Barragens de Terra: Tipos e Elementos

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BARRAGENS DE TERRA
1 INTRODUÇÃO
Barragens são estruturas construídas com o objetivo de proporcionar represamento de água. Dentre as várias finalidades da barragem e conseqüente reservatório de acumulação destacam-se o abastecimento de água (urbano e rural), controle de enchentes, uso domestico, regularização de vazão, aproveitamento hidrelétrico, navegação, irrigação e criação de peixes entre outras. 
Quando há necessidade de se usar uma vazão superior à vazão mínima do curso d’água, que ocorre na ocasião das secas, recorre-se ao represamento do curso d’água por meio da construção de uma barragem. 
No meio rural há um predomínio das barragens de terra, devido à facilidade de construção e pelo custo.
2 BARRAGENS DE TERRA
As barragens de terra são muros de retenção de água suficientemente impermeáveis, construídos de terra e materiais rochosos locais, segundo mistura e proporção adequados. As orientações deste material são para a construção de barragens de até 10 metros de altura. 
Figura. Barragem de terra
A construção da barragem deve obedecer a critérios básicos fundamentais de segurança. É comum encontrar em várias propriedades agrícolas, barragens construídas sem qualquer dimensionamento técnico.
3 PRINCIPAIS ELEMENTOS DE UMA BARRAGEM DE TERRA
Conceitos básicos sobre barragens:
Aterro: parte encarregada de reter a água (estrutura);
Altura: distância vertical entre a superfície do terreno e a parte superior do aterro (crista);
Base do maciço: Consiste na projeção da crista e dos taludes, de montante e de jusante, sobre a superfície do terreno. 
Borda livre ou Folga: distância vertical entre o nível da água e a crista do aterro;
Desarenador: tem a função de eliminar os depósitos do fundo e esvaziamento do reservatório.
Taludes: faces laterais, inclinadas em relação ao eixo do aterro; O talude a montante fica em contato com a água enquanto que o talude a jusante não tem contato com a água. A inclinação do talude a montante deve ter maior que a jusante para dar maior estabilidade ao aterro.
Crista do aterro: parte superior do aterro;
Espelho d’água: área da represa; superfície d’água acumulada no reservatório;
Base ou saia do aterro: projeção dos taludes sobre a superfície do terreno;
Cut-off: trincheira, alicerce ou fundação; construído no eixo da barragem;
Maciço: é a estrutura da barragem. Construída transversalmente ao curso d’água é a parte responsável por reter a água.
Núcleo: muitas vezes, para efeito de segurança e com o objetivo de diminuir a infiltração, usa-se colocar no centro do aterro um núcleo de terra argilosa, como se fosse um muro (diminuir o caminhamento da água no corpo do aterro);
Sangradouro: estrutura construída para dar escoamento ao excesso de água ou enxurrada durante e após a ocorrência de chuvas (extravasor, vertedouro e ladrão); tem a função de proteger a barragem.
Tomada de água: serve para a captação da água represada. 
Dreno de pé: construído no talude de jusante para drenar a água do aterro
Figura. Vista superior do maciço, espelho d’água e canal extravasador
Figura. Elementos básicos de uma pequena barragem de terra
Figura. Elementos básicos de uma pequena barragem de terra
Vista do perfil da bacia hidráulica
4 TIPOS DE BARRAGENS
A construção deste tipo de barragem requer grande volume de terra que deve estar disponível próximo ao local da obra. O tipo de construção está condicionado, portanto à qualidade e quantidade do material disponível. Compete ao engenheiro procurar otimizar os recursos locais, que podem variar entre os permeáveis (pedras soltas e areias) e os impermeáveis (argilas).
- BARRAGEM SIMPLES:
- BARRAGEM COM NÚCLEO:
PROCESSO DE CONSTRUÇÃO
Construção da fundação de uma barragem
Na fase de seleção de local de construção da barragem é preciso fazer sondagens para descrever o perfil transversal da área e assim, indicar a profundidade do núcleo impermeável. A sondagem pode ser feita com trados, sondas a percussão, abertura de trincheiras e por ensaios de resistência do solo. Se possível, a trincheira deve ser feita sobre toda a base do maciço e deve abranger uma profundidade até a rocha ou estrato impermeável. A trincheira deve ser preenchida com terra de boa qualidade devidamente compactada
Etapas da construção do maciço da barragem
Recomendação de inclinação de taludes
Término da construção da crista da barragem
A largura da crista pode ter a seguinte relação com a altura da barragem: C = H/5 + 3, onde C = largura da crista da barragem, em metros; H é a altura da barragem, em metros. Já a base do maciço pode ser calculado pela seguinte expressão: B = C + (Zm + Zj).H, sendo: B = base, em metros; C = largura da crista; Zm = projeção horizontal no talude montante, em metros; Zj = projeção horizontal no talude de jusante, em metros; e H = altura da barragem, em metros.
Espelho d’água em pequena barragem e em barragem de porte médio
Bordas livres ou folga em duas pequenas barragens
.
Dreno Horizontal conjugado com um dreno de pé
Os drenos são construídos para que a linha de saturação esteja abaixo do pé de uma barragem de terra. São construídos no terço final do talude jusante. A estrutura de drenagem deve permitir que as águas de infiltração saiam sem causar erosão.
Figura. Tipos de extravasador
Figura. Detalhes da construção do dissipador de energia
O projeto de uma barragem requer a análise de dois itens relevantes relacionados à sua segurança: o estudo hidrológico e o estudo hidráulico. No estudo hidrológico se estima a vazão máxima de cheia e o volume de armazenamento necessário a regulação da vazão. O estudo hidráulico faz-se o dimensionamento do sistema extravasor (eliminar o excesso de água e dissipar a energia), do desarenador (eliminação dos depósitos do fundo e/ou esvaziamento do reservatório) e da tomada de água.
CARACTERÍSTICAS HIDROLÓGICAS
Para o correto dimensionamento de uma barragem é importante que o engenheiro realize o estudo das características hidrológicas do local. Informações importantes tais como as características da bacia de contribuição, o regime do curso d’água e a intensidade de precipitação devem ser lavados em consideração no dimensionamento. As informações sobre as vazões máximas são relevantes para o dimensionamento do extravasador e as vazões médias estão relacionadas ao volume de regulação do reservatório. 
- Bacia de contribuição: Toda a área onde as águas de chuva descarregam ou são drenadas para uma seção do curso d’água. Além da delimitação da bacia é importante se conheçam as suas características (relevo, solo e cobertura vegetal).
Figura. Bacias de contribuição
- Regime dos cursos d’água: A preocupação principal no estudo do regime de um curso d’água é a obtenção das vazões máximas que podem ocorrer. Esse excesso de água é proveniente do escoamento superficial.
- Conjunto de suas características hidrológicas (vazão em função do tempo):
EFÊMEROS: ocorre durante e imediatamente após as precipitações
INTERMITENTES: duração coincidente com a época de chuvas
PERENES: flui todo o tempo
A) Determinação da vazão máxima: A vazão máxima é importante porque auxilia no dimensionamento do extravasador. O extravasador superdimensionado pode inviabilizar a construção de uma barragem pelos seus custos, já o subdimensionado oferece risco de ruptura da represa. Existem diversos métodos para a determinação da vazão máxima, dentre eles destacam-se: o método estatístico (histórico das vazões) e a fórmula racional.
Fórmula racional: Através da fórmula racional pode-se estimar a vazão em função de dados de precipitação. É o método mais utilizado, devido à facilidade de uso e também por falta de dados para o uso de outros métodos. Esta fórmula considera que a precipitação ocorre com a intensidade e volume uniforme em toda a área da bacia e durante um período igual ou superior ao tempo de concentração. Devido a estas considerações, a fórmula racionalsó deve ser utilizada em áreas pequena (menores que 60 ha).[2: Uma fonte relevante de informação sobre as vazões mínimas, médias e máximas é o programa HIDROTEC. Este programa oferece dados detalhados e atualizados sobre as bacias hidrográficas de Minas Gerais e permite fazer consultas georreferenciada e informativa via internet.]
Onde; 
Q = vazão máxima (m3/s)
C = Coeficiente de escoamento superficial
Imáx = Intensidade máxima de chuva durante o tempo de concentração, capaz de ocorrer com freqüência do tempo de retorno desejado (5, 10, 25 anos), mm/h.
A = Área de bacia, em ha
- Coeficiente de escoamento superficial (C): Fração da chuva que escorre até atingir o fim da área, dado em função da topografia, cobertura e tipo de solo.
Tabela. Coeficiente de escoamento superficial
- Tempo de Concentração: tempo necessário para que toda a bacia esteja contribuindo para o escoamento superficial na seção considerada.
Tabela. Tempos de concentração, baseados na extensão da área, para bacias que possuam um comprimento aproximadamente o dobro da largura média e de topografia ondulada (5% de declividade média).
Correção p/ declividade:
 
Correção p/ a forma da bacia:
- Intensidade máxima de precipitação: O valor da precipitação a ser utilizado na determinação da vazão máxima, deve ser de acordo com o tempo de concentração da bacia de contribuição (Tc) e o tempo de retorno da precipitação (TR). A determinação da intensidade de precipitação é realizada através do estudo das séries históricas locais, ou quando disponível, através de equações que relacionam intensidade de precipitação com Tempo de Concentração e Tempo de Retorno para a localidade em estudo. As equações dispostas abaixo são fórmulas empíricas para estimar as intensidades máximas e precipitação nas regiões de Lavras e Belém, respectivamente.
- Tempo de retorno: É o período, dado em anos, necessário para que uma precipitação seja igualada ou superada pelo menos uma vez. Na prática, leva-se em consideração a vida útil da obra, a facilidade de reparos e o perigo oferecido à vida humana. Normalmente para projetos agrícolas de drenagem e construção de barragens adota-se um tempo de retorno entre 10 e 25 anos.
B) Estimativa do volume de armazenamento para garantir uma vazão a ser regularizada: 
O regime hídrico apresenta variabilidade espacial e temporal. A variabilidade especial diz respeito à disponibilidade de água entre as diferentes regiões enquanto que a temporal considera a disponibilidade no tempo. Normalmente existem temporadas de maior precipitação onde há excesso de recursos hídricos e temporadas mais secas, onde pode haver carência do recurso. Neste caso, a finalidade dos reservatórios é acumular parte das águas disponíveis nos períodos chuvosos, para compensar as deficiências nos períodos de estiagens, exercendo um efeito regularizador das vazões naturais. 
O dimensionamento de represa parte dos estudos das ofertas e das demandas hídricas. A oferta é determinada pelas precipitações e condições climáticas, por isso requer estudos hidrológicos, e a demanda está em função do uso da represa. Existem diversos métodos de dimensionamento de reservatórios. Aqui, apresenta-se o método da curva das diferenças, que garante uma descarga máxima regularizada. O método considera o principio de conservação de massas, que pode ser descrito como: o armazenamento inicial do açude (S0) mais a soma dos deflúvios em N intervalos de tempo (t) é igual demanda média de água (X) em N intervalos de tempo (t) mais o armazenamento final de água (Sf). 
6 DIMENSIONAMENTO DA BARRAGEM
O dimensionamento de uma barragem de terra consiste em determinar as suas dimensões (aterro, vertedouro, tomada d’água e desarenador).
Os passos para o dimensionamento de uma barragem são:
- Levantamento plani-altimétrico
- Volume de água armazenada
- Escolha do local
- Altura da barragem
- Largura da crista
- Comprimento da projeção dos taludes
- Cálculo do volume de terra
- Vertedouro
- Esvaziamento da represa
- Tomada d’água
6.1 Escolha do local
Para a escolha do local para a construção da barragem devem ser analisados diversos fatores:
- deve ser feito um estudo das camadas do subsolo, ou seja, determinação do material onde se vai trabalhar, profundidade do solo firme, presença de pedras, tocos e raízes de árvores;
- se o local da construção possuir uma camada de argila mole, deve ser feita uma boa drenagem dessa argila, para evitar deslizamentos da fundação;
- barragens não devem ser assentadas sobre rochas, pois solo e rocha não formam uma boa liga, havendo risco de deslizamento;
- no caso de locais rochosos recomenda-se barragens de alvenaria;
- na presença de solos permeáveis, há a necessidade da construção do núcleo central impermeável;
- é preciso comprovar a possível presença de minas de água. Locais com minas de água sem drenagem podem comprometer a estrutura da barragem. 
- não se deve localizar a barragem em nascentes, vertentes ou em antigos desmoronamentos, pois estes lugares indicam condições de solo instável;
- procurar um estreitamento para que a barragem seja a mais curta possível;
Figura. Escolha do local para a construção da barragem
- escolher um local que possibilite o aproveitamento da carga hidráulica criada com a elevação da água;
- a construção deve ser localizada próxima de locais onde haja solos de boa qualidade (textura média). O barro de textura fina tende a rachar quando seco e a areia de textura grossa não retém água;
- facilidade de acesso ao local da obra;
- a área a ser inundada deve ser espraiada, coma alargamento a montante, o que permite um maior acúmulo de água;
- o reservatório não deve ser muito raso para evitar o aparecimento de plantas aquáticas;
- deve-se evitar a localização do reservatório sobre solos que permitam muita infiltração;
- levando-se em consideração que as árvores e arbustos devem ser removidos do local do reservatório é necessário ter em conta a densidade deste tipo de vegetação (custo da derrubada).
- A suscetibilidade da região à erosão deve ser levada em conta. Os locais onde os solos estão expostos à erosão acabam levando muitos sedimentos às represas, o que pode comprometer a sua capacidade de armazenamento. Para isso, é preciso adotar medidas conservacionistas ao longo da bacia hidrográfica que a represa abrange. 
6.2 Levantamento plani-altimétrico
O levantamento tem por objetivo um melhor conhecimento da área onde se vai construir a barragem. Normalmente utiliza-se o levantamento do eixo da barragem e de seções intermediárias transversais ao eixo, com levantamento de curvas de nível (normalmente de metro por metro) em toda a área a ser inundada pela represa.
O cálculo do volume acumulado pode ser obtido pela equação abaixo:
Em que:
V – volume acumulado (m3);
S0 – área da curva de nível de ordem 0 (m2);
Sn – área da curva de nível de ordem n (m2);
h – diferença de cota entre duas curvas de nível (m).
6.4 Altura da Barragem
A altura da barragem depende do volume total de água a ser acumulado. Para determinação da altura da barragem leva-se em consideração a altura normal de água (Hn), a altura de água no ladrão (HL) e a folga total. A folga total é obtida com a soma do valor da tabela abaixo com a altura das possíveis ondas que poderão se formar.
H = Hn + HL + Folgatotal
Folgatotal = folga + onda
Tabela. Valores mínimos da folga
 Onda = 0,36 (L)1/2 + 0,76 – 0,27 (L)1/4, onde L = maior dimensão da represa a partir da barragem (km)
6.5 Largura da crista
A largura da crista deve ser sempre maior que 3 m, uma vez que, normalmente, utiliza-se o aterro como estrada. Na tabela a seguir apresenta-se uma sugestão de valores da crista em função da altura da barragem.
6.6 Cálculo do volume de terra
É de grande importância o conhecimento do volume total de aterro da barragem, pois o custo da obra se baseia, principalmente, em gastos com horas-máquinas que são utilizadas na escavação, transporte, movimentaçãoe compactação da terra que será utilizada na construção da barragem. Um método bastante utilizado é o método expedito.
- Método expedito:
Neste método calcula-se a largura média transversal do aterro e multiplica-se pela área da seção do local onde será construído o aterro.
O volume total será dado por:
Em que, B é a largura da projeção da base; c = largura da crista; e A é a área da seção.
6.8 Extravasor
O extravasor é um dispositivo de segurança, que tem a finalidade de eliminar o excesso de água quando a vazão assumir valores que tornem perigosa a estabilidade da barragem ou impedir que o nível de água suba acima de uma certa cota.
O extravasor deve ter capacidade suficiente para permitir o escoamento máximo que pode ocorrer na seção considerada. A vazão de imensionamento deve ser igual à máxima vazão do curso de água, o que ocorre por ocasião das cheias.
Os passos para o dimensionamento do extravasor são:
- Delimitar a bacia de contribuição;
- Determinar o coeficiente de escoamento superficial;
- Com base no tempo de retorno e no tempo de concentração da bacia, determinar a intensidade de precipitação;
- Pela fórmula racional, calcular a vazão máxima de escoamento superficial;
- Determinar as dimensões do extravasor para transportar a vazão máxima.
Na determinação das dimensões do extravasor não esquecer dos limites da velocidade de escoamento.
Tabela. Velocidade limite da água em função do material do canal
Figura. Aterro com canal exterior
6.9 Tomada d’água e desarenador
- Desarenador:
O desarenador tem o objetivo de esvaziar a represa e eliminar o material decantado. O material do desarenador deve ser impermeável e resistente à pressão do aterro. É a primeira estrutura construída na implantação do projeto, pois, após a sua construção, o curso d’água será desviado para o seu interior, facilitando os trabalhos de elevação da barragem.
A dimensão do desarenador é determinada com base no tempo que se deseja esvaziar a represa. No dimensionamento, consideramos o desarenador como um tubo. Através das fórmulas de perda de carga determina-se qual deve ser o diâmetro. A perda de carga irá corresponder à carga hidráulica sobre o tubo. No caso do desarenador, como a carga é variável, tira-se a média da carga hidráulica inicial com a final. A vazão é determinada é dada por: 
Q esvaziamento = Volume acumulado / Tempo esvaziamento+ vazão normal do rio
- Tomada d’água:
Tomada d’água é a estrutura utilizada para a captação e aproveitamento da água represada. Assim como o desarenador, através das fórmulas de perda de carga determina-se qual deve ser o diâmetro da tomada d’água. A perda de carga irá corresponder à carga hidráulica sobre o tubo. A vazão é determinada com base na finalidade da tomada d’água.
Tomada d’água e desarenador
7 EXEMPLO DE DIMENSIONAMENTO
- Dimensionar uma barragem de terra com os dados abaixo:
a) PLANTA TOPOGRÁFICA:
b) BACIA DE CONTRIBUIÇÃO: Área = 56 ha; 46,5% - Pastagem; 30% - Cultura Perene; e 23,5% - Mata
c) SOLO: Arenoso
d) DECLIVIDADE MÉDIA DO TERRENO: 8%
e) VAZÃO NORMAL DO CURSO D’ÁGUA: 5 L/s
f) TOMADA D’ÁGUA: A tomada d’água deve ser instalada em cota superior a 103 m, com Vazão de 10 L/s, durante 8 horas por dia. O comprimento da tomada d’água é de 50 m.
g) CRISTA: No mínimo a largura de um carro
h) NÍVEL DA BARRAGEM: Cota = 106 m
i) RELAÇÃO COMPRIMENTO/LARGURA DA BACIA = 1,5/1/
j) CANAL EXTRAVASOR: h = 1 m; V = 1m/s; i = 0,0015 m/m; n = 0,03; Talude=2:1; Folga=20%; Folga na borda do canal = 1/4.h
l) DESARENADOR: Tubo de concreto (C=120); Esvaziamento = 3 dias; L = 45 m.
m) DADOS DA BACIA:
1) VOLUME TOTAL ACUMULADO
- Volume total: S0 – S6
- Volume útil: S3 – S6
V total = [(38+8.987)/2 + 167 + 779 + 1.239 + 3.565 + 5.789].1 = 16.051,5 m3
V útil = [(1.239+8.987)/2 + 167 + 779 + 1.239 + 3.565 + 5.789].1 = 14.467 m3
Figura. Volume armazenado
2) ALTURA DA BARRAGEM
- Cota do nível da água: 106 m
- Espelho d’água: 300 m
- Tabela: Folga = 0,75 m
- Onda: H = 0,75 m
- Altura d’água no extravasor = 1,0 m
- Folgatotal = 0,75 + 0,75 = 1,5 m
- Altura da barragem = 6 + 1,0 + 1,5 = 8,5 m
Figura. Aterro com canal extravasador
3) LARGURA DA CRISTA
- Com base na tabela, para uma altura da barragem de 8,5 m, a largura da crista deve ser de 4,5 m.
4) COMPRIMENTO DA BASE E DIMENSÕES DA SEÇÃO
- Talude recomendado: 2,5:1 – 2,0:1
5) CANAL EXTRAVASOR
5.1) Coeficiente de escoamento superficial
- Com base na tabela do coeficiente de escoamento superficial:
Mata, i = 8%, arenoso: C = 0,18
Pastagem, i = 8%, arenoso: C = 0,37
Cultura perene, i = 8%, arenoso: C = 0,46
- O coeficiente médio é obtido através de uma média ponderada com base nas porcentagens de ocupação:
C médio = (46,5% . 0,37 + 30% . 0,46 + 23,5% . 0,18)/100 = 0,352
5.2) Tempo de concentração
- Com base na tabela a seguir, Tc = 20 min
Tabela – Tempos de concentração, baseados na extensão da área, para bacias que possuam um comprimento aproximadamente o dobro da largura média e de topografia ondulada (5% de declividade média).
- Considerando uma relação comprimento/largura de 1,5/1: Tc = 20 x 0,86
- Correção p/ declividade: 
5.3) Determinação da precipitação
- Para um TR = 10 anos e Duração (d) = 13,38 m, considerando a equação de Pfastetter:
Belém: 
Em que: P = precipitação total (mm); TR = tempo de retorno (anos); e d = duração (h)
Portanto, a intensidade de precipitação (I) = 30 mm/13,38 min = 134,5 mm/h
5.4 Fórmula racional
Q = 0,352 . 134,5 . 56 /360 = 7,26 m3/s
5.5 Dimensões do canal
Fórmula de Manninga: Q = A . 1/n . R2/3 . i1/2 → Q/A = V = (R2/3 . i 1/2)/n
Em que:
V – velocidade de escoamento (m/s);
R – raio hidráulico do canal (m);
i – declive do canal (m/m);
n – coeficiente de Manning.
1 = (R2/3 . 0,00151/2)/0,03 → R = 0,6817m
Como → → b = 3,3 m
Considerando uma folga de 20%: b = 4m
Dimensões do canal extravasador
6) DESARENADOR
- Para a obtenção do diâmetro utiliza-se Hazen Willians c/ HF=6/2=3m; L=45 m, C=120, e Q = 0,0669 m3/s
- D = 164 mm (150 ou 200 mm)
7) TOMADA D’ÁGUA
- Para a obtenção do diâmetro utiliza-se Hazen Willians c/ HF=3m; L=50 m, C=150, e Q =0,01 m3/s
- D = 74 mm (75 mm)
8) VOLUME DO ATERRO
- Método expedito:
O volume total será dado por