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ROBERTO SCHIMITZ RODRIGUES¹ 1 DISCENTE DO CURSO DE ENGENHARIA AGRICOLA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO PAMPA CAMPUS ALEGRETE, alegreteagro@outlook.com 1. Introdução: As barragens, definidas como obstáculos artificiais com a capacidade de reter água, qualquer outro líquido, rejeitos ou detritos, para fins de armazenamento ou controle, podem variar em tamanho desde pequenos maciços de terra, usados frequentemente em fazendas, à enormes estruturas de concreto ou de aterro, geralmente usadas para fornecimento de água, de energia hidrelétrica, para controle de cheias e para irrigação, além de diversas outras finalidades (COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS, 2019). 2. Objetivo: O objetivo do presente trabalho é definir os critérios de dimensionamento para chegar ao volume morto, útil e de espera de uma barragem, área de inundação, definindo-se as respectivas áreas que compreendem o uso da terra da bacia hidrográfica de captação, metodologia para a construção do barramento com execução de sondagens para definir os solos do local da construção e suas cotas em profundidades e calcular o volume de material utilizado na construção do mesmo. A definição dos ensaios realizados em laboratório, são destinados a gerar dados necessários para obter os resultados da compactação do talude entre outros, que serão utilizados para gerar a estabilidade do barramento da barragem, prevendo se haverá ou não, colapso futuro, através do software “GeoSlop”, além do traçado da Rede de Fluxo. O empreendimento, está situado na região do Bioma Pampa do Rio Grande do Sul, no município de Alegrete. O de rede de fluxo visa compreender o comportamento hídrico no interior do talude, para o entendimento da estabilidade do mesmo, tendo em vista que quando se tem o conhecimento prévio da mesma pode-se, por exemplo, realizar ou não a implantação de um filtro de pé ou inclinado neste talude, evitando que o solo constituinte do barramento seja transportado para fora diminuindo sua resistência, o que em um determinado tempo pode levar a um colapso da estrutura. O filtro inclinado tem como referência a altura da crista e é usado quando esta for superior à 25 metros. Caso o projetista queira implantar o mesmo, ficará à sua disposição, se achar necessário por condições do solo avaliado em laboratório mediante sondagens geotécnicas. INDICE Localização da barragem 1 Imagem com descrição da cota do barramento 01 1.1 Características da bacia hidrográfica 01 1.2 Mapa da bacia de acumulação 02 2 Descrição da construção do barramento 2.1 Aspectos construtivos 03 3 Dimensionamento da barragem 3.1 Características físicas do barramento da barragem 03-04 3.2 Critérios de cálculos para definir o barramento 04 4 Área de preservação 4.1 Apps da bacia hidrográfica 04 4.2 Mapa da rede de drenagem e Áreas de preservação permanente 05 5 Características da área de inundação 5.1 Topografia e volume da barragem 06 6 Estimativa de vazão máxima de cheias 6.1 Declividade média da bacia hidrográfica 07 6.2 Coeficientes de escoamento superficial 07-08 6.3 Velocidade média em função da cobertura vegetal 08-09 6.4 Métodos da estimativa do tempo de concentração médio 09-10 6.5 Intensidade máxima média da precipitação pelo método-IDF 10 6.6 Métodos para estimar a vazão máxima da bacia hidrográfica 10 6.7 Estimativa do volume de espera de cheias 11-13 7 Vertedouro 7.1 Dimensionamento do vertedouro da barragem 13 8 Volumes da barragem pelas precipitações médias da região 8.1 Tabela com critérios de dimensionamento até o volume útil 14 8.2 Volume total do reservatório 14 9 Barramento da barragem 9.1 Altura da barragem 15 9.2 Cálculo da largura da crista 15 9.3 Cálculo das seções do barramento 16 INDICE 9.4 Cálculo das áreas das seções do barramento 16-17 9.5 Cálculo do volume do material do barramento 17-18 9.6 Planta baixa do barramento 19 10 Curvas de nível 10.1 Cotas e curvas de nível, geradas pelo Google Earth Pro 20 11 Auto Cad Cívil 3d 11.1 Superfície, barramento e volume de aterro 21 12 ArcMap 10.8 (Arcgiz) 12.1 Confecção de polígonos e áreas das curvas de níveis da barragem 22 13 Volume do reservatório 13.1 Volume útil, morto e de espera 23 13.2 Tabela com descriçãodo volume total 24 13.3 Parecer descritivo entre o volume útil das chuvas e do reservatório 24 14 Rede de fluxo 14.1 Critério para determinar a linha tracejada da rede de fluxo 25-26-27 15 Filtro da barragem 15.1 Vazão da rede de fluxo 28 15.2 Altura do filtro 29 15.3 Traçado da rede de fluxo em folha milimetrada 30 16 Piping 16.1 critérios de dimensionamento para evitar o piping 30-31-32 17 Tensões totais, efetivas e poropressão no ponto A e B 17.1 Critérios de cálculos 32-33 18 Geo-Slop 18.1 rede de fluxo e estabilidade de taludes pelo método-Fellenius 34 19 Referências bibliográficas 35 1 3. Material e métodos: Para atingir o objetivo proposto neste trabalho, foram extraídos os dados de um projeto construtivo de uma barragem de terra, localizada no Capivari- Alegrete-RS (Figura 1). Figura 1: Localização da barragem. Fonte: SCHIMITZ, 2021. A irrigação na propriedade se dá por inundação, a qual a água chega até seu local de destino por bombeamento, sendo conduzida por sulcos construídos no terreno. A bacia de acumulação está inserida na Bacia do Capivari, com o limite do divisor de águas que compreende uma área de 382 hectáres com as suas respectivas ocupações conforme mostra o uso da terra na composição da mesma, sendo realizado o estudo no software ArcMap 10.8 (arcgiz). O local de estudo obteve o georreferenciamento pelas coordenadas planas, SIRGAS 2000 UTM ZONE 21S (Figura 2). 2 Figura 2: Bacia de acumulação. Fonte: SCHIMITZ, 2021. 3 No local onde foi assentado o maciço foi removida toda a camada orgânica e feita uma trincheira, conforme o projeto, até atingir a rocha alterada, com a resistência desejada, à aproximadamente um metro de profundidade. O solo utilizado na confecção da barragem foi retirado de pontos estratégicos, aos quais por sondagem do subsolo pode-se retirar amostras para realização de ensaios em laboratório, definindo assim as características do material disponível. Após verificar a resistência deste material, pode-se assim definir ilhas de escavação para que o solo utilizado no maciço resultasse em um conjunto homogêneo de boa compactação e alta estabilidade. Pela dificuldade de solo de segunda categoria (solo resistente), vários foram os pontos escolhidos para retirada de material, o que fez com que boa parte do material do leito do barramento fosse retirado e posto em bota-foras. A compactação se deu em camadas de 0,15 metros de espessura, utilizando os pneus dos equipamentos de transporte do solo, dentro das recomendações da NB-33. O talude de montante foi protegido por enrocamento de pedras e o de jusante por gramínea proveniente do próprio terreno. O volume de terra foi acrescido 5% do total do volume calculado para a construção do barramento, devido a escavação para retirada de material orgânico. As características do reservatório são: Acumulação: Nível mínimo: Cota 0,00 m- 0,00 m³; Nível normal: Cota 3,50 m- 160.377,28 m³; Nível máximo: Cota 4,50m- 269.122,64 m³. Volume de terra: Volume total: Cota 5,50- 9.855,132 m³; Área a irrigar: 68 hectares (ha). Dimensionamento da barragem As dimensões da barragem do estudo de caso foram: Altura total da barragem de 5,50 metros. O talude de montante possui inclinação de 1:2,5 (V:H), bem como o de jusante 1:2,0 (V:H). A projeção horizontal do talude de montante foi de 13,75 metros, sendo o de jusante de 11 metros, com crista de 4,10 metros, o que totaliza 28,85 metros (Figura 3). A largura de fundo da barragem é de 28,85 metros e o comprimento total do talude de 285 metros. 4 Figura 3: Dimensões da barragem em estudo. Fonte: SCHIMITZ, 2021. A linha de saturação do maciço localizou-se dentro do mesmo, o que constata a necessidade do filtro para garantia da segurança do mesmo. A altura da barragem foi dada em função do volume morto a ser armazenado, encontrado pelo balanço hídrico da micro bacia. As curvas de nível, foram confeccionadas de meio em meio metro. De acordo com a área entre as curvas de nível foi possível encontrar o volume de água acumulado entre elas e definir em qual cota este volume se igualaria ou superaria ao volume útil e volume de espera do reservatório, levando em conta as perdas por evapotranspiração da barragem, perdas por evapotranspiração mais infiltração na área a ser irrigada, sendo possível determinar a demanda mensal em m³ consumidos para atender o volume necessário durante o período de irrigação na lavoura que é de aproximadamente 10.200m³/há. Após estes cálculos foi determinado o volume útil, determinado pela diferença do volume de chuvas mensal/mês, onde o valor negativo indica que não será atendida a demanda necessária para irrigar a área de 74 há, sendo por meio das somas destes valores, dos quais determinaram o que será necessário armazenar no reservatório para atender os meses com menor índice de precipitações, de “outubro a fevereiro”, período de irrigação, determinando-se a cota altimétrica para atender o volume útil e de espera em razão das cheias. A altura normal da barragem foi determinada pela diferença da cota do nível da água (111) e a cota do fundo da barragem (105,5). Áreas de preservação Mediante análise topográfica da bacia de captação e APPs (áreas de preservação permanente), foi possível identificar o ponto de entrada e a saída que uma partícula de água percorre, e com isso determinar a declividade média e após uma análise criteriosa nas curvas de níveis, realizar o cálculo do mesmo, com o auxílio do ArcMap 10.8 (arcgiz), georreferenciado em coordenadas planas SIRGAS 2000 UTM ZONE 21S, conforme mostra a (figura 4 e 5). 5 Figura 4: Rede de drenagem e Apps da bacia hidrográfica. Fonte: SCHIMITZ, 2021. 6 Figura 5: Características topográfica e volumétrica da barragem. Fonte: SCHIMITZ, 2021. 7 Cálculo da estimativa de vazão máxima de cheias pelo método racional modificado: Declividade conforme Granell-Perez De acordo com Granell-Perez (2001) a declividade média de uma bacia hidrográfica pode ser descrita pela seguinte equação: Dm= declividade média; ∑L= soma em km de todos os comprimentos das curvas de níveis; ∆h= equidistância entre curvas de níveis em km; A=área da bacia hidrográfica em km². ∑L (km)=142,5 ∆h(km)=0,001 Á(km²) = 3,82 Dm= 142,5 . 0,001 3,82 . 100 = 3,730% Área da bacia(há)=382Talvegue principal (km)=1,9 Declividade média (m/m) =0,0373 Diferença de nível entre o ponto mais alto e saída da bacia (m)= 1900 Declividade média da bacia (m/m) = 19/1900= 0,01 Ocupação da bacia hidrográfica determinada de acordo com o percentual de ocupação de cada área, fazendo-se a média do (c) coeficiente de escoamento superficial do solo, aliado ao (Tr) tempo de retorno e a declividade média da bacia hidrográfica, utilizado no projeto da barragem, pois a vazão de cheias, é influenciada pelo mesmo, conforme será citado, mais abaixo no desenvolvimento do cálculo. Os coeficientes são tabelados conforme mostra a (figura 6), e são referenciados de acordo com o uso da terra, conforme mostrado na (figura 2), citada acima. Adota-se valores médios, conforme o tipo de solo, mostrado na (figura 6 e 7). Figura 6: Valores do coeficiente (C) de escoamento superficial (Genovez, 2001). Fonte: SCHIMITZ, 2021. 8 Figura 7: Valores do coeficiente (C) de escoamento superficial. Fonte: SCHIMITZ, 2021. Ocupação da bacia hidrográfica área 382 há: coeficiente de escoamento: Vegetação pastagem (61 há) % = 16 c=0,41 Florestas (15 há) % = 4 c=0,36 Pastos (167,5 há) % = 44 c=0,38 Cultura anual arroz (138 há) % = 36 c= (0,60+0,52) /2=0,56 C. médio= (0,41.16+0,36.4+0,38.44+0,56.36) /100= 0,45 Figura 8: Velocidade média em função do tipo de cobertura. Fonte: SCHIMITZ, 2021. 9 v. média= (16.0,8+4.0,5+44.0,8+36.0,9) /100 = 0,824m/s Figura 9: Equações para a estimativa do tempo de concentração. Fonte: SCHIMITZ, 2021. O tempo de concentração será realizado nos métodos possíveis, utilizando-se para a sequência da vazão máxima, valores próximos, fazendo-se a média para que o ajuste seja o mais preciso entre os mesmos, de modo a potencializar tal estimativa: (Vem te Chow) tc=5,77. ( 1,9 √0,0373 ) ^0,64= 24,92 min. (Equação SCS cinemático) tc= 1000 60 . 1,9 0,824 = 38,43 min. (kirpich) tc= 57. ( 1,93 19 ) 0,385 = 38,5 min. (George Ribeiro) tc= 16.1,9 (1,05−0,2 .0,64).(100.0,01)^0,04 = 33 min. 10 Tc médio= (38,43+38,5+33) /3=36,64 min. Intensidade máxima média da precipitação – método IDF É a máxima média, observada para uma duração correspondente ao tempo de concentração (tc) e para um período de retorno estabelecido pelo projetista (Tr). d b r ct Ta i )( + = Onde Tr é o tempo de retorno (anos); I é a intensidade da precipitação (mm/h); t é a duração (minutos); a, b, c e d são parâmetros ajustados para cada localidade ou estação de medição. Representa quantos milímetros de chuva atingirão a bacia de contribuição, no período de uma hora. Parâmetros ajustados de acordo com a estação ou localidade que atende o município onde será construída a barragem com Tr =10 anos I= 1337,44.10^0,154 (36,64+9,04)^0,76 = 104,5 mm/h Figura 10: Equações para a estimativa de vazão máxima. Fonte: SCHIMITZ, 2021. Onde: Coeficiente de retardamento Ф =0,278-(0,00034.3,82) = 0,277 Vazão máx. da bacia hidrográfica será: (Método racional modificado) Q = 0,45 .104,5 .382 360 . 0,277= 13,82m³/s a= 1337,44 b= 0,154 c= 9,04 d= 0,76 11 Estimativa de espera do volume de cheias-adaptação do Método racional (Franco, U.J.,2004). O volume da bacia de detenção será: Figura 11: Equações para a estimativa do volume de cheias. Fonte: SCHIMITZ, 2021. Para calcular o (is), adota-se uma vazão de cheias em relação a encontrada anteriormente de 13,82m³/s, uma vez que o valor a ser considerado, não provoque inundações nas partes baixas após o barramento da barragem, garantindo a segurança de animais, pessoas e possíveis moradias nos arredores. Alguns valores utilizados em cálculos preliminares se encontram na tabela abaixo: Tabela 1. a = 1337,44 K1=K = 3,6 b = 0,154 K2 = 60 c = 9,04 A (Km2)= 3,8 d = 0,76 C = 0,45 Qs (m³/seg)= 10 tc (min)= 36,64 is= 10 0,45 .3,8 . 3,6 = 21,05 𝑚𝑚/ℎ 12 Será calculado valores de intensidade de efluentes relacionados com tempo de duração, considerando o tempo de retorno para “10 anos”, até que valores sejam intermediários entre o “is” calculado acima, então após será feito uma interpolação linear no excel, gerar a equação da reta e substituir o valor de “x” sendo o “is” encontrado de 21,05 mm/h e encontrar o “td”, que será assumido como o tempo ajustado para calcular o “Vd”, volume de espera da barragem em períodos de cheias. Será feito um exemplo e os demais valores, mostrados com alterações no “td”, tempo em minutos e o “tr” será o mesmo. Relação intensidade de efluente vs tempo de duração, pela seguinte equação: td= 10 minutos e tr = 10 anos Is= 1337,44 .10^0,154 (10+ 9,04)^0,76 . (1 – 0,76 .10 10+9,04 ) = 122,04 mm/h Tabela de valores calculados da relação de intensidade de efluente vs tempo de duração: Tr (anos) td (min) 10 10 122,04 20 70,23 30 48,96 40 37,61 50 30,63 60 25,91 80 19,95 100 16,34 120 13,91 150 11,46 180 9,81 O is utilizado no eixo “x” no excel será entre 16 e 28mm/h e o “td” entre 0 e 90 minutos, sabendo-se que esses valores estão aproximados entre 60-80 minutos e 25,91-19,95 mm/h de acordo com a tabela acima: 13 Td (minutos)= ( -3,3556. 21) + 146,63=76,46 min. Vd= 0,45.3,82 3,6 . {[ 1337,44.100,154 (76,46+9,04)^0,76 − 21] . 76,46.60 + 212.(36,64+9,04)^0,76 2.1337,44.10^0,154 . 36,64 . 60}= Vd=100126,59 m³ Cálculo do vertedouro da barragem Para o cálculo do vertedouro, adotou-se o dimensionamento da seção retangular, de parede completa, com duas seções comprimidas, cuja a largura é inferior ao curso de água, submetido a uma altura de 0,60m e largura horizontal de 12m, para atender a vazão de 10m³/s, possibilitando o tráfico de tratores, veículos leves e caminhões em épocas de cheias, com o início da seção próxima ao barramento de 1,5 vezes a sua medida horizontal, evitando erosões na margem do talude da barragem, sendo assim: H=0,60m L=12m L’= 12 – 0,2. 0,60=11,88m Q=1,85.11,88m.0,60m^³/² = 10,21m³/s A vazão do vertedouro é condicionante a de cheias de 10m³/s. y = -3,3556x + 146,93 0 20 40 60 80 100 16,00 18,00 20,00 22,00 24,00 26,00 28,00 td ( m in u to s) is(mm/hora) interpolação para achar o td (duração da chuva) Tr=10 anos 14 As perdas de volume por ETP, infiltração, demanda mensal e diferença entre volume de chuva e volume necessário/mês para atender a demanda, são apresentados na (figura 12). Figura 12: Perdas por ETP, infiltração, demanda mensal, volume útil e volume de espera. Fonte: SCHIMITZ, 2021. Conforme mostra dados da figura 12, a soma da demanda durante o período de irrigação (Dt), demanda no tempo, é menor que o (Qt), volume aproveitável da chuva no tempo. Após as aferições do volume, útil, volume de espera e borda livre foi dimensionado a seção do barramento da barragem, considerando que o consumo necessário é de 10202,95 m³/há durante aproximadamente 140 dias desde a germinação até a colheita, compreendendo uma área de 68 há. A seção geométrica do barramento foi dimensionada pela largura da crista, inclinação do montante de 2:5 e jusante de 2:1, largura da base da seção transversal da barragem em cada cota de curva de nível com equidistância de 1m de altura, respeitando o comprimento total do talude de 279m e finalizando com o cálculo da área de cada seção correspondente a sua base, considerando sempre o mesmo valor da largura da crista. Para o cálculo do volume do material, adotou-se o valor da área média entre uma seção e outra da base do barramento multiplicado pela distância média entre elas, após fazendo-sea soma destes valores, determinando o total de material a ser utilizado na execução do mesmo. Após este dimensionamento, foi calculado o volume parcial entre as curvas de nível, com equidistância de 0,50m, multiplicado pela área média entre uma curva e outra, com isso definindo-se o volume total de água do reservatório pela seguinte equação: VeVuVmVt ++= Vm=volume morto da cota 105,5m a 107m Vu=volume útil da cota 107m a 109m Ve=volume de espera da cota 109m a 110m Folga livre= da cota 110m a 111m 15 Definiu-se a altura da barragem, após o dimensionamento do volume total (vt), respeitando as respectivas inclinações para definir o estaqueamento entre as seções de cada base calculada para demarcar o pé da seção do talude. Foi possível a realização do estudo com o auxílio do software ArcMap 10.8 (arcgiz), para importar os pontos do local da área de inundação e barramento, através do Google Earth Pro, pelo modo caminho, para gerar as curvas de níveis. Definiu-se o alinhamento da seção do comprimento do barramento, e traçou-se a seção percorrendo cada curva de nível, tanto para a jusante como para a montante após os referidos cálculos da base de cada seção entre uma cota e outra, respeitando a largura da crista. Após a confecção do barramento, utilizou-se a ferramenta régua do ArcMap 10.8 para medir a seção da base separadamente e definir as áreas médias, distâncias médias e área médias entre uma curva de nível e outra, com isso definindo-se o volume total de água e volume total de material a ser utilizado no barramento da barragem. As curvas de níveis e seção do barramento são mostradas nas (figuras 13e 14). Haltura da barragem H=1,5m + 2m + 1m + 1m=5,5m Cálculo da Largura da Crista A largura da crista leva em referência a altura total da “taipa” da barragem, ou seja, a altura máxima em que o maciço construído de solo atinge. Para efeito de dimensionamento a fórmula analisada foi estudada por US Bureau of Reclamation, e está representada na Equação. 𝑏 = 𝐻 5 + 3 (Equação). 𝑏 = 5,5 5 + 3= 𝑏 = 4,10 m logo, a largura de crista utilizada será de 4,10m. 16 Cálculo das seções da base e vista de cima do barramento As seções serão confeccionadas do centro do barramento-norte e centro do barramento-sul pela seguinte equação: Hzzcb jm )( ++= onde: b=largura da base c = largura da crista da barragem (m); zm = a projeção horizontal do talude a montante; zj = a projeção horizontal do talude a jusante; H = altura da barragem (m) Seções do centro do talude em direção ao norte: b1=4,10m + (2,5 + 2). 5,5m=28,85m b2=4,10m + (2,5 + 2). 4,5m=24,35m b3=4,10m + (2,5 + 2). 3,5m=19,85m b4=4,10m + (2,5 + 2). 2,5m=15,35m b5=4,10m + (2,5 + 2). 1,5m=10,85m b6=4,10m + (2,5 + 2). 0,5m=6,35m b7=4,10m + (0 + 0). 0m=4,10m Na b6 a altura foi de 0,5m, devido nesta equidistância sendo a altura que representa a cota do Nível máximo da água, uma vez que as curvas geradas no ArcMap 10.8 foram de 0,5 em 0,5m, para melhor ajuste no calculo do volume em razão das áreas espaciais entre as curvas de nível e na seção b7 é onde termina o barramento da barragem, neste caso não se utiliza as inclinações, montante, jusante e altura ou equidistância entre uma curva de nível e outra. Será utilizado o mesmo critério de dimensionamento para a seção no sentido centro do barramento-sul. Seções do centro do talude em direção ao sul: b2=4,10m + (2,5 + 2). 4,5m=24,35m b3=4,10m + (2,5 + 2). 3,5m=19,85m b4=4,10m + (2,5 + 2). 2,5m=15,35m b5=4,10m + (2,5 + 2). 1,5m=10,85m b6=4,10m + (2,5 + 2). 0,5m=6,35m b7=4,10m + (0 + 0). 0m=4,10m Cálculo das respectivas áreas de cada seção conjugada pela base com a seguinte equação: A= (𝐵+𝑏).ℎ 2 , onde: A=área da seção a ser considerada B=base maior da seção; b=base menor ou largura da crista; H=altura do ponto onde foi definida a seção, ou seja, da cota da curva de nível até o plano horizontal (crista da barragem). 17 Áreas do centro do talude em direção ao norte: A1= (28,85𝑚+4,10𝑚).5,5𝑚 2 = 90,61m² A2= (24,59𝑚+4,10𝑚).4,5𝑚 2 = 64,55m² A3= (20,02𝑚+4,10𝑚).3,5𝑚 2 = 42,21m² A4= (15,61𝑚+4,10𝑚).2,5𝑚 2 = 24,63m² A5= (11,14𝑚+4,10𝑚).1,5𝑚 2 = 11,43m² A6= (6,65𝑚+4,10𝑚).0,5𝑚 2 = 2,68m² A7= (0𝑚+0𝑚).0𝑚 2 = 0m² Áreas do centro do talude em direção ao sul: A2= (24,71𝑚+4,10𝑚).4,5𝑚 2 = 64,82m² A3= (20,67𝑚+4,10𝑚).3,5𝑚 2 = 43,34m² A4= (16,29𝑚+4,10𝑚).2,5𝑚 2 = 25,48m² A5= (12,58𝑚+4,10𝑚).1,5𝑚 2 = 12,51m² A6= (8,55𝑚+4,10𝑚).0,5𝑚 2 = 3,16m² A7= (0𝑚+0𝑚).0𝑚 2 = 0m² Cálculo do volume de material do barramento da barragem pela seguinte equação: V= 𝐴1+𝐴2 2 . d. méd. onde: V=volume da seção considerada; A1=área da seção analisada; A2=área da seção a montante ou próxima a analisada; d= distância média entre A1 e A2. 18 Volumes do centro do talude em direção ao norte de cada seção analisada V1= 90,61𝑚²+64,55𝑚² 2 . 20,14m=1583,40m³ V2= 64,55𝑚²+42,21𝑚² 2 . 24,83m=1325,42m³ V3= 42,21𝑚²+24,63𝑚² 2 . 24,82m=829,48m³ V4= 24,63𝑚²+11,43𝑚² 2 . 24,27m= 437,58m³ V5= 11,43𝑚²+2,68𝑚² 2 . 21,21m=149,63m³ V6= 2,68𝑚²+0𝑚² 2 . 10,58m=14,17m³ Volumes do centro do talude em direção ao sul de cada seção analisada V1= 90,61𝑚²+64,82𝑚² 2 . 24,28m=1886,92m³ V2= 64,82𝑚²+43,34𝑚² 2 . 25,94m=1402,83m³ V3= 43,34𝑚²+25,48𝑚² 2 . 25,89m=890,87m³ V4= 25,48𝑚²+12,51𝑚² 2 . 29,13m= 553,32m³ V5= 12,51𝑚²+3,16𝑚² 2 . 36,18m=283,47m³ V6= 3,16𝑚²+0𝑚² 2 . 18,20m=28,75m³ Vol. Total de material= 9.385,84m³. 5% = 469,292m³ Volume total de material + 5%= 9.385,84m³ + 469,292m³= 9.855,132m³ Após os cálculos das respectivas bases de cada seção, a vista da planta baixa que engloba a seção do barramento, será mostrada na (figura 13). 19 Figura 13: Seção e delimitação do barramento da barragem. Fonte: SCHIMITZ, 2021. 20 Figura 14: Curvas de nível para calcular volumes da barragem. Fonte: SCHIMITZ, 2021. 21 Figura 15: Barramento e superfície 3D, gerados no Auto Cad civil 3D. Fonte: SCHIMITZ, 2021. Figura 16: Volume do aterro calculado no Auto Cad civil 3D. Fonte: SCHIMITZ, 2021. 22 A diferença de 9.385,84m³ para 8.791,78m³, totalizando 594,06m³, ocorreu pela exatidão na confecção do eixo do barramento no civil 3D. Verificasse a exatidão do software. A planta baixa da superfície de alague com o talude será mostrada em anexos. Para o cálculo da cota entre as curvas de níveis, que seria atendida o volume morto, volume útil e volume de espera, foi gerado as curvas de níveis com equidistâncias de 0,50 em 0,50m para melhor ajuste das áreas espaciais entre as mesmas. Foi utilizado o ArcMap 10.8 para fazer polígonos entre o estudo das áreas, sendo georreferenciado o local de interesse pelas coordenadas planas SIRGAS 2000 UTM ZONE 21S, após importar os pontos do Google Earth Pro, gerados pela ferramenta caminho e salvos em kmz. O ArcMap, gerou uma tabela no comando (open attribute table), ou seja, tabela de atributos, sinalizando ao clicar em um dos polígonos, ficando destacado com uma cor diferente na área de trabalho, em cada curva de nível separadamente, com a área em metros quadrados, uma vez que solicitado ao software, o mesmo calculou os valores separadamente conforme a (figura 15). Figura 17: Áreas dos polígonos confeccionadas com ArcMap 10.8, com incremento de 0,5 em 0,5m. Fonte: SCHIMITZ, 2021. 23 Cálculo dos volumes da barragem Para encontrar os volumes morto, útil e de espera, utilizou-se a equação que estima o volume como troncosde cone invertido, assim: Volume morto V01= 𝟏𝟖𝟓𝟐𝟑,𝟔𝟗𝒎𝟐+𝟐𝟒𝟗𝟔𝟐,𝟓𝟒𝒎² 𝟐 . 𝟎, 𝟓𝟎𝒎 = 𝟏𝟎𝟖𝟕𝟏, 𝟓𝟓𝒎³ V02= 𝟐𝟒𝟗𝟔𝟐,𝟓𝟒𝒎𝟐+𝟒𝟎𝟓𝟗𝟔,𝟔𝟐 𝟐 . 𝟎, 𝟓𝟎𝒎 = 𝟏𝟔𝟑𝟖𝟗, 𝟕𝟗𝒎³ V0=27261,34m³ Volume útil V1= 𝟒𝟎𝟓𝟗𝟔,𝟔𝟐𝒎𝟐+𝟓𝟑𝟓𝟏𝟓,𝟔𝟒𝒎² 𝟐 . 𝟎, 𝟓𝟎𝒎 = 𝟐𝟑𝟓𝟐𝟖, 𝟎𝟔𝒎³ V2= 𝟓𝟑𝟓𝟏𝟓,𝟔𝟒𝒎𝟐+𝟔𝟔𝟒𝟖𝟒,𝟖𝟎𝒎² 𝟐 . 𝟎, 𝟓𝟎𝒎 = 𝟑𝟎𝟎𝟎𝟎𝒎³ V3= 𝟔𝟔𝟒𝟖𝟒,𝟖𝟎𝒎𝟐+𝟕𝟗𝟒𝟔𝟔,𝟕𝟐𝒎² 𝟐 . 𝟎, 𝟓𝟎𝒎 = 𝟑𝟔𝟒𝟖𝟕, 𝟖𝟖𝒎³ V4= 𝟕𝟗𝟒𝟔𝟔,𝟕𝟐𝒎𝟐+𝟗𝟐𝟗𝟑𝟑,𝟑𝟑𝒎² 𝟐 . 𝟎, 𝟓𝟎𝒎 = 𝟒𝟑𝟏𝟎𝟎𝒎³ Volume útil=133115,94m³ Volume de espera V5= 𝟗𝟐𝟗𝟑𝟑,𝟑𝟑𝒎𝟐+𝟏𝟎𝟕𝟐𝟕𝟏,𝟖𝟎𝒎² 𝟐 . 𝟎, 𝟓𝟎𝒎 = 𝟓𝟎𝟎𝟎𝟎𝒎³ V6= 𝟏𝟎𝟕𝟐𝟕𝟏,𝟖𝟎𝒎𝟐+𝟏𝟐𝟕𝟕𝟎𝟗,𝟔𝟔𝒎² 𝟐 . 𝟎, 𝟓𝟎𝒎 = 𝟓𝟖𝟕𝟒𝟓, 𝟑𝟔𝒎³ Volume de espera= 108745,36m³ Volume normal na cota 3,5m =27261,34m³ + 133115,94m³=160377,28m³ Volume máximo na cota 4,5m= 160377,28m³+108745,36m³=269122,64m³ 24 As cotas, áreas e volumes são apresentados na figura 18. Figura 18: Cotas, áreas e volumes do reservatório. Fonte: SCHIMITZ, 2021. Na figura 12, verifica-se o limite máximo de irrigação de 68 hectares pelo simples motivo do cálculo levar em consideração a relação entre o volume útil que deverá ser armazenado até a cota 4,5m, no nível normal da barragem, ou seja, 134657,16 m³ considerando o volume de chuvas mensais para atender e a exigência hídrica da cultura a ser irrigada, considerando as perdas de água por infiltração, evaporação, e outros meios, onde o volume para atender a demanda necessária, foi calculado em decorrência das precipitações médias da região baseado em dados históricos entre os anos de 2010-2018, podendo variar em decorrência de fenômenos climáticos, entre outros. Na figura 18, perante dados de cálculos apresentados entre volume útil necessário e disponível até a cota 4,5m da barragem, demonstra uma variação não significativa de falta do mesmo para atender a demanda a ser irrigada de 1541,22m³, ou seja, esse valor atende o percentual de 15% comparado ao necessário para atender 10202m³/há, durante o período de irrigação em 140 dias, sendo assim foi o melhor ajuste para não interferir ao proposto a ser irrigado, aceitando-se como um valor insignificante na execução do projeto como um todo. 25 Foram utilizados parâmetros de identificação do solo, sendo eles: • Peso específico natural do solo utilizado na barragem = 17,29 KN/m³; • Peso específico submerso do solo utilizado na barragem = 7,29 KN/m³; • Coesão do solo = 45,25 KPa; • Ângulo de atrito do solo = 16, 1º. 2.1 Memorial de cálculos: 1- Para o método da construção gráfica, utiliza-se o valor a-a”, que é o ponto extremo da parábola sugerida por Casagrande, que é igual: a-a’= 03 x (Equação 2). a-a’= 0,3 x 11= 3,3 m. Figura 19: Método de construção gráfica. Fonte: Notas de Aula- Obras de terra, 2021. Onde: Δ= 11 m; H= 5,5 m; a’-a= 3,3 m; d= 15,1 m. Com o valor conhecido da inclinação dos taludes, determina-se o ângulo à montante e jusante do barramento da barragem (Figuras 20 e 21). Montante: Tg − ¹ 𝐶𝑎𝑡𝑒𝑡𝑜 𝑜𝑝𝑜𝑠𝑡𝑜 𝐶𝑎𝑡𝑒𝑡𝑜 𝑎𝑑𝑗𝑎𝑐𝑒𝑛𝑡𝑒 (Equação 3). Tg−1= 1 2,5 Θ = 21, 80º. 26 Figura 20: Inclinação e ângulo do talude à montante. Fonte: SCHIMITZ, 2021. Jusante: Tg − ¹ 𝐶𝑎𝑡𝑒𝑡𝑜 𝑜𝑝𝑜𝑠𝑡𝑜 𝐶𝑎𝑡𝑒𝑡𝑜 𝑎𝑑𝑗𝑎𝑐𝑒𝑛𝑡𝑒 (Equação 4). Tg−1= 1 2 Θ = 26, 56º. Figura 21: Inclinação e ângulo do talude à jusante. Fonte: SCHIMITZ, 2021. 2- Após achar o a-a’, toma-se como medida inicial a primeira linha do traçado da rede de fluxo até o pé inicial do filtro, localizado na jusante do barramento da barragem e chega-se ao valor da distância d e com isto, adota-se a distância focal P(cc): 𝑃 = √(d2+h2)−d 2 (Equação 5). P = √(15,12 + 5,5²) − 15,1 2 P= 0,485 m. 27 3- A parábola básica é obtida graficamente ou através da equação 5: x = (z2)−4(p2) 4p (Equação 6). Adotou-se (0,5) no ponto inicial para a parábola no pé do talude, parte jusante, a variável (z), que vai de 0,5 m no seu ponto inicial, até a altura de 4,5 m, variando de 0,5 em 0,5 m, com valores calculados no Quadro 1. (z) (x) 0,5 -0,356 1,0 0,030 1,5 0,67 2,0 1,576 2,5 2,736 3,0 4,154 3,5 5,829 4,0 7,762 4,5 9,953 Quadro 1: Valores de (x) para cada delta (h). 4- Faz-se a correção da freática, utilizando-se a equação 6 e, logo após é traçada a linha de fluxo tangencialmente à parte jusante do talude. Com =45º, utiliza-se L+ΔL, no caso da não projeção de um filtro no pé do talude da barragem, na parte da jusante; Se fosse o caso, o ângulo de inclinação correspondente ao cálculo da correção da linha freática estaria dentro do recomendado, por ser menor que 30º. No entanto, não foi necessário tal dimensionamento. Porém, como foi projetado um filtro horizontal com o =180º, os procedimentos são similares ao do barramento sem filtro, com a ressalva do foco da parábola (ponto A) estar situado no começo do filtro que existe nesta parte da barragem. A correção da curva do lençol freático à montante deve ser realizada, sendo desconsiderado o ajuste à jusante. 5- Para condição de uma barragem homogênea sobre terreno impermeável, pode-se fazer um cálculo expedito da vazão do maciço, sendo necessário definir a rede de fluxo e, com o auxílio de um compasso, traçar círculos que contornem a primeira linha do traçado da rede de fluxo em conformidade com as linhas equipotenciais que fazem um ângulo de 90° e, logo após, fazer o alinhamento de uma linha tracejada em linha reta do ponto focal (Z), até interceptar a primeira linha de fluxo. Com isso, faz-se todas as linhas equipotenciais e, após terminar os círculos, completa-se o traçado das linhas de rede de fluxo à mão livre, que iniciam na parte montante do barramento da barragem, até o ajuste final, que pode ser na jusante ou no filtro horizontal. 28 Figura 22: Coeficiente de Permeabilidade para diferentes tipos de solo. Fonte: MARANGON, 2004. De acordo com os valores tabelados, para um solo argiloso foi definido o coeficiente de permeabilidade (K) do solo=4x10^-5/100= 0,0000004 m/s. Conhecendo-se o valor do K, calcula-se o valor da vazão por m³, pela equação 7: Q L = k. 𝑛1 𝑛𝑒 . H (Equação 7). Q L = 0,0000004 x m s x 1,5 10 x4,5 Q L = 0,00000027 m³/s. O valor de linhas de fluxo foi obtido na contagem de linhas por onde percorre a água no talude da barragem, a partir do montante do reservatório, obedecendo a uma determinada escala a partir da primeira linha da rede de fluxo, sendo um valor unitário, o que resultou no valor descrito acima de 1,5 pela seguinte fórmula: 𝑁𝑓 = 𝐿𝑓 − 1 (Equação 8). 𝑁𝑓 = 2,5 − 1 𝑁𝑓 = 1,5. Para o número de linhas equipotenciais, conta-se o número de camadas a partir do lado correspondente ao nível da água, que faz ângulo de 90º com as linhas de fluxo, onde é descontado um valor unitário, o que resultou no valor de 11 pela seguinte fórmula: 𝑁𝑒 = 𝐿𝑒 − 1 (Equação 9) 𝑁𝑒 = 11 − 1 𝑁𝑒 = 10. 6- A partir da seção de uma barragem (estudo de caso), foi dimensionado o filtro e feito o traçado da rede de fluxo no interior do maciço. Para isso, foram utilizadas informações disponibilizadas no trabalho de referência, tais como: 29 -Dimensões e características do barramento; -Solo do maciço: Argiloso; -Coeficiente de permeabilidade do solo argiloso: 4x10-5 cm/s; -Solo do filtro: Pedregulho; -Coeficiente de permeabilidade do pedregulho: 4x10-4 cm/s; -Peso específico aparente compacto do maciço: 27 KN/m³;-Peso específico saturado do maciço: 19 KN/m³. - Coesão do material = 40 KPa; - Ângulo de atrito do material= 45º. Dimensionamento do filtro: Área Horizontal: 𝐴ℎ 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜 = √(𝑄1+𝑄2 𝑥 𝐿ℎ) 𝑘 (Equação 10). 𝐴ℎ 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜 = √(2,7𝑥10−7 + 2,7𝑥10−7) 𝑥 6 4𝑥10−5 𝐴ℎ 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜 = 0,284 𝑚 = 30cm Onde: Ah filtro= Altura horizontal do filtro, em m; Q1 e Q2= Vazões de entrada e saída do sistema, por unidade de comprimento; Lh= Distância horizontal do filtro, onde adotou-se um valor de 6 m; K= Coeficiente de permeabilidade do filtro, em m/s. Após, chegou-se ao desenho da barragem com seu traçado de rede de fluxo feito na escala 1:100 em folha milimetrada (Figura 23). 30 Figura 23: Barragem com traçado de rede de fluxo em folha milimetrada. Fonte: SCHIMITZ, 2021. Controle da percolação em barragens de terra: Para o correto controle da percolação em barragens de terra, deve-se conhecer a curva granulométrica do solo a ser protegido, assim como o filtro utilizado na barragem. Para o filtro, é adotado um solo pedregulhoso, onde a curva granulométrica encontra-se na figura 24. No maciço, é utilizado um solo argiloso, com a curva granulométrica localizada na figura 25. 31 Figura 24: Curva granulométrica do pedregulho (filtro). Fonte: MARANGON, 2004. Figura 25: Curva granulométrica da argila (maciço). Fonte: MARANGON, 2004. Os materiais para filtro devem satisfazer, ao mesmo tempo, a não ocorrência de Piping e também manter a permeabilidade. a) Piping: Os vazios dos filtros devem ser suficientemente pequenos para impedir que partículas do solo, que se deseja proteger, migrem através dos filtros. 𝐷15 (𝑓) 𝐷85 (𝑠) < 4 a 5 (Equação 11). Onde: 32 D15= Diâmetro através 15% do material do filtro passarão. D85= Diâmetro através 85% do material do solo a ser protegido passarão. De acordo com valores encontrados nos gráficos do filtro e do solo a ser protegido, tem-se que D15= 0,23 mm e D85= 13 mm. 0,23 𝑚𝑚 13 𝑚𝑚 = 0,0176 mm. O valor está dentro da faixa recomendada para evitar Piping. b) Permeabilidade: Os vazios dos filtros devem ser suficientemente grandes para permitirem a passagem livre do fluxo e, desta forma, possibilitar o controle de sub pressões. 𝐷15 (𝑓) 𝐷15 (𝑠) < 4 a 5 (Equação 12). Onde: D15= Diâmetro através 15% do material do filtro passarão. D85= Diâmetro através 15% do material do solo a ser protegido passarão. De acordo com valores encontrados nos gráficos do filtro e do solo a ser protegido, tem-se que D15= 0,23 mm e D85= 13 mm. 0,23 𝑚𝑚 6 𝑚𝑚 = 0,0383 mm. O valor está dentro da faixa recomendada para evitar Piping. Cálculo das tensões total, efetiva e poropressão nos pontos A e B: Ponto A: h= 4,5m, Onde h corresponde à perda de carga total, em metros. he= 0,45m; Onde he corresponde à perda de carga por linha equipotencial, sendo obtida pela fórmula: ℎ𝑒 = ℎ 𝑁𝑒 (Equação 13). ℎ𝑒 = 4,5 10 ℎ𝑒 = 0,45 m. 33 HPA= (H da água- H do ponto A) – (Número de linhas de fluxo x Perda de carga por equipotencial). Os métodos de cálculos citados acima, correspondentes para o ponto “A” foram utilizados para a resolução do exercício proposto ao ponto “B”, o que considera os parâmetros físicos do solo e da água. Ponto A: HPA= (4,5-1,8) - (2,7 x 0,45) = 1,485 m. UA= 1,485 x 9,81= 14,56 kPA TVa= (1,7 x 17,29) + (1,20 x 19) = 52,193 kPA. TVa’= 52,193 – 14,56= 37,63 kPA. Ponto B: HPB= (4,5 - 0) - (2,5 x 0,45) = 3,37 m. UB= 3,37 x 9,81= 33,05 kPA. TVb= (1,5 x 17,29) + (4 x 19) = 101,935 kPA. TVb’= 101,935 – 33,05= 68,88 kPA. Resultados: Ponto A Tensão total (kPA) Tensão efetiva (kPA) Tensão neutra (kPA) 52,193 37,63 14,56 Quadro 2: Tensão total, efetiva e neutra no ponto A. Ponto B Tensão total (kPA) Tensão efetiva (kPA) Tensão neutra (kPA) 101,935 68,88 33,05 Quadro 3: Tensão total, efetiva e neutra no ponto B. 34 Geo-slope: O geo-slope é um software utilizado para análise de taludes de uma forma aplicada, onde se insere as medidas de base, altura, coeficiente de elasticidade, peso específico do solo, coesão, coeficiente de permeabilidade, altura de água e largura da crista. Posteriormente, é traçada a rede de fluxo do talude desta barragem, obtendo-se de forma bem mais ágil o conhecimento do fluxo hídrico dentro do talude e predicando possíveis patologias que levam ao colapso da estrutura e a estabilidade do talude na jusante pelo método de Fellenius, que determina o fator de segurança (FS), tendo o mesmo que ser maior que dois, garantindo a estabilidade evitando o rompimento do mesmo. Figura 26: Rede de fluxo traçada através do software Geo-slope. Fonte: SCHIMITZ, 2021. Figura 27: Estabilidade do talude na jusante-Fellenius, através do software Geo-slope. Fonte: SCHIMITZ, 2021. Filtro de pé Ah= 0,30m ah Fator de segurança 35 Referências ABREU, Ricardo R. Dimensionamento e acompanhamento executivo de uma barragem de terra para irrigação- Um estudo de caso. Trabalho de conclusão de curso para obtenção do título de bacharel – Engenharia Civil, Unipampa, Alegrete, 2015. Disponível em: <http://dspace.unipampa.edu.br/bitstream/riu/1701/1/Dimensionamento%20e%20acompan hamento%20executivo%20de%20uma%20barragem%20de%20terra%20para%20irriga%C 3%A7%C3%A3o%20%E2%80%93%20um%20estudo%20de%20caso.pdf >. Acesso em 05 set. 2019. CARVALHO, J. de A. Dimensionamento de pequenas barragens para irrigação. Lavras: Ed. UFLA, 2008. 153p. COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS. Disponível em: < http://www.cbdb.org.br/>. Acesso em 15 set. 2019. LEÃO, F.R. Dimensionamento de uma pequena barragem de terra para produção de energia hidrelétrica e irrigação em uma propriedade rural. 2012. 110f. Monografia para obtenção do título de Bacharel- Engenharia agrícola, Universidade Estadual de Goiás, Goiás, 2012. MARANGON, M. Tópicos em Geotecnia e Obras de Terra. Barragens de Terra e Enrocamento, Cap 5, 2004. SAYÃO, A. “Notas de aula da disciplina de Barragens de Terra e Enrocamento”. Curso de Mestrado da PUC -RJ, Rio de Janeiro, 2009. SCHIMITZ. Roberto. Acervo próprio do autor, 2019. STEPHENS, T. FAO - Manual sobre pequenas barragens de terra: Guia para localização, projeto e construção. Roma: Organização das Nações Unidas para alimentação e agricultura, 2011. 120p. (Publicação de FAO sobre rega e drenagem, 64).
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