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Nome do professor Sobre o autor Pietro Valdo Rostagno O autor do caderno de estudos de Obras Hidráulicas é o Professor Pietro Valdo Rostagno, bacharel em Engenharia Civil pela Universidade Federal do Espírito Santo (UFES) em 27 de novembro de 2002, casado com Adriana Trocilo Picanço Rostagno e pai de Gabriella e Pietra. É Especialista em Docência do Ensino Superior pela Faculdade Redentor, em março de 2007 e Especialista em Engenharia de Segurança do Trabalho pela Faculdade Integrada de Jacarepaguá, em outubro de 2009. Também atua como Engenheiro Civil da Prefeitura Municipal de São José de Ubá – RJ desde agosto de 2011. No campo da docência, atua ativamente desde novembro de 1999 ministrando aulas de matemática e física para o ensino médio, bem como no ensino superior em Engenharia Civil, qual tem larga experiência nas disciplinas de Cálculo 0, Probabilidade e Estatística, Topografia I e II, Hidrologia Aplicada, Estradas I e II, Obras Hidráulicas (Barragens), Portos, Aeroportos e Hidrovias, Tópicos de Planejamento em Engenharia Civil e Engenharia de Trânsito. No âmbito de ensino à distância atua como professor desde fevereiro de 2015, nos cursos de Engenharia Civil e Engenharia de Produção do Centro Universitário Redentor. Apresentação Olá querido aluno (a), seja muito bem-vindo (a)! Passado o ciclo básico do curso de Engenharia Civil, que corresponde aos 04 (quatro) primeiros períodos, bem como as disciplinas iniciais do ciclo profissionalizante, 5º, 6º, 7 e 8º períodos, você está na fase de formação final do curso. A partir de agora as disciplinas são de formação no campo da Engenharia Civil e requer atenção especial do aluno, pois são muitas informações ao mesmo tempo. No ciclo básico sua formação em Engenharia abordou conhecimentos importantes para sua vida profissional, como os cálculos, as físicas e os desenhos, quais são fundamentais para a formação do Engenheiro Civil. A disciplina OBRAS HIDRÁULICAS abordará diversos conceitos aprendidos nestas disciplinas do ciclo básico, assim como a Mecânica dos Solos I e II, Sustentabilidade, Hidrologia e Concreto I, quais você já cursou, por isso, é necessário o entendimento de todas elas, pois certos conceitos serão abordados no entendimento de que o aluno já sabe e domina o que foi ensinado até aqui. A disciplina de Obras Hidráulicas será dividida em 16 (dezesseis) aulas, onde ao final de cada uma teremos exercícios para serem feitos, cujos mesmos são importantíssimos para a realização da avaliações e atividades práticas supervisionadas (APS’s), bem como as complementares. Procure sempre estar com seus estudos em dia, conforme já dito aqui são muitas informações e caso fique acumulada com outras disciplinas, ocorrerá um acumulo imenso de estudos, que irá requerer do aluno muito tempo para realizá-lo, pois este tempo é muito precisos na vida acadêmica do estudante de Engenharia Civil, bem como na correria do dia-a-dia deve-se organizar para tê-lo em dia. A disciplina irá tornar o aluno a entender, compreender e saber sobre barragens, sejam de terra, concreto ou enrocamento, suas escolhas de acordo com a topografia, geologia, bem como o tipo de solo da fundação existente. Também irá aprender sobre os desvios de rios e ensecadeiras e otimização de suas seções. Quanto ao material de estudos é importantíssimo o aluno ter sempre em mãos: muito papel A4 branco ou reciclado, lápis ou lapiseira (0,5 mm ou 0,7 mm – marca Pentel), borracha branca sintética, calculadora científica (Cassio FX-82 MS ou HP 10s, pois tem as funções que precisamos) e muita disposição para os estudos. E sempre lembrando do seguinte lema: “Aqui é Engenharia Colega…”. Objetivos OBJETIVO GERAL DE OBRAS HIDRÁULICAS Permitir ao aluno a aquisição de conhecimentos básicos de Obras Hidráulicas, visando a sua aplicação maior no campo da engenharia civil. OBJETIVOS ESPECÍFICOS DE OBRAS HIDRÁULICAS Proporcionar ao aluno noções adequadas para o conhecimento sobre o estudo de barragens de terra e concreto, sendo de fundamental importância o aprendizado de técnicas construtivas e a avaliação de situações complexas em obra. Sumário AULA 1 - TIPOS DE BARRAGENS 1 INTRODUÇÃO .............................................................................................. 15 1.1 Tipos de barragens ..................................................................................... 15 1.1.1 Barragens de terra ...................................................................................... 15 1.1.2 Barragem de terra homogênea ............................................................... 18 1.1.3 Barragem zoneada .................................................................................... 19 1.1.4 Trincheira de vedação e núcleo .............................................................. 21 1.2 Barragens de enrocamento ...................................................................... 23 1.3 Barragens de concreto .............................................................................. 25 1.3.1 Metodologias construtivas ......................................................................... 25 1.3.2 Objetivos básicos das construções de barragens de concreto ............ 26 AULA 2 - ESCOLHA DO TIPO 2 INTRODUÇÃO .............................................................................................. 33 2.1 Arranjo dos aproveitamentos .................................................................... 33 2.2 Definição do tipo de barragem ................................................................ 37 AULA 3 - INVESTIGAÇÃO DAS FUNDAÇÕES 3 INTRODUÇÃO .............................................................................................. 47 3.1 Investigação geológico-geotécnica ....................................................... 48 3.2 Previsão das condições executivas ......................................................... 50 AULA 4 - TRATAMENTO DAS FUNDAÇÕES 4 INTRODUÇÃO .............................................................................................. 60 4.1 Tratamento superficial ................................................................................ 61 4.1.1 Remoção de materiais indesejáveis ......................................................... 62 4.1.2 Regularização da fundação ..................................................................... 62 4.1.3 Limpeza ....................................................................................................... 63 4.1.4 Recobrimento superficial ........................................................................... 63 4.1.5 Drenagem superficial ................................................................................. 64 4.1.6 Injeções localizadas ................................................................................... 64 4.2 Tratamentos profundos ............................................................................... 65 4.2.1 Projeto geotécnico .................................................................................... 65 4.2.2 Consolidação da fundação ..................................................................... 66 4.2.3 Injeção profunda das fundações ............................................................. 66 4.2.4 Drenagem profunda das fundações em rocha ...................................... 68 4.2.5 Drenagem profunda das fundações em solo ......................................... 70 4.3 Critérios para liberação das fundações ................................................... 70 AULA 5 - DESVIOS DE RIOS 5 INTRODUÇÃO .............................................................................................. 78 5.1 Desvio através de estrangulamentoparcial do rio ................................. 78 5.2 Desvio através de túnel .............................................................................. 79 5.3 Desvio de rio através de galerias ou adufas ............................................ 81 5.4 Fechamento do rio ..................................................................................... 82 AULA 6 - ENSECADERIAS 6 INTRODUÇÃO .............................................................................................. 90 6.1 Construção das ensecadeiras .................................................................. 92 6.2 Materiais ...................................................................................................... 95 6.3 Equipamentos ............................................................................................. 95 6.3.1 Execução .................................................................................................... 95 6.3.2 Manejo ambiental ...................................................................................... 95 6.3.3 Controle e aceitação ................................................................................ 96 AULA 7 - IMPERMEABILIZAÇÃO DO RESERVATÓRIO 7 INTRODUÇÃO .............................................................................................. 20 7.1 Métodos construtivos de barragens de rejeito ........................................ 21 7.1.1 Método de alteamento para montante .................................................. 22 7.1.2 Método de alteamento para jusante ...................................................... 23 7.1.3 Método de alteamento por linha de centro ........................................... 25 7.2 Disposição de rejeitos por aterro hidráulico ............................................ 25 7.2.1 Segregação hidráulica .............................................................................. 27 7.2.2 Densidades dos rejeitos .............................................................................. 28 7.3 Sistemas de impermeabilização ............................................................... 29 7.3.1 Geomembrana de polietileno de alta densidade – PEAD .................... 29 7.3.2 Geocompostos bentonítico ...................................................................... 30 7.3.3 Mantas impregnadas com betume ......................................................... 32 AULA 8 - FILTROS E TRANSIÇÕES 8 INTRODUÇÃO .............................................................................................. 41 8.1 Conceito de filtro ........................................................................................ 41 8.1.1 Filtros – drenagem interna.......................................................................... 41 8.1.2 Critérios para filtros ..................................................................................... 45 8.2 Conceito de transições .............................................................................. 49 8.2.1 Materiais para filtros e transições .............................................................. 49 AULA 9 - OTIMIZAÇÃO DAS SEÇÕES DAS BARRAGENS 9 INTRODUÇÃO .............................................................................................. 58 9.1 Fatores que influenciam a escolha da seção ......................................... 59 9.1.1 Características dos materiais .................................................................... 59 9.1.2 Disponibilidade e economicidade dos materiais .................................... 60 9.1.3 Condições climáticas e trabalhabilidade ............................................... 60 9.1.4 Cronograma de construção ..................................................................... 61 9.1.5 Esquema de desvio .................................................................................... 61 9.1.6 Características geológico-geotécnicas e topográficas da fundação 62 9.1.7 Integração ao arranjo geral ...................................................................... 62 9.2 Barragem de seção homogênea ............................................................. 62 9.3 Barragem de terra-enrocamento ............................................................. 63 9.4 Barragens de enrocamento com face de concreto ............................... 64 AULA 10 - PROTEÇÃO DOS TALUDES 10 INTRODUÇÃO .............................................................................................. 71 10.1 Proteção dos taludes para barragens homogêneas .............................. 74 10.1.1 Enrocamento .............................................................................................. 75 10.1.2 Alvenaria de pedra ou laje de concreto ................................................. 76 10.1.3 Proteção vegetal ....................................................................................... 78 10.1.4 Proteção com brita, pedregulhos e/ou bica corrida ............................. 79 10.2 Barragens mistas ......................................................................................... 80 10.3 Barragens de enrocamento ...................................................................... 80 10.4 Detalhes construtivos - equipamentos ..................................................... 80 10.5 Proteção inadequado de taludes ............................................................. 81 AULA 11 - NOÇÕES DE INSTRUMENTAÇÃO DE BARRAGENS 11 INTRODUÇÃO .............................................................................................. 89 11.1 Instrumentação - conceito ........................................................................ 89 11.2 Grandezas a serem monitoradas .............................................................. 89 11.3 Seleção dos blocos ou seções “chave” .................................................. 92 11.4 Quantidade de instrumentos ..................................................................... 93 11.5 Seleção dos tipos de instrumentos ........................................................... 93 11.6 Instrumentação de barragens de pequeno porte .................................. 96 11.7 Codificação do instrumentos e simbologia ............................................. 96 AULA 12 - CONSIDERAÇÕES SOBRE PROJETO DE BARRAGENS DE TERRA DE ENROCAMENTO 12 INTRODUÇÃO ............................................................................................ 105 12.1 Fase de viabilidade .................................................................................. 105 12.2 Fase de projeto básico ............................................................................ 106 12.2.1 Requisitos básicos de projeto e método de análise ............................. 106 12.2.2 Dos requisitos básicos – interpretação conjunta ................................... 107 12.2.3 Dos métodos de cálculo – interpretação conjunta .............................. 108 12.2.4 Exemplos de concepção conjunta maciço – fundação ..................... 109 12.2.5 Outros exemplos de concepção de projeto ......................................... 110 AULA 13 - CONSTRUÇÃO DE PEQUENAS BARRAGENS DE TERRA 13 INTRODUÇÃO ............................................................................................ 118 13.1 Marcação do local de construção ........................................................ 118 13.2 Ativos fixos tangíveis ................................................................................ 120 13.3 Equipamento e técnicas de compactação .......................................... 122 13.3.1 Rolos pé-de-carneiro ................................................................................ 124 13.3.2 Rolos vibradores ........................................................................................ 125 13.3.3 Compactadores depressão ................................................................... 126 13.3.4 Rolos compactadores .............................................................................. 126 13.4 Limpeza e preparação do local ............................................................. 127 13.4.1 A base da barragem ............................................................................... 127 13.4.2 Áreas de empréstimo ............................................................................... 127 13.5 Assentamento ........................................................................................... 128 13.6 Descarregador / vertedor ........................................................................ 128 13.7 Construção do aterro ............................................................................... 129 13.7.1 Núcleo / trincheira de vedação ............................................................. 129 13.7.2 Aterro ......................................................................................................... 131 AULA 14 - CANAL EXTRAVASOR DE SUPERFÍCIE 14 INTRODUÇÃO ............................................................................................ 140 14.1 Descarregador de fundo ......................................................................... 142 AULA 15 - EXERCÍCIOS DE REVISÃO 15 EXERCÍCIOS ............................................................................................... 151 AULA 16 - CONSIDERAÇÕES SOBRE A UHE ROSAL – ES/RJ 16 INTRODUÇÃO ............................................................................................ 157 16.1 Localização ............................................................................................... 157 16.2 O empreendimento .................................................................................. 158 16.3 Barragem de concreto............................................................................. 160 16.4 Extravasores .............................................................................................. 161 16.5 Sistema de adução .................................................................................. 161 16.6 Casa de força e edifício de controle ..................................................... 163 Iconografia Tipos de barragens Aula 1 APRESENTAÇÃO DA AULA As barragens são utilizadas em larga escala no Brasil, seja para aproveitamento hidrelétrico, seja para reservarão de água ou algum tipo de rejeito mineral. Os tipos mais comuns são: terra, concreto e enrocamento. Estes tipos serão aqui estudados e será feita abordagem sobre suas funções e técnicas executivas no campo da engenharia civil. OBJETIVOS DA AULA Esperamos que, após o estudo do conteúdo desta aula, você seja capaz de: ➢ Quais são os tipos de barragens; ➢ As características de cada tipo; ➢ Como evitar infiltrações; ➢ Tipos de barragens com drenagem; ➢ Objetivos básicos nas construções de barragens. P á g i n a | 15 1 INTRODUÇÃO 1.1 Tipos de barragens Os tipos de barragens são variáveis e influenciados por condicionantes locais. Os mais comumente usados são: ✓ Barragem de terra com seção homogênea; ✓ Barragem de enrocamento com núcleo impermeável, face de concreto, face de concreto asfáltico e núcleo asfáltico; ✓ Barragem de concerto tipo gravidade, barragem em arco ou barragem de concreto compactado a rolo (CCR). As soluções tecnicamente viáveis são diversas e a escolha da seção deverá ser feita em um processo iterativo pelo critério de menor custo global. As barragens de interligação com as estruturas de concreto, através dos muros de abraço ou de encosto, são de enrocamento com núcleo que, com seus taludes mais íngremes, possibilitam reduzir os comprimentos dos muros e consequentemente, os custos.1 1.1.1 Barragens de terra As barragens de terras (figuras 01 e 02) têm sido usadas, desde os tempos mais remotos, para aprisionar e desviar água. São simplesmente estruturas compactadas que dependem da sua massa para resistir ao deslizamento e tombamento e são o tipo de barragem mais comum encontrado em todo o Mundo. Métodos modernos de transporte e desenvolvimentos no campo da mecânica dos solos desde o Século XIX, aumentaram consideravelmente a segurança e vida destas estruturas. As principais vantagens envolvidas na construção de pequenas barragens de terra são: ✓ São utilizados materiais naturais locais; ✓ Os procedimentos do projeto são simples. ✓ Comparativamente, são necessários pequenos ativos fixos tangíveis. 1 PEREIRA, G. M. Projeto de usinas hidrelétricas passo a passo. São Paulo: Oficina de Textos, 2015, p. 186. P á g i n a | 16 ✓ Os requisitos para as fundações são menos exigentes do que para outro tipo de barragens. A base larga duma barragem de terra distribui a carga nas fundações. ✓ Barragens de terra resistem ao assentamento e movimentos melhor do que estruturas mais rígidas e podem ser mais adequadas para áreas onde os movimentos do solo são comuns. No entanto, também existem desvantagens e estas são: ✓ Uma barragem de terra é mais fácil de ser danificada ou destruída pela água corrente, passando sobre ou batendo contra ela. Assim, um descarregador/vertedor e proteção adequada a montante são essenciais para qualquer barragem. ✓ Projetar e construir descarregadores/vertedores adequados é normalmente a parte tecnicamente mais difícil de qualquer trabalho de construção duma barragem. Qualquer local com má qualidade de descarga não deverá ser usado. ✓ Durante a construção, se não for adequadamente compactada, a barragem apresentará uma integridade estrutural fraca, apresentando pontos preferenciais de infiltração. ✓ As barragens de terra requerem manutenção contínua de forma a evitar erosão, crescimento de árvores, sedimentação, infiltração e danos provocados por insetos e animais. Os primeiros aterros a ser construídos tinham como princípio uma parede de terra sólida, impermeável ou não, transversal a um rio ou ribeiro. Quando corretamente construídos, tais aterros homogéneos podem ser baratos e seguros. São, no entanto, geralmente inferiores em relação aos métodos modernos de construção zonada em que um aterro é construído em três seções: ✓ Seção a montante relativamente impermeável; ✓ Núcleo central de materiais altamente impermeáveis (os quais, com uma trincheira de vedação abaixo do nível de superfície, selará eficazmente a barragem contra Infiltrações); P á g i n a | 17 ✓ Seção a jusante de materiais grosseiros e pobres, permitindo uma drenagem mais livre da estrutura e a qual, pelo seu peso, escora o aterro às suas fundações evitando o seu escorregamento e outros movimentos.2 Figura 1: Barragem de Terra. Fonte: Barragem Odelouca Dam, Portugal, LCW (2009) Figura 2: Barragem de Terra. Fonte: Barragem SEINFRA/PI, Brasil (2012) 2 STEPHENS, T. Manual sobre Pequenas Barragens de Terra. Organização das Nações Unidas para a Alimentação e a Agricultura, Roma – Itália, 2011, p.13. P á g i n a | 18 1.1.2 Barragem de terra homogênea Com este tipo de barragem mais antigo, o acumular de demasiada pressão nos poros no interior do aterro e a ocorrência de percolação poderão ser um problema, especialmente para reservatórios com um nível alto ou com rápidas flutuações de nível de água por longos períodos de tempo; ou para uma barragem com fundações impermeáveis. Se a percolação for excessiva, isto poderá levar a instabilidade e eventualmente a falha de toda ou parte da face a jusante. Figura 3: Barragem de terra homogênea. Fonte: STEPHENS (1991) Quer um pé em pedra queruma camada de drenagem (manta) de cascalho miúdo/gravilha ou material similar, ajudará a reduzir o problema de infiltração para as áreas a jusante de um aterro com fundações impermeáveis. O pé em pedra deverá ser coberto por areia grosseira e cascalho miúdo/gravilha de forma a evitar que materiais do aterro sejam arrastados para o seu interior, situação que poderia, em última instância, reduzir a permeabilidade do pé e causar subsidência da barragem. Em fundações mais permeáveis (o que ocorre frequentemente quando as barragens são construídas no leito) o expor uma camada natural de drenagem poderá ter o mesmo efeito na redução de infiltrações que uma manta artificial de cascalho miúdo/gravilha ou uma camada de drenagem. Qualquer estrutura para a redução de percolação deverá apenas estar subjacente à seção jusante da barragem e não se deverá estender para áreas do aterro que poderiam permitir percolação ou infiltração diretamente de montante. De uma maneira geral, barragens homogêneas deverão ter taludes/vertentes relativamente planos (1:3 a montante e 1:2 a jusante) como segurança contra possível P á g i n a | 19 instabilidade. Um talude menos inclinado a montante, obrigatório para todas as barragens de terra, permite que a secção saturada abaixo do nível de água resista ao abatimento. Também, o peso da água armazenada acima deste exerce uma pressão de cima para baixo que, quando combinado com o peso da barragem, iguala ou excede a pressão horizontal exercida pela altura da água contra o aterro. Note-se que esta última depende da altura, não do volume de água, e que a pressão horizontal aumenta na razão do quadrado da altura da água. Assim, ao construir barragens mais altas este assunto torna-se mais crítico, já que, por exemplo, duplicando a altura da água duma barragem de 2 m para 4 m se quadruplicaria a pressão. Não se deve permitir que os níveis de água desçam ou subam demasiado rápido, principalmente se o material do aterro é impermeável. Este cuidado é necessário já que uma rápida descida do nível do reservatório pode causar o abatimento da face de montante ou, se se permitir que a parede seque, uma rápida subida de nível pode causar erosão através de rachaduras e fissuras. Ambas podem eventualmente resultar em erosão, perda de material e, no pior dos casos, numa ruptura/rompimento.3 1.1.3 Barragem zoneada Esta é uma melhor alternativa, particularmente para barragens maiores que facilmente permitem a utilização de maquinaria de construção. Com este tipo de barragem, possíveis perigos de infiltração são reduzidos ao mínimo. Comparadas com barragens de aterro homogéneo, os custos são susceptíveis de ser mais altos, principalmente porque o material de terraplanagem é dividido em três categorias: permeável para a face jusante, impermeável para o núcleo e semi-impermeável para a secção a montante, sendo todas elas escavadas de áreas de empréstimo diferentes (de preferência dentro da área do reservatório), logo aumentando os custos de escavação e transporte. Os taludes, no entanto, podem ser reduzidos para à volta de 1:2 a montante e 1:1,75 a jusante (ou 1:2,25 a montante e 1:2 a jusante para locais onde apenas estão disponíveis materiais de relativa má qualidade) e o material escavado na construção do núcleo pode ser utilizado no aterro, economizando assim em terraplanagens. A figura 04 ilustra um exemplo ideal de uma barragem zonada. 3 STEPHENS, T. Manual sobre Pequenas Barragens de Terra. Organização das Nações Unidas para a Alimentação e a Agricultura, Roma – Itália, 2011, p.14 e 15. P á g i n a | 20 Especial atenção deverá ser tida quanto ao pé, que poderá ser necessário para conferir estabilidade e para drenar a seção a jusante (poderá ser necessário drenos de cascalho miúdo/gravilha) e ao enrocamento de pedra na face de montante que, neste caso, é necessário para proteção da parede contra a ação das ondas. Quando corretamente feito, o enrocamento de pedra (a figura 05 dá um exemplo) fornece um meio barato (se disponível localmente) e eficiente de proteção, mas não deverá ser usado nas extremidades dos aterros e nas ombreiras nem ao longo dos lados dos descarregadores/vertedores. Estas áreas das barragens são extremamente sensíveis à erosão e poderá ser necessário betoná-las ou protegê-las com gabiões para máxima proteção. A publicação da FAO sobre pequenas barragens e açudes em terra e gabiões (FAO, 2001) proporciona diretrizes sobre esta matéria. Materiais impermeáveis artificiais, tais como película de plástico grosso, têm sido usados com sucesso em muitas partes do Mundo como alternativa a núcleos de argila. Nos trópicos, no entanto, estes materiais têm-se mostrado suscetíveis de atrair roedores, que têm sido esburacados por animais e não tem resistido ao assentamento dos aterros depois da construção. Onde material adequado para o núcleo não esteja disponível a preços acessíveis, estes materiais poderão ter que ser usados, mas, se possível, terão de ser analisados; bem “mortos” antes de escavados e tratados na altura da instalação.4 Anotações do Aluno: 4 STEPHENS, T. Manual sobre Pequenas Barragens de Terra. Organização das Nações Unidas para a Alimentação e a Agricultura, Roma – Itália, 2011, p.15 e 16. P á g i n a | 21 Figura 4: Barragem Zoneada Típica. Fonte: STEPHEN (1991) Figura 5: Barragem de Enrocamento. Fonte: STEPHEN (1991) 1.1.4 Trincheira de vedação e núcleo Muitas das barragens, homogéneas ou zonadas, podem beneficiar da construção de uma trincheira de vedação na fundação. Uma trincheira de vedação reduz percolação e melhora a estabilidade. Quando argila estabilizada, ou outro material, é usado, a trincheira de vedação deverá ser escavada a uma profundidade que minimize toda a possível percolação. Idealmente, a trincheira de vedação deverá ser escavada até à rocha sólida que se prolonga para grandes profundidades. Se a rocha subjacente está fissurada ou é irregular, poderá ser limpa e betonada de forma a oferecer uma boa superfície sobre a qual poderá ser colocada a argila. Para maiores irregularidades ou fendas, deverá P á g i n a | 22 ser usada uma calda de cimento, que é uma pasta espessa, mistura de cimento e água, que é despejada e varrida para dentro das fendas maiores e fissuras antes do concreto ser espalhado para encher as restantes irregularidades e para oferecer uma superfície quase plana. Para superfícies mais regulares com fendas menores, uma aguada de cimento (uma mistura fraca de cimento e água para formar uma textura cremosa) pode ser escovada ao longo duma superfície para selá-la e, de novo, oferecer uma superfície quase plana. O material da trincheira de vedação deverá ser colocado em camadas com um máximo de 50-75 mm de espessura com uma largura mínima de 1 m para pequenas barragens e camadas de 75-150 mm de espessura e 2-3 m de largura para barragens maiores. Cada camada deverá ser bem compactada e se todo o comprimento da barragem não poder ser acabado duma só vez, cada secção deverá ser bem introduzida e ligada à secção seguinte dado que a trincheira de vedação e núcleo são projetados como uma unidade homogênea para evitar percolação e problemas estruturais. A compactação deverá ser feita à mão ou com maquinaria (rolos ou vibradores), ou uma combinação dos dois. Se forem usados tratores agrícolas, os pneus podem ser cheios com água e, se for seguido um itinerário irregular através da largura da trincheira de vedação na altura de fazer o aterro, poder-se-á poupar muito tempo na compactação. Uma rega ligeira na área de empréstimo algumas horas antes da escavação, pode ajudar na remoção e carregamento do material, desde que não esteja demasiado molhado. A chuva pode causarproblemas e uma argila demasiado molhada torna-se muito difícil de compactar. Neste caso, será melhor esperar para que o solo seque antes de continuar a construção. É aconselhado uma contínua, ou pelo menos frequente monitoração da qualidade do material do núcleo, teor de humidade e procedimentos de assentamento das camadas, principalmente quando se emprega pessoal inexperiente. Nunca é demasiado realçar a importância de uma correta construção do núcleo. Não executar corretamente estes procedimentos comparativamente baratos pode levar, mais tarde, a problemas caros que medidas de remediação raramente resolverão completamente. Se o núcleo e a trincheira de vedação não forem assentes numa fundação firme, e feita em camadas finas e suficientemente úmidas para permitir a P á g i n a | 23 compactação, será demasiado tarde para introduzir medidas de correção depois da construção. 5 1.2 Barragens de enrocamento Para selecionar uma barragem de enrocamento, o local considerado adequado devera possuir as seguintes características: ✓ A disponibilidade de material rochoso em quantidade suficiente. Normalmente é necessário desmontar 100 m3 de rocha para cada 130 m3 lançados no corpo da barragem. As pedreiras devem estar localizadas preferencialmente em cotas superiores as da área de construção da barragem, visando facilitar o transporte de materiais; ✓ A possibilidade de utilização direta do material independente da fonte seja proveniente da escavação das fundações ou das outras estruturas, ou das pedreiras; ✓ A largura do vale, na cota da crista da barragem, deve ser a mais estreita no trecho aproveitável do rio, visando reduzir o volume da barragem; ✓ As fundações e as ombreiras devem ser resistentes e estanques; ✓ Deve haver facilidade para construção e acessos. Nas barragens de enrocamento (figura 06) o aterro e feito com fragmentos de rocha ou cascalho, compactado em camadas. Devem possuir uma zona impermeável, formada por solos e filtros de material granular. Geralmente, uma barragem de enrocamento apresenta mais de 50% de material permeável compactado ou descarregado. As mais comuns são as de núcleo interno de argila, existindo algumas com face de concreto e, mais recentemente, barragens de enrocamento com núcleo de asfalto, sendo que no Brasil encontramos duas barragens deste tipo: nas usinas hidrelétricas Foz do Chapeco e Jirau. A estabilidade da obra e resultante do seu peso e da imbricação das partículas dos diferentes materiais que constituem a barragem.6 5 STEPHENS, T. Manual sobre Pequenas Barragens de Terra. Organização das Nações Unidas para a Alimentação e a Agricultura, Roma – Itália, 2011, p.17. 6 MEIRELLES, F. S. C. Curso de Segurança de Barragens. Rio Grande do Sul, 2013, p. 15. P á g i n a | 24 Figura 6: Barragem de Enrocamento Serro do Lobo. Fonte: Portugal TPF (2005) Figura 7: Barragem de Enrocamento Serro do Lobo – Usina Hidrelétrica de Antônio Dias – MG. Fonte: MM Projetos & Consultoria (2010) P á g i n a | 25 1.3 Barragens de concreto 1.3.1 Metodologias construtivas Historicamente, as técnicas para construção de barragens de concreto podem ser agrupadas em cinco alternativas básicas, ao longo de seu desenvolvimento: ✓ Pedra argamassada; ✓ Concreto ciclópico; ✓ Concreto convencional em blocos; ✓ Concreto convencional em camada estendida; ✓ Concreto compactado com rolo – CCR. As duas primeiras alternativas de metodologias construtivas (pedra argamassada e concreto ciclópico) estão ultrapassadas e abandonadas. As demais opções são atuais e a decisão por uma delas depende de fatores que envolvem: ✓ Concepção estrutural; ✓ Dimensão da estrutura; ✓ Custos comparativos. Deve ficar entendido que, para algumas estruturas, ou parte delas, como por exemplo nas casas de força e no vertedouro, o uso de concretos e de métodos convencionais é um imperativo. As metodologias que são discutidas a seguir levam em consideração a possibilidade de poderem ser concorrentes entre si e também com barragens de terra ou enrocamento. De uma forma simples e objetiva pode-se resumir a tecnologia convencional de construção de barragens como: ✓ Uso de concreto convencional, com trabalhabilidade e consistência adequadas para se amoldar às formas e envolver embutidos mediante o emprego de vibradores de imersão; ✓ Uso de caçambas, caminhões, correias transportadoras, cabos aéreos, bombas etc. para o transporte do concreto até seu ponto final (bloco). P á g i n a | 26 1.3.2 Objetivos básicos das construções de barragens de concreto ✓ Diminuir a área de fôrma; ✓ Aumentar a velocidade dos lançamentos; ✓ Diminuir a mão-de-obra e aumentar mecanização; ✓ Diminuir as juntas de contração; ✓ Aumentar a competitividade com barragens de concreto, com barragens de terra e enrocamento. Figura 8: Forças atuantes em uma barragem de concreto. Fonte: ROSTAGNO (2011) Figura 9: Forças atuantes em uma barragem de concreto. Fonte: ROSTAGNO (2011) Resumo Nesta aula, abordamos: Barragens de Terra: Neste tópico abordou-se os tipos de barragens de terra como a homogênea, a zoneada e o a trincheira de vedação e núcleo. Este tipo de barragem é importantíssimo principalmente para a reserva de rejeitos de extração mineral. Barragens de Enrocamento: Tipo de barragem que exerce papel de contenção, podendo seu núcleo ser de terra compactada (argila) ou mesmo concreto. Também é utilizada como “píer” "de praia. Seu método executivo deve exigir o cuidado em assentar “pedra sobre pedra”, qual é encaixada, para que a obra tenha funcionalidade. Barragens de Concreto: Barragem do tipo rígida, que pode ser de gravidade, abóboda, contraforte ou compactada a rolo. O material utilizado pode ser o concreto simples ou concreto armado, qual a técnica a ser utilizada depende da fundação, da topografia e da geologia/geotecnia do local da construção. É um tipo de barragem largamente utilizado para a reservação de água para geração de energia elétrica ou mesmo abastecimento urbano de água potável. Complementar Para enriquecer seu conhecimento é importante que você: Revise a aula através do material complementar sugerido pelo professor; Execute a APS para os assuntos abordados nesta aula; Assista por completo os vídeos apresentados pelo professor, quais estão inseridos em “Aulas” na Plataforma Blackboard na página da disciplina; Aprenda sobre o tipo de barragem, principalmente quanto a sua estrutura e tipo de material de construção empregado. Referências Bibliografia da aula 01: MEIRELLES, F. S. C. Curso de segurança de barragens. Rio Grande do Sul, 2013. PEREIRA, G. M. PROJETO de usinas hidrelétricas passo a passo. São Paulo: Oficina de Textos, 2015. STEPHENS, T. Manual sobre pequenas barragens de terra. organização das nações unidas para a alimentação e a agricultura. Roma – Itália, 2011. AULA 1 Exercícios 1) Descreva o que é uma barragem zoneada de terra, citando suas características internas e externas. 2) Na praia de Marataízes - ES foram feitas obras de contenção das marés executando-se “piers”. O que são estes “piers” e quais foram os métodos construtivos desta obra? 3) Em uma pequena comunidade rural foi construída pequena barragem para reservação de água para abastecimento. Escreva, com suas próprias palavras, a importância deste tipo de obra, e, na sua opinião, qual a melhor técnica construtiva deverá ser adotada? 4) Adaptada do ENADE 2008 - Após a construção de uma barragem detectou- se a presença de uma camada permeável de espessura uniforme igual a 20 m e que se estende ao longo de toda a barragem, cuja seção transversalestá ilustrada abaixo. Essa camada provoca, por infiltração, a perda de volume de água armazenada. Sabe- se que, sob condições de fluxo laminar, a velocidade de fluxo aparente da água através de um meio poroso pode ser calculada pela Lei de Darcy, que estabelece que essa velocidade é igual ao produto do coeficiente de permeabilidade do meio pelo gradiente hidráulico — perda de carga hidráulica por unidade de comprimento percorrido pelo fluido, ou seja, 𝛥ℎ 𝑙 . A vazão de água através do meio é o produto da velocidade de fluxo pela área da seção atravessada pela água, normal à direção do fluxo. Suponha que o coeficiente de permeabilidade da camada permeável seja igual a 10−4 m/s, que ocorram perdas de carga hidráulica somente no trecho percorrido pela água dentro dessa camada e que a barragem e as demais camadas presentes sejam impermeáveis. Sob essas condições, a vazão (Q) por unidade de comprimento ao longo da extensão da barragem é: OBS.: Este exercício depende de conhecimentos de cálculo 0. Anotações do Aluno: Escolha do tipo Aula 2 APRESENTAÇÃO DA AULA A escolha do tipo de uma barragem depende de vários fatores como: topografia, geologia, solo da fundação, sitio a construir, material de construção empregado, maquinário utilizado, ferramentas, experiência da construtora, mão-de-obra empregada, bem como outros tantos diversos fatores a serem avaliados durante a fase de planejamento do empreendimento. O fator hidrológico também é importantíssimo pois abrange o regime de chuvas na região da obra e também as cheias futuras, sendo estas para 100, 1.000 e 10.000 anos. OBJETIVOS DA AULA Esperamos que, após o estudo do conteúdo desta aula, você seja capaz de: ➢ Definir a barragem a ser construída de acordo com a topografia; ➢ Escolher o melhor local pela forma do curso d’água existente no local; ➢ Definir o tipo de material de construção a empregar na construção da barragem; ➢ Escolher a melhor técnica construtiva de acordo com o sítio a ser situada a barragem; ➢ Entender o perfil geotécnico para a confecção da fundação da barragem. P á g i n a | 33 2 INTRODUÇÃO 2.1 Arranjo dos aproveitamentos Os arranjos dos aproveitamentos são estudados para cada local, considerando- se principalmente as condições topográficas locais, o provável apoio logístico em fase de construção, a possibilidade de evacuação de cheias durante a construção, a provável disponibilidade de materiais de construção, as condições gerais do ponto de vista geológico e geotécnico, a potência instalada calculada para o aproveitamento, a descarga calculada para o vertedouro e os resultados dos estudos especiais. O arranjo de um aproveitamento hidrelétrico é muito influenciado pelo tipo de vale, podendo este ser este encaixado e estreito, semi-encaixado ou aberto. Em vales encaixados e estreitos é usual a execução de barragens de concreto do tipo arco, como mostrado na 10. No caso de vales semi-encaixados pode-se optar por barragens do tipo gravidade, com contrafortes, conforme a figura 11, ou mesmo barragens de enrocamento. Quando se têm vales muito abertos, recomenda-se barragens do tipo gravidade de concreto convencional ou concreto compactado com rolo (CCR) e barragens de terra. As Figuras de 12 a 14 ilustram arranjos típicos para os três tipos de vales citados anteriormente.7 Anotações do Aluno: 7 ASSIS, A. P.; HERNANDEZ, H. M.; COLMANETTI, J. P. Apostila de barragens. Brasília-DF: UNB, 2006, p.8. P á g i n a | 34 Figura 10: UHE Funil, Itatiaia, RJ. Fonte: FURNAS (2001) Figura 11: UHE Três Marias, MG. Fonte: CEMIG (2015) P á g i n a | 35 Figura 12: Arranjo típico em vale estreito – UHE Yoshida. Fonte: UNB (2006) P á g i n a | 36 Figura 13: Arranjo típico em vale medianamente encaixado – UHE Foz da Areia/PR. Fonte: UNB (2006) P á g i n a | 37 Figura 14: Arranjo típico em vale aberto – UHE Tucuruí/PA. Fonte: UNB (2006) 2.2 Definição do tipo de barragem A escolha do tipo de barragem dependerá, principalmente, da existência de material qualificado para sua construção, dos aspectos geológicos e geotécnicos, e da conformação topográfica do local da obra. Outros fatores igualmente importantes para a seleção são: ✓ Disponibilidade de solo ou rocha: proveniente de escavações requeridas, disponíveis em quantidade e qualidade adequadas, segundo um fluxo compatível com a construção do arranjo proposto; ✓ Natureza das fundações: barragens de enrocamento e de concreto somente deverão ser colocadas sobre fundação em rocha, enquanto que as de terra poderão ser colocadas em solo; e ✓ Condições climáticas: a existência de períodos chuvosos razoavelmente prolongados onera exageradamente a construção de aterro de solo compactado ou núcleos de argila porque condiciona o progresso da construção. Um local poderá ser considerado propício para construção de barragem de terra homogênea, conforme figura 15, quando o reconhecimento de campo indicar que a rocha se encontra a grandes profundidades na área em consideração. Esse tipo de P á g i n a | 38 barragem exige menor declividade nos paramentos de montante e jusante e, portanto, resultando em maiores volumes. Por isso, é utilizado para pequenas e médias alturas.8 Figura 15: Seção típica de barragem de terra homogênea. Fonte: UNB (2006) O local poderá ser considerado propício para construção de barragem de enrocamento com núcleo de argila, conforme figuras 16 e 17, ou com face de concreto, conforme figura 18, se o reconhecimento de campo indicar, na área selecionada, a existência de rocha sã e de boa qualidade ao longo do eixo, a pequena profundidade. Esse tipo de barragem não necessita de condições especiais de fundação. Grandes volumes de escavação em rocha na casa de força, em canais e vertedouros são um bom indicativo para a utilização deste tipo de barragem. Além disso, se existirem períodos chuvosos ou excessiva umidade que prejudique a execução de núcleos de argila, ou a dificuldade na obtenção de material adequado para o núcleo, a solução com face de concreto é a mais indicada. Um local poderá ser considerado propício para construção de barragem de concreto, conforme figura 19, quando o reconhecimento de campo indicar, na área selecionada, a existência de rocha sã e com compressibilidade pequena ao longo de todo o eixo já que estas exercem maiores pressões nas fundações, a pequena profundidade. A estabilidade é garantida principalmente pelos esforços de gravidade. 8 ASSIS, A. P.; HERNANDEZ, H. M.; COLMANETTI, J. P. Apostila de Barragens. Brasília-DF: UNB, 2006, p.11 e 12. P á g i n a | 39 A não ser em casos excepcionais, somente deverão ser consideradas barragens de concreto tipo gravidade maciça. Figura 16: Seção típica de barragem de enrocamento com núcleo de argila vertical. Fonte: UNB (2006) Figura 17: Seção típica de barragem de enrocamento com núcleo de argila inclinado. Fonte: UNB (2006) P á g i n a | 40 Figura 18: Seção típica de barragem de enrocamento com face de concreto. Fonte: UNB (2006) Figura 19: Seção típica de barragem de concreto convencional a gravidade. Fonte: UNB (2006) Resumo Nesta aula, abordamos: O arranjo dos aproveitamentos: São estudados para cada local, considerando-se principalmente as condições topográficas locais, o provável apoio logístico em fase de construção, a possibilidade de evacuação de cheias durante a construção, a provável disponibilidadede materiais de construção, as condições gerais do ponto de vista geológico e geotécnico, a potência instalada calculada para o aproveitamento, a descarga calculada para o vertedouro e os resultados dos estudos especiais. Definição do tipo de barragem: Dependerá, principalmente, da existência de material qualificado para sua construção, dos aspectos geológicos e geotécnicos, e da conformação topográfica do local da obra. Complementar Para enriquecer seu conhecimento é importante que você: Revise a aula através do material complementar sugerido pelo professor; Execute a APS para os assuntos abordados nesta aula; Assista por completo os vídeos apresentados pelo professor, quais estão inseridos em “Aulas” na Plataforma Blackboard na página da disciplina; Aprenda sobre o a escolha do tipo de barragem, principalmente quanto ao estudo do topográfico e geológico. Referências Bibliografia da aula 02: ASSIS, A. P.; HERNANDEZ, H. M.; COLMANETTI, J. P. Apostila de barragens. Brasília-DF: UNB, 2006. BRASIL. Ministério das Minas e Energia. Furnas Centrais Elétricas S/A. Itatiaia, 2011; GOVERNO DE MINAS GERAIS. Centrais Elétricas Minas Gerais (CEMIG). Três Marias, 2015. AULA 2 Exercícios 1) As barragens são construídas pelo tipo de função a exercer. Com isso, temos diversos tipos de técnicas executivas, bem como podemos saber com qual material irá ser construída, se há material disponível na praça, etc. Sendo assim, qual o tipo de barragem a ser construída em cursos d’água com pequena profundidade e grande largura, sendo a obra para a reserva de rejeitos de atividade de extração mineral. 2) A topografia local para a construção de barragens é fator fundamental para a escolha do tipo, bem como saber os tipos de investigação geotécnica a executar e também o tipo de técnica executiva para se ter sucesso na execução do projeto executivo da obra. Escreva, as características técnicas para a escolha do tipo de barragem a ser adotada em uma situação valem do tipo médio e topografia acidentada nas encostas. 3) Escreva as características técnicas para a escolha do tipo de barragem a ser adotada em uma situação vale do tipo médio. 4) Conforme comentado em sala de aula, explique porque no município de Marataízes-ES foram realizadas obras de enrocamento/espigões (piers)? 5) Adaptada TRE/AM 2010 - Uma barragem de terra foi construída de acordo com o projeto esquemático representado a seguir. P á g i n a | 45 Após 2 meses da execução dos últimos detalhes da obra e há 1 mês do preenchimento do reservatório, foram notadas trincas em certas áreas da barragem, de acordo com a vista superior esquemática abaixo. Em relação ao corte (1) indicado é correto afirmar que: a) O geotêxtil deve envolver o enrocamento por completo. b) Deve existir enrocamento em ambos os lados da barragem. c) A faixa de argila compactada deve envolver o enrocamento. d) i% não pode ser maior que I%. e) O enrocamento dever ser instalado em ambos os lados da barragem. Investigação das fundações Aula 3 APRESENTAÇÃO DA AULA As investigações de fundações de barragens têm grande importância, pois servem como base para saber que tipo de maciço pode ser construído no sitio escolhido, bem como as alternativas de construtivas a serem realizadas. É importante salientar que este estudo tem conceitos que vem da disciplina de fundações e mecânica dos solos I e II, por isso o entendimento destas disciplinas é fundamental. OBJETIVOS DA AULA Esperamos que, após o estudo do conteúdo desta aula, você seja capaz de: ➢ Quais são os elementos de campo para a execução do levantamento topográfico; ➢ Quais são os elementos de campo para a execução do levantamento geológico e geotécnico; ➢ Utilizar técnicas de investigação de uma fundação; ➢ Entender as execuções dos diversos tipos de sondagens, como as diretas e as indiretas. P á g i n a | 47 3 INTRODUÇÃO As áreas primárias de preocupação geológica são as bordas do reservatório, a estabilidade dos encontros, a percolação e os riscos de deslizamentos de terra. A análise geológica necessita, muitas vezes, localizar ou estabelecer conhecimento em pormenores, da estrutura da rocha, da sismicidade induzida e dos efeitos relacionados com sismos, e das propriedades geofísicas das barragens de terra e/ou de enrocamentos e fundações. A análise consistirá de uma revisão de dados geofísicos, instrumentação, registros e relatórios de percolações passadas, movimentos de lençóis freáticos, estudo das propriedades dos materiais e estruturas, e interpretações de fotografia aérea por sensoriamento remoto. Todos os dados de instrumentação disponíveis devem ser revistos durante a avaliação. Se não há dados ou se os dados disponíveis são limitados uma determinação é feita quanto à necessidade de instrumentação adicional para avaliar um problema potencial de segurança de barragem. A estabilidade estática da barragem e da fundação será analisada quanto ao recalque, deslocamento e umedecimento excessivo. Dados tais como mapas geológicos, registros de perfuração, ensaios de laboratório, superfície freática e métodos de construção devem ser usados, quando disponíveis. Hipóteses de resistência baseadas nos tipos, gradações e ao cisalhamento, para análise, métodos de compactação dos materiais pressupõem que uma condição de resistência a longo prazo, consolidada e drenada, tenha sido atingida. Superfícies freáticas são estimadas, utilizando dados piezométricos, quando disponíveis, ou são estabelecidas, baseadas na zonificação da barragem e na configuração do talude. Análises de estabilidade devem ser normalmente executadas para uma condição de percolação estacionária. A estabilidade à percolação de uma barragem e fundação é focalizada em itens tais como o aumento da percolação com o tempo, a presença de sumidouros, cavidades ou bolhas de areia, e utilizará registros de informações na avaliação. Análises de percolação, como as por gradientes críticos, por construção de redes de escoamento e por elementos finitos, são executadas quando necessárias e quando dados suficientes estão disponíveis. A integridade de controle da percolação dos filtros, drenos, coberturas e materiais de zonas de transição é também analisada. Rever mapeamentos geológicos, plantas e seções transversais, mostrando todos os elementos da exploração e resumindo interpretações dos perfis de P á g i n a | 48 sondagem e geológicos, incluindo pelo menos a barragem, estruturas associadas, fontes de material e, se disponível, a geologia do reservatório. Deve ser dada especial atenção aos aspectos geológicos que influenciem considerações de projeto, tais como: zonas de cisalhamento, falhas, fraturas abertas; camadas, juntas, fissuras ou cavernas; deslizamentos de terra; variabilidade de formações; materiais compressíveis ou liquefatíveis; planos de estratificação fracos etc. Rever registros pormenorizados de exploração, inclusive condições litológicas e físicas dos materiais encontrados, dados de ensaio da água, resultados dos ensaios de penetração normal e outros ensaios de resistência, e frequência e tipos das amostras obtidas dos ensaios de laboratório. Rever dados geofísicos. Rever estudos petrográficos ou químicos dos materiais da fundação e dos materiais naturais de construção. Rever as partes geológicas de todos os relatórios relevantes do local, desde estudos preliminares de reconhecimento até os registros finais de como-construído. Rever fotografias aéreas do local e do reservatório. Rever estudos geológicos regionais, publicados ou não, que sejam relevantes paraa locação da barragem e do reservatório. Examinar as características pertinentes da geologia da área nos locais da barragem e associados, locais de empréstimos e de bota-fora, e, na medida do possível, na bacia do reservatório. Examinar núcleos representativos recuperados da exploração do local, particularmente das zonas indicadas nas testemunhas como sendo severamente quebradas, desgastadas pelo tempo ou altamente permeáveis.9 3.1 Investigação geológico-geotécnica O programa de investigações geológico-geotécnicas deverá ser tal a fornecer as informações necessárias para se elaborar o projeto de escavação, levando em consideração o modelo geológico-geotécnico de cada local e a fase dos estudos. A investigação geológica básica engloba o mapeamento de superfície e as sondagens mecânicas (percussão, rotativa e trado). Essa investigação pode ser complementada por poços, galerias, amostragens especiais e ensaios in-situ. A elaboração de um modelo geológico para a área do projeto é o passo inicial e fundamental para toda a programação das investigações e para a concepção do projeto. O Projeto definirá este modelo em função da composição litológica e estrutural 9 BRASIL. Manual de Segurança e Inspeção de Barragens – Brasília: Ministério da Integração Nacional, 2002, p. 73 e 74. P á g i n a | 49 do local, procurando identificar suas principais características que possam influenciar o desenvolvimento das obras. A experiência com maciços similares, no Brasil bem como no exterior, deve ser usada na previsão de eventuais feições geológicas usualmente encontradas e que condicionaram comportamentos adversos em outros projetos. A previsão dos volumes e dos tipos de materiais muitas vezes torna aconselhável ou mesmo exige, que complementarmente às sondagens mecânicas, outros métodos de investigação, como a geofísica (sísmica de refração e reflexão, eletrorresistividade, GPR etc....) sejam usados para permitir uma melhor elaboração do modelo geológico-geotécnico. Toda importância deverá ser dada à caracterização geomecânica dos materiais envolvidos. Para isto, serão usados os procedimentos correntes de caracterização de maciços rochosos, entre eles, aqueles desenvolvidos pela ABGE/IPT e ISRM. As condições hidrogeotécnicas do maciço devem ser avaliadas com segurança através de ensaios de perda d’água, infiltração, bombeamento, instalação de medidores de nível d’água, piezômetros, etc.... O estado de tensões do maciço deve ser avaliado apenas quando necessário, principalmente no caso de se prever a escavação de obras subterrâneas de grande porte e/ou quando se antecipam condições muito anômalas de tensões. Nesses casos, os métodos mais usados são o fraturamento hidráulico, sobrefuraçáo, etc. Entretanto, mesmo sendo realizados ensaios, a observação do comportamento do maciço de campo é de fundamental importância e deve ser sistematicamente feita, principalmente quando suportada por retroanálise e monitoramento e pode, algumas vezes, permitir aferir resultados de ensaios. Caso necessário, quando ocorrerem materiais pouco conhecidos ou em condições pouco usuais, dever-se-á obter amostras dos materiais para ensaios de laboratório ou in-situ que complementem as informações obtidas.10 10 BRASIL. Centrais Elétricas Brasileiras S/A - Eletrobrás. Critério de Projeto Civil de Usinas Hidrelétricas, 2003, p. 222 e 223. P á g i n a | 50 3.2 Previsão das condições executivas Com base nas investigações geológico-geotécnicas e no estudo do arranjo será feita a previsão das condições executivas que são esperadas e ainda definidos os estudos e análises que se fizerem necessários. ✓ Classificação geomecânica dos materiais Os maciços rochosos serão classificados usando um dos procedimentos usuais. Deverá ser feita a previsão dos tipos de material a ser escavados e sua classificação de acordo com a categoria de escavação. A previsão implica na avaliação dos volumes envolvidos e sua distribuição ao longo da escavação, complementado preferencialmente por seções e mapas que fornecerão uma visualização adequada para o planejamento executivo. Os seguintes materiais serão diferenciados: ➢ Material comum, inclui todos os materiais que possam ser escavados sem a necessidade do uso de bico de lâmina ou escarificador de trator pesado (tipo D8), e que não estejam saturados. ➢ Material escarificável, inclui todos os materiais que exijam o uso sistemático de bico de lâmina e escarificador de trator pesado e eventual uso de fogacho. ➢ Rocha, inclui os materiais que só podem ser escavados com detonação de explosivos. ➢ Materiais de Difícil Escavação, inclui solos com matacões, solos moles e/ou expansivos, saturados, permanentemente submersos, etc., deverão ser avaliados, localizados e cubados de modo a permitir o planejamento de sua remoção. ✓ Influências da Água Subterrânea A posição da água subterrânea tem sido reconhecida como um dos fatores mais importantes na estabilidade de taludes e na escavabilidade dos materiais. No caso de barragens é imprescindível ter-se em conta sua posição antes e depois de cheio o reservatório. No primeiro caso a influência no método de escavação e na estabilidade dos taludes mesmo provisórios tem que ser considerada. No segundo caso são principalmente os taludes definitivos os mais afetados. Especial atenção deverá ser dada, em maciços heterogêneos, à possibilidade de ocorrência de aquíferos P á g i n a | 51 artesianos e suspensos. A existência da água deve ser sempre definida juntamente com as características de permeabilidade e erodibilidade dos materiais associados, de modo que os tratamentos eventualmente necessários possam ser adequadamente dimensionados. ✓ Estabilidade de Taludes A garantia de estabilidade dos taludes será em princípio, e sempre que possível, obtida através da definição de uma inclinação adequada para cada um dos horizontes ocorrentes. Quando tal não for possível, os tratamentos e reforços necessários terão que ser previstos e dimensionados. Como diretriz geral, para taludes não condicionantes às feições geológicas são indicadas as inclinações dos taludes de escavações para os diversos materiais. Tabela 1: Proporção máxima de taludes em barragens de acordo com o solo. Fonte: ELETROBRÁS (2003) Outra questão que deverá ser considerada é a adoção de bermas de segurança ao longo do talude. O estudo geotécnico deve fornecer os dados necessários para definir os tipos de ruptura possível (ruptura circular, planar, cunha, etc.) o que permitirá escolher o método de análise utilizável. Neste estudo o problema terá que ser enfocado sempre na escala dos fenômenos superficiais, que afetam pequenos volumes, em geral entre bermas, e a estabilidade global do talude. As feições geológico-geotécnicas que controlam cada caso são diferentes, bem como os parâmetros a serem adotados e as análises a serem elaboradas. P á g i n a | 52 A definição dos parâmetros para análises poderá ser feita com base em estudos estatísticos de materiais semelhantes em obras conhecidas ou da própria obra durante as escavações parciais. Ensaios poderão ser feitos para materiais pouco convencionais ou quando for necessária uma análise muito pormenorizada da estabilidade do talude. Métodos empíricos para definição de parâmetros de maciços rochosos (Hoek e Brown) e de descontinuidades de rochas (Barton e Choubey) poderão ser utilizados. ✓ Proteção Superficial Os materiais escavados deverão ser estudados também com a finalidade de se definir sua desagregabilidade e erodibilidade, principalmente junto à superfície de escavação final prevista. Estas informações permitirão prever os tratamentos superficiais a serem aplicados para cada caso e tendo em conta a importânciadas fundações e dos taludes, provisórios ou permanentes. ✓ Necessidade de Controle de Vibrações A execução de detonações próximas às estruturas existentes ou em construção pode exigir um projeto de escavação que limite adequadamente as vibrações produzidas e/ou o lançamento de fragmentos. Muitas vezes as próprias superfícies escavadas e os tratamentos nelas executados precisam ser protegidos. São indicadas a seguir os limites usuais de velocidades de partículas: ➢ Para concretos com idade maior que 24h e distâncias maiores que 9 m Vmax = 15 cm/s; ➢ Para concretos com idade menor que 24h e distâncias maiores que 20 m Vmax = 5 cm/s; ➢ Para distâncias menores que 9m e idades maiores que 24h limitar as deformações a 0,6 mm; ➢ Para superfícies finais acabadas escavadas em rocha, limitar a velocidade em 30 cm/s; ➢ 2,5 cm/s para proteção de equipamentos eletromecânicos. P á g i n a | 53 A minimização de danos aos materiais remanescentes, quando necessária, exigirá um projeto de escavação específico incluindo métodos especiais de fogo (de contorno, pré-fissuramento etc....) e limitação das cargas adjacentes. ✓ Acabamentos das Superfícies de Escavação Em função do acabamento que se pretende obter nas superfícies escavadas serão limitadas as sobre-escavações (over-breaks) e as sub-escavações (under- breaks) para cada superfície. No caso das superfícies hidráulicas, principalmente túneis de desvio, tais limitações devem traduzir os critérios adotados na definição das rugosidades admitidas. Serão, então, indicadas no projeto, para cada situação, duas linhas limites: qualquer saliência aquém da linha mais externa (em relação ao maciço) terá que ser removida e qualquer depressão além da linha mais interna terá que ser preenchido com material a ser especificado. ✓ Acompanhamento Executivo O projeto de escavação deverá, obrigatoriamente, contemplar um programa de acompanhamento executivo, de modo a caracterizar as condições geológico- geotécnicas encontradas e sugerir adaptações, eventualmente necessárias, visto que as previsões feitas durante o projeto estão sujeitas às inevitáveis variações em função dos imprevistos durante a construção.11 11 BRASIL. Centrais Elétricas Brasileiras S/A - Eletrobrás. Critério de Projeto Civil de Usinas Hidrelétricas, 2003, p. 223 a 226. Resumo Nesta aula, abordamos: Investigação geológico-geotécnica: O programa de investigações geológico-geotécnicas deverá ser tal a fornecer as informações necessárias para se elaborar o projeto de escavação, levando em consideração o modelo geológico- geotécnico de cada local e a fase dos estudos. Previsão das condições executivas: Com base nas investigações geológico- geotécnicas e no estudo do arranjo será feita a previsão das condições executivas que são esperadas e ainda definidos os estudos e análises que se fizerem necessários: classificação geomecânica dos materiais; influências da Água Subterrânea; estabilidade de taludes; proteção superficial; necessidade de controle de vibrações; acabamentos da superfície de escavação; acompanhamento executivo. Complementar Para enriquecer seu conhecimento é importante que você: Revise a aula através do material complementar sugerido pelo professor; Execute a APS para os assuntos abordados nesta aula; Assista por completo os vídeos apresentados pelo professor, quais estão inseridos em “Aulas” na Plataforma Blackboard na página da disciplina; Aprenda sobre a investigação das fundações, principalmente quanto ao estudo geológico-geotécnico. Referências Bibliografia da aula 03: BRASIL. Centrais Elétricas Brasileiras S/A - Eletrobrás. Critério de Projeto Civil de Usinas Hidrelétricas, 2003. BRASIL. Manual de Segurança e Inspeção de Barragens. Brasília: Ministério da Integração Nacional, 2002. AULA 3 Exercícios 1) Adaptada Concurso Apiacá-ES 2007 – O estudo dos lençóis freáticos próximo a barragens, ou mesmo a construção de barragens é importante porque os mesmos podem ser imensamente prejudiciais ao maciço e sua operação. Técnicas de rebaixamento de lençóis podem ajudar e muito a manter a barragem segura e funcional. Escreva, porque o “pipping” é prejudicial para as fundações de barragens, principalmente de terra. 2) Sondagens são essenciais para o planejamento construtivo de barragens. Podem ser do tipo indireta ou mesmo diretas e estão relacionadas com a investigação geotécnica da praça de construção. Descreva, para que servem as sondagens do tipo diretas e como são feitas as suas explorações em campo. 3) Descreva, a importância das sondagens indiretas na construção de barragens, abordando seus procedimentos e finalidades. 4) Quando fazemos as devidas investigações para a escolha do tipo de fundações de barragens, temos que verificar alguns elementos necessários no levantamento topográfico de campo. Cite 04 (quatro) desses elementos Anotações do Aluno: 5) Adaptada do ENADE 2008 - Após a construção de uma barragem detectou- se a presença de uma camada permeável de espessura uniforme igual a 20 m e que se estende ao longo de toda a barragem, cuja seção transversal está ilustrada abaixo. Essa camada provoca, por infiltração, a perda de volume de água armazenada. Sabe- se que, sob condições de fluxo laminar, a velocidade de fluxo aparente da água P á g i n a | 58 através de um meio poroso pode ser calculada pela Lei de Darcy, que estabelece que essa velocidade é igual ao produto do coeficiente de permeabilidade do meio pelo gradiente hidráulico — perda de carga hidráulica por unidade de comprimento percorrido pelo fluido, ou seja, Δh/l. A vazão de água através do meio é o produto da velocidade de fluxo pela área da seção atravessada pela água, normal à direção do fluxo. Suponha que o coeficiente de permeabilidade da camada permeável seja igual a 10^−4 m/s, que ocorram perdas de carga hidráulica somente no trecho percorrido pela água dentro dessa camada e que a barragem e as demais camadas presentes sejam impermeáveis. Sob essas condições, a vazão (Q) por unidade de comprimento ao longo da extensão da barragem é: OBS.: Este exercício depende de conhecimentos de cálculo 0. Tratamento das fundações Aula 4 APRESENTAÇÃO DA AULA Os tratamentos das fundações de barragens têm grande importância, pois servem como base para saber que tipo técnica executiva será utilizada para receber as obras do maciço, seja ele de terra, enrocamento ou mesmo de concreto, bem como estruturas mistas como enrocamento-terra ou enrocamento-concreto. OBJETIVOS DA AULA Esperamos que, após o estudo do conteúdo desta aula, você seja capaz de: ➢ Quais são os principais problemas a erem enfrentados antes do tratamento das fundações; ➢ Os critérios para o tratamento das fundações; ➢ Medidas de tratamento; ➢ Métodos de tratamento; ➢ Medidas preventivas e suas técnicas executivas. P á g i n a | 60 4 INTRODUÇÃO São considerados os tratamentos superficiais e profundos rotineiros e alguns métodos especiais. A seleção de cada método deve levar em consideração as características da fundação a ser tratada, o tipo de projeto e os custos envolvidos. São considerados ainda os critérios de liberação de fundações que devem ser utilizados com a finalidade de aprovar os serviços de tratamento executados. Os objetivos principais dos tratamentos são: ➢ Melhorar e garantir as condições de contato do material a ser lançado com a sua fundação; ➢ Melhorar as qualidades mecânicas do maciço, seja de resistência ou de deformabilidade; ➢ Redução da permeabilidade da fundação e/ou homogeneizaçãode fluxos pela fundação; ➢ Controle das sub-pressões; ➢ Evitar o carreamento de solos pela fundação. É importante que o Projeto defina claramente o objetivo que justifica o tratamento ou seja seu custo/benefício e os parâmetros que serão usados para controle dos resultados. Quando da análise crítica dos processos de tratamento de fundação possíveis resultar conveniente a remoção dos materiais. O modelo geológico-geotécnico incluindo o hidrogeológico (modelo hidrogeotécnico) deve ser o principal instrumento de análise das condições dos maciços de solo e/ou rocha a serem tratados, levando em conta os requisitos de fundação de cada estrutura. Em função desses dados o tipo e extensão dos tratamentos são definidos. A justificativa econômica deverá ser sempre apresentada na definição da necessidade real dos tratamentos a serem executados na fundação da estrutura. Deverá ser sempre demonstrada a necessidade dos tratamentos com base na segurança da obra, justificada através de memória de cálculo que indique claramente os objetivos a serem atingidos com os métodos propostos. Após a definição da necessidade de tratamentos da fundação, o projeto deverá verificar qual o tipo de tratamento a ser executado vinculado principalmente à maior eficiência dentro do P á g i n a | 61 menor custo considerando inclusive a possibilidade de remoção dos materiais em lugar de seu tratamento. Deverá ser feita uma análise comparativa de custos entre os métodos de tratamentos adequados a cada caso. Deverão ser utilizadas principalmente técnicas convencionais de tratamento disponíveis no mercado nacional e que tenham sido utilizadas, aferidas e aceitas em outras obras similares. Para qualquer tratamento que deva ser feito por exigência do projeto utilizando técnicas não convencionais ou não disponíveis no mercado nacional, deverão ser demonstradas sua aplicabilidade e eficiência. Para o caso proposto, poderão ser solicitados testes de campo no local de implantação da obra para aferição do método e equipamentos propostos para cada tratamento. Os métodos deverão ser propostos, inicialmente, pela Projetista, podendo ser discutidos e questionados pelo Construtor ou Responsável pelo Empreendimento, com vistas à sua adequação ou para a utilização de métodos alternativos que resultem numa solução técnica ou econômica mais favorável.12 4.1 Tratamento superficial O tratamento superficial tem por objetivo preparar a superfície da fundação para receber o material que lhe será sobreposto. Deverão ser considerados aqui apenas os trabalhos realizados diretamente na superfície do terreno. Tratamentos sub- superficiais, mesmo rasos, desde que sistemáticos, deverão ser abordados como tratamento profundo. Apenas se deve considerar aqui tratamentos localizados para feições específicas. A sequência de tratamentos superficiais é similar para os diversos tipos de interface estrutura-fundação, sendo estes tratamentos diferenciados em função de sua intensidade de aplicação e dos materiais envolvidos. Deverão ser diferenciadas as condições de fundação em solo e em rocha e os materiais que cobrirão a fundação: concreto e aterro, solo ou enrocamento. Nestes critérios as várias fases são descritas sequencialmente independentemente do tipo de fundação e estrutura.13 12 BRASIL. Centrais Elétricas Brasileiras S/A - Eletrobrás. Critério de Projeto Civil de Usinas Hidrelétricas, 2003, p. 237 e 238. 13 BRASIL. Centrais Elétricas Brasileiras S/A - Eletrobrás. Critério de Projeto Civil de Usinas Hidrelétricas, 2003, p. 239. P á g i n a | 62 4.1.1 Remoção de materiais indesejáveis O projeto de fundação de cada estrutura definirá os tipos de materiais adequados para a fundação da estrutura em consideração. O projeto deverá definir limites aceitáveis para a permanência de cada material em cada estrutura, quando for possível. Entretanto, pode ser de interesse analisar comparativamente a remoção de tais materiais e os tratamentos ou reforços necessários. O projeto de tratamento superficial se inicia, portanto pela consideração da possibilidade e/ou interesse na remoção de materiais indesejáveis ainda remanescentes na fundação. Caso se defina pela remoção, os critérios para controle deverão ser informados de forma objetiva com base nas características visuais dos materiais ou as características de resistência, deformabilidade e permeabilidade pretendidas, indicando a forma de aferição das mesmas e o procedimento de acompanhamento geotécnico.14 4.1.2 Regularização da fundação As irregularidades topográficas existentes na fundação podem causar problemas de concentração de tensão nas estruturas e/ou dificuldades executivas, o que pode justificar sua eliminação. O projeto definirá qual o tratamento a ser realizado, se remoção por escavação, retaludamento ou regularização com material adequado, em geral concretagem, e se de maneira localizada ou generalizada. Deverá ser feita justificativa quanto à solução adequada analisando-a não só no aspecto técnico-econômico como também de cronograma executivo. Taludes de altura significativa, muito íngremes ou mesmo negativos, para determinados materiais e alturas da barragem, podem ter que ser suavizados para garantir uma melhor distribuição de tensão dentro da estrutura. O projeto definirá a posição em que eles terão que ser tratados, o ângulo máximo de inclinação aceitável, a conformação que deve ser dada ao terreno e também o método de escavação 14 BRASIL. Centrais Elétricas Brasileiras S/A - Eletrobrás. Critério de Projeto Civil de Usinas Hidrelétricas, 2003, p. 239. P á g i n a | 63 exigido. Sempre se procurará definir um método de escavação que minimize abalos no material remanescente.15 4.1.3 Limpeza A limpeza é a remoção de todo material solto na fundação. O projeto deverá considerar a execução da limpeza em duas fases: a limpeza grossa e a fina, esta última incluindo a lavagem. Serão definidas as limitações quanto ao uso de equipamentos em cada fase e quanto à pressão de água e/ou ar do processo de lavagem. Estes processos serão definidos levando em conta a erodibilidade e desagregabilidade dos materiais da fundação e o rigor necessário. Descontinuidades geológicas individuais que pela sua extensão e/ou abertura justifiquem tratamentos localizados terão tais tratamentos projetados de acordo com o objetivo a ser alcançado, envolvendo remoção parcial do material de preenchimento e substituição por outros adequados, em função do material que será lançado.16 4.1.4 Recobrimento superficial A necessidade de A necessidade de recobrimento superficial da fundação será definida em função da possibilidade de ocorrer carreamento do material do aterro para feições da fundação ou do material da fundação para dentro do aterro. O projeto definirá o material a ser usado e sua espessura e terá em conta a compatibilidade de deformação entre ele, o material a ser lançado sobre ele e a fundação. Os materiais a serem considerados são os filtros granulares, o concreto poroso, argamassa, concreto lançado, concreto varrido (slush grouting), emulsão asfáltica, etc. O emprego eventual de Geossintéticos e de emulsões asfálticas deverá ser avaliado de forma criteriosa, em particular para o caso dos Geossintéticos, com atenção para sua durabilidade e manutenção de características físicas ao longo da vida da obra (filtração, impermeabilização, possibilidades de colmatação, etc.). 15 BRASIL. Centrais Elétricas Brasileiras S/A - Eletrobrás. Critério de Projeto Civil de Usinas Hidrelétricas, 2003, p. 240. 16 BRASIL. Centrais Elétricas Brasileiras S/A - Eletrobrás. Critério de Projeto Civil de Usinas Hidrelétricas, 2003, p. 240. P á g i n a | 64