmente encontrados no leito do rio em bancos submersos ou não. Os
cascalhos, quando de terraço, possuem solos finos misturados a ele, que lhes
confere plasticidade, coesão e permeabilidade que possibilita seu uso até em zona
de núcleo. (FURNAS, 1993).
As investigações desses materiais granulares, quando submersos, é difícil e
trabalhosa, sobretudo a amostragem. Após a delimitação da área, utilizam-se
varejões para determinação da espessura do depósito e consequentemente uma
avaliação do volume, que será melhor definido após a amostragem. A amostragem
desses materiais são feitas utilizando-se bombas-balde ou amostradores especiais
54
cravados a percussão, com diâmetro suficiente, compatível com a máxima dimensão
dos materiais do depósito. (FURNAS, 1993).
Essas amostragens devem ser feitas tomando-se o cuidado de evitar perda
dos finos, e as amostras coletadas serão ensaiadas para determinação de suas
características granulométricas, permeabilidade e índice de vazios máximo e mínimo
para as areias. Deve-se observar também as condições de exploração e as
necessidades de beneficiamento por lavagem e/ou peneiramento. (FURNAS, 1993).
Pedreiras fornecerão os blocos de rocha a serem utilizados nas zonas dos
espaldares de enrocamento, rip-rap, drenos de pé, pré-ensecadeiras entre outros.
No caso das escavações obrigatórias em rocha para a implantação das estruturas
de concreto, canais e obras de desvio, não fornecerem volumes suficientes, será
necessário investigar pedreiras. (FURNAS, 1993).
Essas investigações deverão incluir, além das sondagens rotativas, a
caracterização do capeamento, ou seja, espessura e caracterização geotécnica dos
solos removidos, pois dependendo da espessura, pode-se utilizar esses solos como
material de construção. Os testemunhos de rocha extraídos das sondagens rotativas
fornecerão informações sobre o grau de sanidade, coerência e fraturamento, e
também serão analisadas as características físicas e químicas da rocha, sobretudo
quanto ao aspecto de desgregabilidade. (FURNAS, 1993).
55
4. PROCEDIMENTOS EXECUTIVOS
O local onde será construída a barragem deverá possuir características
básicas, como, estabilidade e confiabilidade das fundações sob as barragens e a
construção sendo feita no local mais estreito do rio, possibilita assim a diminuição
dos materiais de construção
4.1 PROJETO EXECUTIVO
A fase de projeto executivo deve se estender por todo o período de
construção da barragem e mesmo durante o período de monitoração e
acompanhamento do desempenho da obra, compreendendo os primeiros anos de
sua operação. É necessária, durante esse período, a presença de um projetista
atuante. (CRUZ, 1996).
Nesta fase cabe o detalhamento das soluções preconizadas, a confirmação
de sua exeqüibilidade, e a observação dos dados de monitoração que devem
realimentar as hipóteses de comportamento antecipadas na fase do projeto básico.
(CRUZ, 1996).
4.2 LOCAÇÃO TOPOGRAFICA
Além da materialização de R.N.s específicos para o empreendimento, em
local protegido, sempre que possível deve-se proceder à amarração dos mesmos a
R.N.s oficiais, cotas e coordenadas. Dessa forma, torna-se possível em qualquer
momento a recuperação dos levantamentos topográficos para uma eventual
relocação da obra. É comum, com o passar dos anos, os marcos implantados para a
elaboração do projeto serem destruídos. (UEHARA, 2006).
56
4.3 MATERIAIS DE EMPRÉSTIMO
Durante a fase de estudos preliminares e projeto básico, determinamos
através da sondagem, o tipo e a qualidade dos materiais de empréstimo próximo a
construção do maciço.
A média das profundidades atingidas em cada sondagem, multiplicada pela
superfície determinada da ocorrência, fornecerá o volume disponível de material.
Convêm observar que, durante a pesquisa de materiais arenosos, estes depósitos
podem apresentar misturas com outras frações, como argilas e materiais orgânicos,
acarretando uma exploração difícil e antieconômica. Nestes casos, o custo do metro
cúbico de uma jazida em exploração comercial nos arredores pode tornar-se
vantajoso, comparado com as dificuldades de exploração numa jazida na área da
obra. (ELETROBRÁS, 1985).
4.3.1 Solos
A partir da década de 60, evoluiu-se para usar qualquer material de
empréstimo proveniente de um perfil de intemperismo, com limitações apenas a
solos com excesso de mica. Esta atitude permitiu economias significativas de custo
e viabilizar a construção de duas grandes barragens como a de Paraibuna e
Paraitinga. (CRUZ, 1996).
Solos dispersivos, de ocorrências mais freqüentes na Região Nordeste do
Brasil (clima quente, semi-árido), quando usados na construção de barragens,
requerem filtros efetivos. O melhor filtro para um solo dispersivo é um outro solo não
dispersivo. (CRUZ, 1996).
A maioria das barragens brasileiras construídas com solos de empréstimo de
ombreiras ou de áreas elevadas, que em geral são colúvios e solos residuais, não
tem mostrado a ocorrência de pressões neutras construtivas. Já no caso do
emprego de solos de “baixada”, em geral sedimentares, mesmo que a compactação
57
seja procedida próximo da umidade ótima, podem ocorrer pressões neutras
construtivas. (CRUZ, 1996).
4.3.2 Cascalhos
Cascalhos são materiais resistentes, pouco compressíveis, e facilmente
trabalháveis quando provenientes de empréstimos não saturados. Quando retirados
do leito do rio, podem requerer estocagem intermediária para secagem, porque a
presença de uma fina película argilosa que os envolve reduz significativamente o
atrito grão a grão, a ponto de não dar suporte mesmo a um trator de esteiras.
(CRUZ, 1996).
O emprego de cascalho no núcleo de barragens, como material vedante,
requer atenção especial, por conter em geral uma granulometria descontínua, na
qual a fração grossa não é filtro da fração fina. O carreamento da fração fina pelos
macrovazios da fração grosseira ocorre sempre que a porcentagem de finos for
insuficiente para preencher todos os macrovazios. (CRUZ, 1996).
4.4 FUNDAÇÕES
A geologia de fundação a um projeto apresenta sempre o tipo de barragem
satisfatória para determinado local. A pressão, espessura, inclinação dos taludes,
permeabilidade são algumas considerações importantes quando selecionamos o tipo
de barragem que a fundação irá suportar. (USBR, 1987).
Solos residuais saturados em fundação de barragens podem causar
problemas executivos, se no processo de escavação o equipamento utilizado
trafegar sobre o solo saturado. O tráfego de equipamento pesados causa o
“amolgamento” do solo, levando o mesmo a uma condição de fluido denso. Se não
forem tomados cuidados especiais, a escavação não terminará antes que seja
escavada toda a camada e, com a concentração do fluxo, o problema tende a se
agravar em profundidade. Tais escavações devem ser feitas com retroescavadeiras
58
ou outro equipamento apoiado em cotas mais altas, ou num “forro” de areia seca que
tenha a necessária capacidade de suporte das escavadeiras. (CRUZ, 1996).
Em projetos de barragens em solos moles (argilas orgânicas e turfas), deve-
se separar o corpo da barragem das bermas. O corpo da barragem com taludes
médios de 2(H):1(V) deve ter os seus sistemas de vedação e drenagem e os
requisitos de construção fixados como em qualquer barragem. Os taludes médios,
considerando a barragem mais as bermas, têm variado de 4(H):1(V) até 8(H):1(V).
Se todo o maciço for considerado como barragem os requisitos quanto aos materiais
de construção, drenos horizontais e proteção de taludes tornarão a obra
desnecessariamente cara. (CRUZ, 1996).
As bermas de equilíbrio terão apenas função de peso e devem ser
construídas apenas com tráfego de equipamentos. Podem ficar apoiadas sobre a
vegetação local, à exceção de arbustos e árvores que devem ser removidos. (CRUZ,
1996).
Devem também ser executadas de “fora para dentro”, com o objetivo de
confinar a fundação nos trechos de maior altura, tanto das bermas como da
barragem. Saídas periódicas do sistema de drenagem da barragem devem ser
executadas nas bermas de jusante e na mesma elevação do dreno horizontal.
(CRUZ, 1996)
Toda fundação em areias deve ser verificada quanto ao seu potencial de
liquefação, mesmo em condições de carregamento estático, ou seja, em áreas não
sísmicas. A execução de diafragmas plásticos ou “paredes” de concreto só será
efetiva se a rocha subjacente for impermeável ou se o tratamento penetrar de 1 a 2
m em camadas de baixa permeabilidade, ou seja, com coeficiente k pelo menos 10 a
100 vezes menos do que o k da areia. Soluções de drenagem e convivência co
fluxos mais elevados pelas fundações têm sido adotadas. (CRUZ, 1996).
Feições reliquiares podem permanecer em solos saprolíticos, saprolitos e
maciços rochosos, conduzindo à diferenciação da resistência ao cisalhamento ao
longo dos acamamentos, foliações e xistosidades. Em casos particulares, essas
diferenciações devem ser consideradas em estudo de estabilidade. Condicionantes
estruturais relacionados ao alívio de tensões podem resultar em feições de franca
permeabilidade nas fundações, que venham a exigir tratamentos especiais (CRUZ,
1996).
59
4.4.1 Detalhes Construtivos
Segundo ELETROBRÁS (1985), para preparo da fundação e das ombreiras, a
área que estará situada sob a barragem deve ser limpa, incluindo o desmatamento,
o destocamento e a remoção da terra vegetal até a profundidade que for necessária
em relação à superfície do terreno natural. A área a ser limpa deve ter uma largura
igual à base da seção transversal da barragem, mais 3,0 metros para montante e
para jusante. O material removido da operação de limpeza deverá ser transportado
para locais fora da área das obras ou do futuro reservatório.
No caso de fundação rochosa, após a remoção dos blocos soltos, a limpeza
deverá ser feita com jatos de ar e de água sob pressão, para remoção de todo o
material solto à superfície. Se ocorrerem fissuras ou fraturas na superfície rochosa,
as mesmas deverão ser vedadas com calda de cimento. Preenchimento com
concreto poderá ser feito quando ocorrerem irregularidades na superfície da rocha,
tais como: fendas, pequenas depressões localizadas e taludes negativos.
Opcionalmente, no caso de ocorrência de talude negativo, poder-se-á proceder ao
seu tratamento apenas por quebra das extremidades, visando o seu abrandamento.
Antes do lançamento da primeira camada de terra sobre a fundação rochosa, deve-
se umedecer a superfície para possibilitar melhor aderência. (ELETROBRÁS, 1985).
ELETROBRÁS (1985) afirma, que no caso de fundação em materiais
terrosos, após a limpeza, o terreno deverá ser regularizado e compactado com trator
de esteiras, trator de pneus ou caminhões, devendo ser dadas no mínimo dez
passadas por toda a área de fundação e ombreiras.
Após a limpeza e preparada à fundação, caso se verifique a existência de
algum olho d’água, devido a infiltrações pela fundação, este deverá ser
convenientemente tratado da seguinte maneira: (ELETROBRÁS, 1985)
• “Instalação de tubos de concreto, colocados verticalmente sobre a
abertura por onde flui a água, e com diâmetro superior a esta abertura;
• Anotar até que altura atinge o nível d’água no interior do tubo;
• Preencher o tubo com brita até pelo menos 1 m acima do nível da água
assim estabilizado;
• Após a colocação da brita, deverá ser lançada pasta fluída de cimento e
água até que esta cubra o nível superior da brita. Isto só será executado
60
após o aterro compactado ter atingido o nível mínimo de cobertura da
brita (1 m acima do nível da água estabilizado);
• Caso o olho d’água não seja intenso e se localize próximo do local do
colchão de areia da barragem, pode-se tratar o surgimento do olho
d’água com colocação de areia e brita sobre o mesmo e conduzindo a
água para o colchão de areia, o maciço deve ser compactado
cuidadosamente sobre a areia e brita;”
4.5 VEDAÇÃO DO CORPO DA BARRAGEM
A vedação do corpo da barragem normalmente é executada com solo
compactado, e deve ocupar a região central ou ficar embutida no espaldar de
montante. A vedação do corpo da barragem é chamada de núcleo. (CRUZ, 1996).
Nas barragens de terra, ditas homogêneas, costuma-se criar um “pseudo-
núcleo” com largura de base maior que 1H, sendo H a altura da barragem, onde o
solo pode ser compactado com umidade acima da ótima para se obter a menor
permeabilidade. Esta umidade, no entanto, deve ser limitada a um valor pouco
inferior ao Limite de Plasticidade, para evitar a formação de “borrachudos” e de
laminações que podem se tornar caminhos preferenciais de fluxo. (CRUZ, 1996).
Segundo Cruz (1996), nas barragens de terra-enconcamento a vedação se
confunde com o núcleo, que muitas vezes é a única zona de baixa permeabilidade
de toda a barragem. Não há regras quanto à espessura mínima do núcleo, mas em
princípio deve-se projetar um núcleo com b>03 a 05 h, sendo b a largura do núcleo
para correspondente altura h, em qualquer elevação da barragem.
4.6 VEDAÇÃO DA FUNDAÇÃO
A vedação da fundação pode constituir um dos itens mais difíceis do projeto e
da execução da obra, porque no caso geral as feições da fundação que necessitam
vedação encontram-se saturadas e, quando exigem remoção, poderão envolver
sistemas de rebaixamento do lençol freático. (CRUZ, 1996).
61
O fluxo pela fundação de certas barragens, mesmo no caso de rocha, é
majoritário em relação ao fluxo que ocorre pelo maciço, e na grande maioria dos
casos de ocorrência de piping, estes ocorreram nas fundações. O sistema de
drenagem das fundações é de fundamental importância no controle do fluxo. A
vedação deve ser considerada como "uma segunda linha de defesa", e em nenhum
caso deve ser considerada como a única linha de defesa. (CRUZ, 1996).
Conforme Cruz (1996), a trincheira de vedação é a única solução que pode
ser considerada efetiva, porque intercepta integralmente a feição permeável onde se
deseja interromper o fluxo.
Três aspectos devem ser considerados:
• a largura de base da trincheira;
• a compatibilidade da deformação da trincheira com a do material
adjacente;
• a estabilidade dos taludes de escavação.
A base da trincheira deve ter um mínimo de 4 m, ou 6 m de acordo com
algumas especificações, para permitir a compactação do solo. Por outro lado, o fluxo
irá se concentrar na camada subjacente, e é necessário verificar se a vazão que by-
pass a base da trincheira é compatível com o projeto. A regra empírica de que b = H
- d, sendo b a largura da base da trincheira, H o desnível máximo montante-jusante
e d a profundidade da trincheira, deve ser analisada com critério e apenas como
uma primeira indicação. Raramente a base de uma trincheira de vedação precisa ter
mais de 10 metros, valor este facilmente superado pela aplicação da fórmula
empírica. (CRUZ, 1996).
A compatibilidade das deformações visa a evitar que a trincheira venha a
sofrer um processo de arqueamento. Quanto mais íngremes as interfaces, e quanto
mais compressível for o núcleo em relação aos materiais adjacentes, maior o risco
de arqueamento. (CRUZ, 1996).
Como trincheiras são executadas geralmente em fundações em areia ou
cascalhos, que quando densas são muito pouco compressíveis, é recomendado que
o solo seja compactado em níveis elevados de grau de compactação (G.C.),
evitando-se, no entanto, as laminações. Taludes mais abatidos também reduzem a
possibilidade de arqueamento e conseqüentes rupturas hidráulicas. (CRUZ, 1996).
A estabilidade dos taludes da escavação deve ser considerada, porque
mesmo que não ocorra à ruptura, podem ocorrer deslocamentos que resultem numa
62
redução da densidade (compacidade) do solo da fundação, o que irá aumentar a sua
compressibilidade e reduzir a sua resistência ao cisalhamento. Areias podem
facilmente fluir para dentro das escavações, obrigando a maiores remoções,
ampliação desnecessária da trincheira, e redução das propriedades geotécnicas da
mesma. (CRUZ, 1996).
Outro sistema de vedação é através de diafragma rígidos, diafragma
plásticos, colunas injetadas, colunas secantes de concreto, entre outras soluções,
tem sido advogadas como eficientes para controle de fluxo em formações arenosas
e em cascalhos. “A experiência brasileira no caso é pobre e essas soluções devem
ser avaliadas com muita atenção”, afirma Cruz (1996).
Os tapetes vedantes constituem uma solução barata para o controle de fluxo
pela fundação da barragem que, no entanto, é passível de não ser eficiente se não
for executada com cuidados especiais. Se for a solução adotada, é preferível
considerar sempre a possibilidade de executar o tapete interno, de mais fácil
controle e eficiência garantida.
Segundo Cruz, os tapetes externos executados nas barragens brasileiras,
têm-se mostrado pouco eficientes, devido fissuramento do tapete por ressecamento
e fissuras por recalques diferenciais junto ao pé de montante da barragem. O
controle do fissuramento do tapete argiloso é dos mais difíceis, em geral pela
extensão dos mesmos. A prática de colocar acima do tapete uma camada de solo
solto tem sido recomendada. Mesmo assim, a eficiência do tapete é duvidosa.
Injeções de cimento têm sido utilizadas visando homogeneizar a
permeabilidade dos maciços rochosos. A permeabilidade média residual dos
maciços injetados tem ficado na casa de 10-4 cm/s.
4.7 ENSAIOS
Durante a construção de uma barragem de terra são realizados ensaios
geotécnicos de campo e de laboratório para o controle de qualidade dos serviços.
Os ensaios de campo, normalmente realizados são os seguintes: (FURNAS,
1993)
63
Núcleo de impermeabilização: ensaios para determinação do grau de
compactação e desvio do teor de umidade em relação à umidade ótima, obtidos
determinando-se a massa especifica natural máxima em laboratório (método de Hilf).
Eventualmente, pode-se realizar, também, ensaios de permeabilidade in situ. A
freqüência desses ensaios é de 01 ensaio por camada compactada;
Filtros, Transições e Enrocamentos: ensaios de compacidade relativa e
massas específicas naturais.
Em laboratório, geralmente são realizados os seguintes ensaios: (FURNAS,
1993)
Núcleo de Impermeabilização: ensaios de caracterização e compactação, em
amostras deformadas extraídas ao lado dos locais onde foram feitos ensaios de
compactação no campo. Ensaios especiais triaxiais, de adensamento e
permeabilidade, em amostras de blocos indeformados (30 x 30 x 30 cm) extraídos
do maciço compactado.
Filtros, Transições e Enrocamentos: ensaios de granulometria simples e
permeabilidade.
Os resultados de todos esses ensaios são analisados e emitidos relatórios
técnicos com as conclusões obtidas que subsidiarão qualquer mudança necessária
ao projeto.
Ensaios de permeabilidade in situ são sempre imprecisos e, no máximo,
permitem detectar contrastes de permeabilidade. Quando os ensaios são realizados
em sondagens tipo SPT, em geral alcança-se o impenetrável na camada de
saprolito. Os ensaios de infiltração são então interrompidos. Na retomada das
sondagens por processo rotativo, há dificuldade de fixar o obturador no saprolito, e
os primeiros ensaios de perda d’água já são executados na rocha. Com isso, fica
ausente o ensaio no saprolito, que pode ser, e quase sempre é, a camada de fluxo
preferencial. (CRUZ, 1996)
4.8 COMPACTAÇÃO
Por mais que se conheçam os vários tipos de solos de empréstimo
extensamente utilizados em barragens brasileiras, problemas de compactação
64
ocorrem numa freqüência maior do que a esperada. Solos muito úmidos podem
gerar problemas de produtividade e solos surpreendentemente secos exigem
recursos adicionais de umedecimento, solos micáceos podem exigir equipamento
específico e solos de áreas ocasionalmente submersas podem gerar pressões
neutras construtivas. (CRUZ, 1996).
Conforme ELETROBRÁS (1985), o material do maciço deverá ser lançado
com caminhões basculantes e espalhado com trator de esteiras ou motoniveladoras.
Os solos a serem compactados devem ter umidades próximas da umidade ótima e
apresentar aspecto plástico. Materiais muito secos com aspecto pulverulento não
devem ser usados. O limite máximo de umidade deverá ser aquele em que o solo
permita fácil tráfego de equipamentos, sem que estes atolem ou prendam materiais
em suas partes.
O principal controle da compactação refere-se ao controle dos materiais de
construção, solos, areias, cascalhos, britas, enrocamentos e outros. Além disso, é
necessário verificar os equipamentos que serão utilizados nas escavações, no
transporte, escarificação, umedecimento, espalhamento e compactação. Um rolo
compactador com patas gastas ou fora das especificações resultará sempre num
aterro heterogêneo. (CRUZ, 1996).
Desvios de umidade, número de passadas, espessura da camada e tráfego
na praça de compactação devem ser fixados em função de aterros experimentais.
No controle da compactação é fundamental que se façam registros de todos
os pontos amostrados, porque um dos itens de controle mais efetivo refere-se à
porcentagem de camadas rejeitadas. Um aterro que mostre uma estatística de 98%
de pontos acima de 97% de G.C., mas que contenha 15% de camadas
retrabalhadas é certamente pior do que um aterro com 90% de pontos acima de
95%, com apenas 3% de camadas retrabalhadas. (CRUZ, 1996).
Quando se emprega o Método de Hilf, deve-se sempre utilizar um método de
controle complementar, porque é sabido que o Método de Hilf é relativamente
impreciso. Pode-se, por exemplo, recorrer ao Hilf-Proctor ou ao uso de lâmpadas
infravermelho para secar o solo. (CRUZ, 1996).
65
4.8.1 Proteção das Barragens
Segundo ELETROBRÁS (1985), os taludes de montante deverão ser
protegidos contra o efeito erosivo de águas de chuvas e pequenas ondulações da
água do reservatório. O método a ser utilizado consistirá da aplicação de materiais
granulares graúdos na face do talude, com espessura mínima de 30 cm.
No que diz respeito ao talude de jusante, o mesmo será protegido com
materiais granulares até uma altura mínima de h/3, sendo h a profundidade da água
do reservatório junto à barragem. Caso o nível d’água normal de jusante exceda a
altura h/3, essa proteção deverá ser executada no mínimo até a cota máxima
prevista para o N.A. de jusante. (ELETROBRÁS, 1985).
O talude poderá ser protegido por cobertura de 3 camadas distintas, sendo a
primeira de areia, com 15 a 20 cm de espessura, a segunda, de uma mistura de brita
1, 2 e 3 ou cascalho, com distribuição de tamanhos semelhantes, a terceira, será
uma camada de pedra com espessura aproximada de 40 cm, sendo que os espaços
entre as pedras devem ser preenchidos com brita ou cascalho. A proteção será
executada acompanhando o alteamento do terreno, isto é, após a compactação de
cada camada de solo serão lançadas as camadas de proteção e, em seguida,
compactadas. (ELETROBRÁS, 1985).
Acima desta altura, o talude deve ser protegido com o plantio de vegetação
existente na região, como, por exemplo, grama, erva cidreira ou outros tipos de
vegetação. Caso os solos do corpo de barragem não sejam apropriados para este
fim, deverá ser lançada sobre o talude uma camada de terra vegetal com 20 cm de
espessura, na qual será feito o plantio. (ELETROBRÁS, 1985).
A figura 22 indica como deverá ficar a proteção do talude de jusante.
66
Figura 22 – Proteção talude de jusante Fonte: ELETROBRAS, 1985
4.9 RECALQUES
Recalques pós-construção causados pelo enchimento do reservatório, e em
casos particulares causados por colapso de solos porosos não saturas, têm se
mostrado suficientemente pequenos e em nenhuma obra chegaram a causar
qualquer tipo de acidente. O mesmo, no entanto, não pode ser dito em relação a
pequenos aterros para a implantação de canais de irrigação. Centenas de metros
desses canais na Região Nordeste têm exigido reparos, substituição de
revestimentos, e mesmo reconstituição, por problemas de recalques por colapso dos
solos porosos, muito comuns na região. (CRUZ, 1996).
Maciços compactados e enrocamentos estão sujeitos a deslocamentos de
dezenas de centímetros na fase construtiva da barragem. As diferenças de
compressibilidade entre o solo compactado e os enrocamentos têm se mostrado
pequenas, ao contrário do que se considerava nas décadas de 60 e 70. Maiores
contrastes de compressibilidade têm sido registrados entre drenos
verticais/inclinados e transições de cascalhos ou brita, e os solos e/ou enrocamentos
adjacentes. (CRUZ, 1996).
67
4.10 DIMENSÕES BÁSICAS
Como a passagem da água por cima de uma barragem de terra tem que ser
evitada, a cota da crista deve situar-se acima do nível d’água máximo previsto no
reservatório. Segundo a ELETROBRÁS (1985), esta folga de altura é chamada de
“borda livre”. A borda livre deve ser de cerca de 30 % da altura máxima da
barragem, sendo que sua dimensão mínima deve ser de 1,00 m. A largura da crista
para barragem de terra não deve ser inferior a 3 metros, caso não seja prevista a
utilização da mesma como estrada. Caso seja prevista estrada sobre a crista, a
dimensão mínima deverá ser de 5 metros.
O nível d’água máximo no reservatório refere-se ao nível que ocorrerá por
ocasião da passagem da água pelo vertedouro.
A inclinação dos taludes da barragem é característica pelos coeficientes de
inclinação “m” e “j”, que indicam quantas vezes a projeção horizontal do talude é
maior que a sua projeção vertical. O coeficiente “m” se refere ao talude de montante,
enquanto o coeficiente “j”, ao de jusante. (ELETROBRÁS, 1985).
O coeficiente de inclinação depende do tipo de material empregado no corpo
da barragem e de sua altura, podendo ser adotado de acordo com a tabela 3:
Tabela 3 – Inclinação dos Taludes
Material de corpo da
barragem Talude
Inclinação dos Taludes
(Horizontal:Vertical)
Montante (m) 2,00:1 Solos Argilosos
Jusante (j) 1,75:1
Montante (m) 2,25:1 Solos Areno-
siltosos/argilosos Jusante (j) 2,00:1
Fonte: ELETROBRÁS, 1985
68
Conforme ELETROBRÁS (1985), a largura da base da seção transversal da
barragem, em metros, é calculada pela fórmula:
bhjmab ).( ++=
metro em barragem, da altura
jusante de talude do inclinação
montante de talude do inclinação
metro em barragem, da crista da largura
:
===
=
bh
j
m
a
onde
Na Figura 23, mostra o acerto do talude durante a construção de uma
barragem.
Figura 23 – Acerto do tadule de montante Fonte: BADRA, 1982
Eq. 4.1
69
5. APLICAÇÃO AO RESERVATÓRIO DA SUBESTAÇÃO DE IBIUNA
5.1 OBJETIVOS DA DERIVAÇÃO DE RECURSOS HÍDRICOS
Para atender às necessidades relativas ao uso de água na Subestação
Conservadora de Ibiúna, FURNAS implantou dois sistemas de captação de água.
O sistema de Captação de Água Superficial, composto de barragem situada
no Ribeirão Sarassará, figura 24, composta de vertedouro, tomada d’água e sistema
de bombeamento e destina-se à captação de água bruta, principalmente para
resfriamento de válvulas de tiristores e compensadores síncronos desta subestação.
Figura 24 – Barragem de terra no Ribeirão Sarassará Fonte: o autor, 2007
O sistema de Captação de Água Subterrânea, composto de três (3) poços
tubulares profundos, destina-se à captação de água potável para consumo humano,
ou eventualmente, em caso de necessidade, para resfriamento.
70
Para aumentar a confiabilidade do sistema no período com pouca ocorrência
de chuvas, é necessário a construção de um novo reservatório.
As estruturas constituintes deste sistema são um dique homogêneo de terra,
um vertedouro, uma tomada d’água com adução, uma casa de bombas e duas
adutoras, uma para enchimento do dique e outra para recalque à Estação de
Tratamento de Água.
5.2 LOCALIZAÇÃO
A Subestação Conservadora de Ibiúna está localizada na Rodovia Bunjiro
Nakao (SP-250), km 56, bairro Votorantin do município de Ibiúna, estado de São
Paulo, ocupando uma área de 2.740.000 m².
O acesso, a partir da cidade de São Paulo, é feito através da rodovia Raposo
Tavares (SP-270).
Figura 25 – Mapa do Estado de São Paulo – Localização do Empreendimento Fonte: DER, 2007
71
A Figura 25 apresenta a localização do empreendimento em relação ao
Estado de São Paulo e a Figura 26 podemos ver sua proximidade com a capital do
Estado.
Figura 26 – Detalhe do Mapa do Estado de São Paulo - Localização do Empreendimento Fonte: DER, 2007
Figura 27 – Foto aérea da Subestação de Ibiúna
Fonte: FURNAS
Município de São Paulo
Subestação de Ibiuna
A B
C
D
72
A foto aérea da Subestação de Ibiúna, figura 27, apresenta os seguintes
locais: A) Local para construção do reservatório de água; B) Estação de Tratamento
de Água – ETA; C) Reservatório existente; D) Prédios Bipolos: local para conversão
de energia em corrente continua para corrente alternada.
5.3 INFORMAÇÕES DE CARÁTER GERAL
Os Dados Técnicos da Subestação de Ibiúna apresenta a referida
Subestação (SE) como do tipo transformadora/conversora, pertencente ao Sistema
de Transmissão de Itaipu, com uma área total de 2.740.000 m² é considerada a
maior subestação conversora de corrente contínua em Alta Tensão do mundo,
recebe energia, através de dois bipolos + 600 kV, em corrente contínua, invertendo-
a para corrente alternada, em 345 kV. Esta subestação está interligada na tensão de
345 kV com as Subestações de Tijuco Preto, Guarulhos e Interlagos, no estado de
São Paulo e na tensão de 500 kV com a Subestação de Bateias, estado do Paraná e
Subestação de Campinas, São Paulo. (FURNAS, s.d)
A subestação faz parte do Sistema de Transmissão de Itaipu, com
capacidade conversora de 6.300.000 kW, ou seja, a metade da geração da Usina de
Itaipu, representando 20% do consumo nacional e 46% da energia consumida no
Estado de São Paulo. (FURNAS, s.d)
A subestação é composta de oito (8) conversores, formados por válvulas de
Tiristores, além de banco de transformadores e filtros de corrente alternada e
corrente contínua.
A válvula de Tiristores, em um sistema de Transmissão de corrente contínua,
tem a função de converter a corrente alternada trifásica, que chega até seus
terminais, em corrente contínua ou vice-versa. Somente para uma noção da
dimensão destas válvulas, o peso aproximado de cada válvula é de 38 toneladas e
sua altura é de 15 metros, aproximadamente, equivalendo a um prédio de cinco
pavimentos, conforme figura 28.
73
Figura 28 – Válvula de Tiristores Fonte: FURNAS, 2007
Nesta subestação existem 24 válvulas, cada válvula possuindo 387 tiristores,
refrigerados a água. A subestação opera também 4 compensadores síncronos, de
330 Mvar cada, todos refrigerados a água. (FURNAS, s.d.).
5.3.1 Demanda de Água
O consumo na Subestação de Ibiuna pode ser detalhado conforme
discriminado na Tabela 4:
74
Tabela 4 – Consumo de água na Subestação de Ibiuna
Tipo Consumo
A demanda de água para refrigeração 5,5 litros/MWh
Consumo mensal de água para resfriamento 16.071,00 m³
Consumo diário de água para resfriamento 535,70 m³ /dia
Consumo mensal de água potável 1.807,50 m³
Consumo diário de água potável 60,25 m³ /dia
Fonte: FURNAS
A água potável da Subestação é captada subterrâneamente, clorada e
armazenada em reservatório. Após utilizada pelo consumo humano é encaminhada
a uma estação de tratamento de esgoto compacta.
5.3.2 Descrição das instalações existentes e serviç os a executar
5.3.2.1 Instalações Existentes
A captação d’água atualmente em operação é feita no reservatório existente
no rio Sarassará. A concessão permite o bombeamento de 94 m³/h durante 8 horas
por dia, com possibilidade de bombear até 20 horas por dia.
O barramento do rio Sarassará é constituído de um dique de terra, a estrutura
de captação d’água e um vertedouro de soleira livre na margem direita. Este
vertedouro tem um dispositivo para descarga sanitária que opera no período de
estiagem, quando não há vertimento. A crista da barragem está na elevação (El.)
858,50 m e o nível d’água máximo de enchente do reservatório, na El. 858,0 m.
No prédio da estrutura de captação estão instaladas três bombas centrífugas
de superfície. As bombas são operadas através de um painel de controle instalado
no interior do mesmo prédio.
Estas bombas funcionam alternadamente, uma de cada vez. As três bombas
estão conectadas a uma tubulação que bifurca ainda dentro do prédio para conexão
75
com as duas adutoras paralelas de 200 mm de diâmetro, de aço carbono, quando
expostas, e ferro fundido, quando enterradas, até a ETA. Atualmente, esta adutora
opera durante 8 horas diárias, bombeando uma vazão nominal de 94 m³/h.
A estação de tratamento de água (ETA) é convencional, com capacidade de
tratamento de 150 m³/h. Durante o período de bombeamento, armazena água
tratada suficiente para um turno de 24 horas de operação da subestação.
Na chegada à ETA, um trecho de cerca de 10m de cada adutora é exposto,
onde estão posicionados os sistemas de controle constituídos de registros de
gaveta, medidores de vazão, válvulas, etc. Neste trecho, as duas adutoras estão
interligadas por uma tubulação de 150 mm, com uma união central. A superfície do
terreno neste local está na elevação 894,80 m.
5.3.2.2 Serviços a executar
O Projeto em desenvolvimento tem o objetivo de formar um reservatório
d’água com capacidade para abastecer a ETA durante 90 dias consecutivos,
operando 24 horas por dia, no período de estiagem, quando o rio Sarassará não tem
volume suficiente para o abastecimento da ETA.
O reservatório a construir será constituído de um dique de terra, com crista na
El. 882,0 m, tendo cerca de 18m de altura máxima. Terá um vertedouro lateral em
calha de concreto com dissipação em degraus. A captação será feita por uma galeria
localizada sob o dique, com soleira na El. 870,0 m. A casa de bombas será instalada
a jusante do dique, com piso na El. 871,0 m. Deverão ser instaladas duas bombas
de recalque, com capacidade de 94 m³/h cada.
Duas adutoras serão implantadas, conectadas às adutoras existentes num
ponto próximo à ETA. Uma das adutoras será utilizada para o enchimento do
reservatório, bombeando água do rio Sarassará, no período de chuvas. Pela outra
adutora será feito o recalque da água do reservatório para a ETA. Os trechos
expostos das tubulações das adutoras serão em aço carbono e os trechos
enterrados em ferro fundido dúctil.
76
O fornecimento de energia elétrica para operação das bombas e iluminação
será feito através do sistema de serviços auxiliares da subestação.
5.4 LEVANTAMENTOS E ESTUDOS
Para estudos preliminares deve ser fazer uma avaliação das condições
hidrológicas, topográficas entre outras.
Martins (1976) afirma que escoamento superficial é o segmento hidrológico
que estuda o deslocamento das águas sobre a terra. Este estudo considera a água
caindo sobre o solo e escoando pela superfície até os córregos, rios e lagos.
5.4.1 Levantamento Topográfico
“Bacia hidrográfica ou bacia de contribuição de uma seção de um curso de
água é a área geográfica coletora de água de chuva que escoa pela superfície do
solo e atinge a seção considerada.” (MARTINS, 1976).
Foi realizado o levantamento topográfico da área, onde além do levantamento
planialtimetrico, foram identificadas todas as instalações existentes.
5.4.2 Hidrológicos e Hidráulicos
Com base nos levantamentos topográficos da área do reservatório, e
considerando as escavações previstas no terreno existente, para estabilizar as
encostas do reservatório e do barramento a ser construído, foram determinadas as
áreas e volumes para os diversos níveis de inundação. A seguir, a tabela 5 e o
gráfico de cota-área-volume, figura 29, apresentam os valores obtidos:
77
Tabela 5 – Calculo da área e volume
Volume (m³) NA Área Inundada
(m²) parcial acumulado
864 0 0 0
865 663 332 332
867 3.062 3.725 4.057
869 6.432 9.494 13.551
870 9.419 7.925 21.476
871 11.247 10.333 31.809
874 18.458 38.581 76.304
876 25.028 43.486 119.790
877 28.846,5 13.946 146.727
878 32.665 15.855 177.483
879 36.929 17.931 212.280
880 41.193 20.063 251.341
881 48.457 23.320 296.166
882 55.721 26.952 348.254
Fonte: o autor, 2007
860
870
880
890
0 100 200 300 400
Volume acumulado (10 3 m3)
Alti
tude
(m)
Volume acumulado
020406080
Área inundada (10 3 m2)
Área inundada
Figura 29 – Gráfico Curva Cota-Área-Volume
78
5.4.3 Determinação do Volume Útil do Reservatório
O volume útil de um pequeno reservatório deve ser definido em função do seu
objetivo. Para o cálculo do volume útil necessário a ser acumulado anualmente no
reservatório, devem ser consideradas as seguintes parcelas:
iepnu VVVVV ++−=
dique. e fundação pela oinfiltraçã de Volume
secos; mais meses 3 nos evaporado de Volume
secos; mais meses 3 nos ãoprecipitaç de Volume
;necessário disponível Volume
io;reservatór do útil Volume
:Onde
==
===
i
e
p
n
u
V
V
V
V
V
Para estimativa dos volumes de precipitação e evaporação admitiu-se o
reservatório no seu nível de água máximo normal, que fica na elevação 880,00 m,
por um período considerado de 3 meses. A área inundada é de 41.193 m².
5.4.3.1 Volume disponível necessário
Conforme estabelecido inicialmente nos critérios de projeto, o reservatório
deverá ter disponível para recalque para a ETA o volume correspondente à vazão de
94 m3/h ininterrupta por um período de 90 dias. Assim, o volume necessário para o
reservatório volume é:
nn TQV .=
ta;ininterrup tofornecimen de Período
m³/h; em Vazão
;necessário disponível Volume
:Onde
=
==
n
p
n
T
Q
V
Eq. 5.1
Eq. 5.2
79
( )³040.203
24.90./³94
:Portanto
mV
hdiashmV
n
n
==
5.4.3.2 Volume de precipitação nos meses mais secos
“Entende-se por precipitação a água proveniente do vapor de água da
atmosfera depositada na superfície terrestre de qualquer forma, como chuva,
granizo, orvalho, neblina, neve ou geada.” (HOLTZ, 1976).
Tabela 6 – Precipitações - Anos 1984 até 2004
Mês Precipitação
Diária Máxima
Média das precipitações
mensais
janeiro 91,20 211,18
fevereiro 97,50 205,02
março 86,00 139,66
abril 72,00 63,00
maio 72,10 86,52
junho 78,50 53,36
julho 97,60 46,07
agosto 59,20 39,28
setembro 67,00 79,55
outubro 85,40 113,22
novembro 84,50 107,15
dezembro 125,20 176,14
Fonte: DAEE, 2007
80
0
50
100
150
200
250
janeiro
feve
reiro
mar
çoab
rilm
aiojun
hojul
ho
agos
to
sete
mbro
outub
ro
nove
mbr
o
deze
mbr
o
mm
Precipitação DiáriaMáxima
Média dasprecipitaçõesmensais
Figura 30 – Precipitações - Anos 1984 até 2004 Fonte: DAEE, 2007
Analisando o gráfico acima, verificamos que o período mais seco no local das
obras ocorre entre os meses de junho e agosto, mesmo no mês de julho ter ocorrido
uma das precipitações diárias mais altas no período.
Para este período, foi adotada a soma das médias de precipitações destes
meses e para estimativa do volume de precipitação foi considerado reservatório na
elevação 880,0 m, com uma área inundada de 41.193 m². Assim, a estimativa do
volume de precipitação sobre o reservatório é:
ip ApV .∑=
m³713.5
m²193.41.mm7138
:Portanto
inundada; ioreservatór do Área
mensais; õesprecipitaç das Soma
io;reservatór sobre ãoprecipitaç Volume
:Onde
≅
=
=
=
=
∑
p
p
i
p
V
,V
A
p
V
Para efeito de cálculo, foi desconsiderado a contribuição da área da bacia.
Eq. 5.3
81
5.4.3.3 Volume evaporado nos 3 meses mais secos
Segundo Martins (1976), “Evaporação é o conjunto de fenômenos de
natureza física que transformam em vapor a água da superfície do solo, cursos de
água, lagos, reservatórios de acumulação e mares”.
Consideramos uma perda por evaporação, uma determinada quantidade de
água evaporada por uma unidade de área horizontal, durante um intervalo de tempo.
A intensidade de evaporação se dá pela quantidade de vapor de água no ar
atmosférico e grau de umidade, portanto, quanto maior for a quantidade de vapor e
maior grau de umidade, menor será a intensidade de evaporação (MARTINS, 1976).
A intensidade de evaporação pode ser expressa por mm/hora ou em mm/dia.
Considerando a região do município de Ibiúna, para o período mais seco,
junho a agosto, foi adotado a evaporação máxima de 100 mm/mês, o que
corresponde a aproximadamente 3 mm/dia. Da mesma forma, estimando o volume
evaporado com o reservatório em seu nível de água máximo El. 880 m, tem-se:
maxmax .. NAe AteV =
máximo; água de nível do Área
o;considerad meses de número
(m); mêspor máxima Evaporação
(m³); evaporado Volume
:Onde
max ==
==
NA
mas
e
A
t
e
V
³358.12
²)(41193).(3).(1,0
:Portanto
mV
mmesesmV
e
e
==
Eq. 5.4
82
5.4.3.4 Volume de infiltração pela fundação e dique
Um dos fatores de grande importância no estudo das barragens de terra é o
problema das infiltrações através do corpo da barragem ou de suas fundações
(CAPUTO, 1987). As infiltrações, se não controladas, poderão comprometer a
estabilidade da obra.
Para a estimativa do volume de infiltração pela fundação e maciço
compactado do dique, foram adotados os parâmetros apresentados no item 2.4:
• Coeficientes de permeabilidades do solo compactado = 10-6 cm/s;
• Área aproximada de contato = 1.800 m²
• Coeficientes de permeabilidades da fundação sem trincheira de
vedação = 10-4 cm/s (barragem sem trincheira de vedação);
• Área aproximada de contato = 500 m²
Com estas considerações, foi determinado:
• infiltração pelo maciço compactado = 64,8 l/h
• infiltração pela fundação = 1.440 l/h
• vazão total de infiltração = 1.505 l/h = 1,51 m3/h
Assim, o volume total de infiltração é:
³251.3
][90]./[24]./³[505,1
mV
diasdiahhmV
e
i
==
:Portanto
5.4.3.5 Volume útil necessário para o reservatório
Conforme equação 5.1, o volume útil necessário para atender a demanda de
3 meses, é:
³936.212
251.3358.12713.5040.203
mV
V
VVVVV
u
u
eipnu
=++−=
++−=
83
5.4.4 Determinação das Cotas do Reservatório
Considerando o volume útil necessário para o reservatório de 212.936 m³ e a
curva cota-volume determinada, as elevações máxima e mínima para o reservatório
podem ser:
N.A. máximo normal = El. 880,0 m
N.A. mínimo normal = El. 871,0 m
5.4.5 Contribuição da Bacia
A área de drenagem da bacia de contribuição, incluindo parte dos pátios de
manobra, foi obtida por planimetragem do desenho de arranjo geral, conforme Figura
. A área determinada foi de 27 ha.
Figura 31 – Área de drenagem da bacia de contribuição Fonte: O autor
84
5.4.6 Dimensionamento Hidráulico do Vertedouro
Conforme Uehara (2006), para a determinação da vazão de projeto em bacias
inferiores a 2 km², utiliza-se a equação do método racional, que permite estimar
vazões de cheia.
A equação adotada é:
ADICQ ...167,0=
ha. em ,barramento do eixo no drenagem de área
mm/min; em chuva de eintensidad
runoff); de ficientedireto(coe lsuperficia escoamento de ecoeficient
m³/s; em cheia de vazãomáxima
:
====
AD
I
C
Q
Onde
Para a aplicação da equação 5.5, foram adotados os seguintes parâmetros:
• Coeficientes de Runoff (C)
Os coeficientes de runoff foram adotados de acordo com o tipo de cobertura
superficial:
Área pavimentada: C = 0,90
Área dos pátios de manobra (brita): C = 0,50
Área gramada (declive médio): C = 0,30
O coeficiente de cálculo foi ponderado em função do percentual de áreas
pavimentadas (5% do total), área dos pátios de manobra (50%) e áreas gramadas
(45%) em relação à área de drenagem total de 27 ha, resultando no valor do
coeficiente de runoff médio igual a 0,43 (Cmédio = 0,43).
• Intensidade de Chuva (I)
Eq. 5.5
85
Para definir a intensidade provável de precipitação estima se primeiro qual a
duração desta chuva. Conforme Uehara (2006), o tempo de concentração é
calculado pela fórmula empírica do “Califórnia Culverts Pratice”:
385,02
57
=
eqc I
Lt
(m/km). talveguedo eequivalent edeclividad
(km); talveguedo ocompriment
:Onde
==
eqI
L
Uehara (2006), em seu guia prático para projetos de pequenas obras
hidráulicas, calculou a intensidade de chuva de 3 mm/min para uma determinada
bacia. Pela região do empreendimento ser mais próximo do litoral, adotamos a
intensidade de chuva acima da calcula pelo Uehara em seu projeto, sendo I = 5
mm/min.
Conforme item 5.4.5, a área de drenagem é igual a 27 ha.
Portanto, com base nos dados de calculo acima da vazão de projeto do
vertedouro é:
smQ
Q
ADICQ
/³69,9
27.5.43,0.167,0
...167,0
===
Com base na equação 2.2, considerando uma soleira espessa (µ=0,37) e
carga máxima de 1m, tem-se:
mmL
L
gHLHQ VVV
00,691,5
1.8,9.21..37,069,9
2
≈==
= µ
Conforme projeto, o canal lateral terá 3,0 metros de largura e cotas de fundo
variáveis, com comprimento total de 70 m. A descida d’água em degraus com 4,5 m
de comprimento e 1,5 m de altura, e paredes laterais. No final da descida, existe
Eq. 5.6
86
uma bacia de dissipação que descarrega no terreno protegido com enrocamento
argamassado.
5.5 INVESTIGAÇÕES GEOTÉCNICAS
Foram realizadas investigações geotécnicas, sondagens a trado e percussão
e poços de inspeção, da área em estudo e área de empréstimo, onde as amostras
colhidas foram encaminhadas para empresa responsável pelo projeto realização dos
ensaios.
Os serviços foram executados com o objetivo de investigar o solo nos furos a
percussão até a condição de impenetrável, e nos furos a trado limitado a 6,00 metros
levando-se em conta o nível de água e tipo de solo.
5.5.1 Materiais Naturais de Construção
Os materiais a serem empregados na construção do barramento, serão
obtidos em jazida de solo localizados a montante do dique, na margem esquerda e
em jazidas de areia e pedreiras próximas ao empreendimento.
Em visita ao local, foi verificado a existência de diversos depósitos de bota
fora na área do reservatório. No fundo do vale ocorrem áreas com material saturado
e com matéria orgânica, com base nisto foi definido que o material existente na área
do reservatório não é adequado para ser empregado com material de construção do
dique.
Segundo o projetista, de um modo geral o solo disponível na área de
empréstimo apresentou comportamento siltoso, com plasticidade média a alta.
Materiais como areia, brita e enrocamento deverão ser obtidos de jazidas de
areia e pedreiras em exploração comercial na região da subestação. Em pesquisa
realizada indicou a existência de fornecedores distantes cerca de 60 km do local.
87
5.5.2 Escavações
A escavação para fundação do dique deverá remover totalmente os materiais
de bota fora existentes no local, assim como os materiais soltos, saturado ou com
matéria orgânica.
Serão efetuadas escavações na área da região da tomada d’água, galeria de
adução, verdedouro e reservatório. Todos os materiais soltos, de bota fora,
saturados e com matéria orgânica deverão ser totalmente removidos.
5.6 DIMENSIONAMENTO DO DIQUE E ESTRUTURAS
Após análise dos projetos, foi verificado que o dique é constituído de aterro
homogêneo de terra e dotado de filtro vertical e tapete drenante a jusante sobre a
superfície da fundação. Tem seu eixo reto, com crista de 4,0 m de largura na El.
882,0 m. A cota da crista na El. 882,0 m garante uma borda livre de 2,0 m para o
nível d’água normal e de 1,0 m para o nível d’água máximo.
Na fundação do dique está previsto a construção de uma trincheira de
vedação com o objetivo de reduzir a percolação pela fundação.
O talude de montante tem declividade 1V:2,5H e jusante com declividade de
1V:2H, portanto, dentro do limite sugerido na Tabela 3, item 4.10.
Para acesso à casa de bombas, foi implantado uma berma no talude de
jusante com largura de 6,0 m e tanto a crista do dique como a superfície da berma
serão revestidas com tratamento duplo superficial.
O vertedouro, localizado na ombreira esquerda do dique, em concreto
armado, é constituído de uma soleira espessa, canal lateral e descida d’água em
degraus.
A tomada d´água está localizada a montante do dique, na ombreira direita. É
uma estrutura em concreto armado. É dotada de grades de aço removíveis, com
soleira na El. 870,6 m.
88
O conduto de adução cruza o dique em sua fundação até a casa de bombas.
A tubulação é em aço carbono, com diâmetro de 400 mm, comprimento de 62,0 m e
eixo horizontal na El. 870,0 m.
A casa de bombas está localizada sobre solo compactado a jusante do dique.
Sua estrutura tem pilares e vigas em concreto armado e alvenaria em blocos de
concreto. Em planta mede 4,5m de largura por 5,0m de comprimento. O piso é uma
laje de concreto, onde serão instalados os conjuntos moto-bombas. Abriga, além dos
dois conjuntos moto bombas, o centro de controle de motores das bombas, o quadro
de luz e o transformador de iluminação.
As duas bombas estão conectadas a uma adutora de aço com 200 mm de
diâmetro, para recalque até a ETA.
Seu caminhamento se desenvolve paralelamente ao eixo do dique em direção
à ombreira direita. O comprimento total desta adutora é de aproximadamente
740,0m.
A adutora de enchimento do reservatório é conectada às duas adutoras
existentes próximo à ETA a montante das válvulas de manobra. A tubulação, com
diâmetro de 200 mm, é de ferro fundido no trecho enterrado e aço carbono nos
segmentos expostos. Seu comprimento total é da ordem de 500,0m.
Podemos ver na Figura 32 o arranjo geral das obras.
Figura 32 – Arranjo geral das obras Fonte: Projeto FURNAS
Área de empréstimo
89
6. CONCLUSÃO
O estudo apresentado permite identificar a complexidade da concepção e
construção de uma barragem de terra e enrocamento, mesmo em se tratando de um
pequeno reservatório, pois demanda um grande investimento e riscos físicos e
ambientais totalmente controlados.
Conclui se que a escolha do local, tipo do barramento, cuidados com a
fundação e controle na execução e comportamento do maciço, podem ser
destacados como os pontos principais na construção de uma barragem.
Com referência ao projeto do reservatório para a Subestação de Ibiúna,
permite concluir através da análise feita em partes do projeto, que o mesmo se
encontra em conformidade com que foi apresentado ao longo do trabalho.
Pode-se concluir também, que para elaboração de projetos de barragens
requer amplo conhecimento da mecânica dos materiais envolvidos e compreensão
dos mecanismos de fluxo.
90
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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implantação de sistemas de gestão ambiental: ISO 14 001. Brasília. ABNT, 1996.
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Ed. Rio de Janeiro: LTC, 1987.
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![10 PP Enteral DR ID [Repaired]_rev](https://img.dokumen.tips/doc/110x75/563dbb8a550346aa9aae10c6/10-pp-enteral-dr-id-repairedrev.jpg)
