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Erguendo Pilares para o Desenvolvimento DIVISÃO DE ENGENHARIA ENGENHARIA DE PROCESSAMENTO MINERAL MECÂNICA APLICADA 1˚ Trabalho 5° Grupo, 2° Ano Turma Única – Pós laboral TEMA: BARRAGEM DE TERRA Discentes: Docente: Danilo Agostinho Eng. Bruno Bene Emanuel Amonique Pedro Inverno Albertino Fastudo Alberto Tete Outubro de 2019 1 ÍNDICE I. INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 2 II. Objectivos ........................................................................................................................... 3 Objectivo geral ....................................................................................................................... 3 Objectivos específicos ............................................................................................................ 3 III. METODOLOGIA ........................................................................................................... 4 1. BARRAGENS DE TERRA................................................................................................ 5 1.1. HISTORIAL ................................................................................................................ 5 1.2. Conceito ...................................................................................................................... 5 2. CLASSIFICAÇÃO DAS BARRAGENS ........................................................................... 6 2.1. Barragens não convencionais ...................................................................................... 6 2.1.1. Barragens de gabião ............................................................................................. 6 2.1.2. Barragens de Madeira .......................................................................................... 6 2.2. Barragens Convencionais ............................................................................................ 6 2.2.1. Barragem de enrocamento ................................................................................... 6 2.2.2. Barragens de concreto .......................................................................................... 6 2.2.3. Barragens Mistas .................................................................................................. 7 3. BARRAGEM DE TERRA ................................................................................................. 7 3.1. Elementos de barragens de terra.................................................................................. 8 3.2. Componentes de uma barragem de terra ................................................................... 10 4. CÁLCULOS FEITOS NO DESENVOLVIMENTO DE UMA BARRAGEM DE TERRA .................................................................................................................................... 11 4.1. Folga /borda livre ...................................................................................................... 11 4.3. Largura do coroamento ou crista/soleira ................................................................... 13 4.5. Orla de Segurança ..................................................................................................... 14 4.6. Cálculo da Largura da Crista ..................................................................................... 14 4.7. Determinação da linha de infiltração ........................................................................ 14 4.8. Estabilidade de taludes .............................................................................................. 15 5. VANTEGENS E DESVANTAGENS .............................................................................. 16 5.1. Vantagens .................................................................................................................. 16 5.2. Desvantagem ............................................................................................................. 16 IV. CONCLUSÃO .............................................................................................................. 17 V. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................. 18 2 I. INTRODUÇÃO Grandes civilizações que se localizavam as margens de rios como o Nilo, Tigre e Eufrates, eram as quais utilizavam seus recursos hídricos sem a necessidade de irrigar, porém com a expansão das populações e exploração de outras áreas, a irrigação teve seu papel fundamental no desenvolvimento destes povos (LEÃO, 2012). O barramento de cursos de água para a formação de lagos artificiais são dotados de mecanismos de controlo com a finalidade de obter a elevação do nível de água ou criar um reservatório de acumulação de água ou de regularização de vazões. Esta técnica para maior disponibilidade hídrica é uma das mais antigas já conhecidas pelo homem, as quais eram realizadas para atender as demandas de águas para povoados e sociedades. (ADAM, 2011). Em áreas rurais utiliza-se a construção da barragem de terra para uma série de finalidades, destacando-se a irrigação, seguida de: abastecimento da propriedade, criação de peixes, recreação, bebedouro, elevação de água por bombeamento e outros (CARVALHO, 2008). 3 II. Objectivos Objectivo geral Descrever barragem de terra, tendo em conta seus principais componentes. Objectivos específicos Ilustrar fórmulas para cálculos desenvolvidos na construção de uma barragem de terra; Classificar resumidamente as barragens, (convencionais e não convencionais); Descrever as vantagens e desvantagens de uma barragem de terra. 4 III. METODOLOGIA Segundo ANDRADE (2001:128), “metodologia é o conjunto de métodos ou caminhos que são percorridos na busca do conhecimento”. Para a realização efectiva do presente trabalho, o grupo baseou-se nas fontes bibliográficas que constam nas referências do mesmo, onde os dados foram coletados por meio de métodos de recolha de informações consultadas nos manuais escritos disponíveis em plataformas digitais online. 5 1. BARRAGENS DE TERRA 1.1. HISTORIAL Desde os remotos tempos em que o homem tenta barrar o curso de água com as mais variadas finalidades, as barragens evoluíram muito em tecnologia. Todavia, ainda hoje, alguns tipos mais primitivos de barragens são eventualmente utilizados quando a obra assume pequenas proporções, principalmente quando executada por pequenos fazendeiros com o objetivo de armazenar água (COSTA, 2012). O barramento de cursos de água para a formação de lagos artificiais são dotados de mecanismos de controlo com a finalidade de obter a elevação do nível de água ou criar um reservatório de acumulação de água ou de regularização de vazões. Esta técnica para maior disponibilidade hídrica é uma das mais antigas já conhecidas pelo homem, as quais eram realizadas para atender as demandas de águas para povoados e sociedades. (ADAM, 2011). A agricultura irrigada é a atividade que mais demanda água no mundo, sendo que das terras produtivas 20% é irrigada e esta parcela é responsável por 33,33% da produção mundial de alimentos. Estudos indicam que a partir de 2025, 80% da produção de alimentos virá de terras irrigadas e a construção de mais projetos de reservatóriosse tornam necessários mesmo com procedimentos de economia de água por meio de melhorias na tecnologia de irrigação (CIGB, 2008). 1.2. Conceito Barragens de terra são obras que interceptam um curso de água cujo a finalidade essencial é a retenção, em dadas condições, de um determinado volume de água. Barragem também pode ser definida como sendo um elemento estrutural, construída transversalmente à direção de escoamento de um curso de água, destinada a criação de um reservatório artificial de acumulação de água (MARANGON, 2004). As barragens de terra fazem parte do grupo das barragens de aterro, que incluem também as barragens de enrocamento e as barragens mistas, e são assim designadas dado serem constituídas principalmente por solos ou misturas de solos com pequenos fragmentos de rochas. 6 2. CLASSIFICAÇÃO DAS BARRAGENS Segundo Costa (2012), as barragens devem ser divididas em dois grandes grupos: convencionais, que são as mais utilizadas e cujo mecanismo é de amplo conhecimento na literatura especializada; e não convencionais, que incluem as que são pouco utilizadas, embora algumas delas possam ter sido desenvolvidas recentemente. 2.1. Barragens não convencionais 2.1.1. Barragens de gabião Segundo Costa (2012), a barragem de gabião é uma obra de pequeno porte (geralmente inferior a 10m de altura) projetada para ser parcial ou totalmente vertedora. Esta obra é constituída por uma parede de gabião com extensão para jusante formando a bacia de dissipação e aterrada a montante com material argiloso. Sendo assim, ela necessita de uma manta de bidim entre a argila e o gabião para evitar o carreamento dos finos. Uma placa de concreto na parte de vertência deverá garantir a proteção do coroamento para grandes vazões efluentes, evidência esta construção. 2.1.2. Barragens de Madeira Essa barragem exige madeira de boa qualidade e deve ser revestida com uma chapa de aço que garantirá a sua vedação. As caixas formadas pela armação de madeira devem ser preenchidas com rocha para evitar o seu deslocamento pelas pressões hidrostáticas (COSTA, 2012). 2.2. Barragens Convencionais 2.2.1. Barragem de enrocamento Esse tipo de barragem é aquele em que são utilizados blocos de rocha de tamanho variável e uma membrana impermeável na face de montante. O custo para a produção de grandes quantidades de rocha, para a construção desse tipo de barragem, somente é econômico em áreas onde o custo do concreto fosse elevado ou onde ocorresse escassez de materiais terrosos e houvesse, ainda, excesso de rocha dura e resistente (MARANGON, 2004). 2.2.2. Barragens de concreto Gravidade: é o tipo de barragem mais resistente e de menor custo de manutenção. Este tipo pode ser adaptado para todos os locais, mas a sua altura é limitada pela resistência das fundações. No caso de a fundação ser de rocha sã, porém situada a considerável profundidade 7 da superfície do terreno, é mais adequado e econômico construir-se uma barragem de terra, porque a mesma não necessita repousar sobre fundação em rocha e assim evita-se uma quantidade de escavação (MARANGON, 2004). 2.2.3. Barragens Mistas A barragem pode ser considerada mista em sua seção ou em seu traçado. A barragem de seção mista é aquela constituída por diferentes materiais ao longo de uma seção transversal. 3. BARRAGEM DE TERRA A barragem de terra é a mais comum no Brasil, por se ter vales muito largos e ombreiras suaves, necessitando de grandes extensões de crista, ao mesmo tempo em que se dispõe abundantemente de solo. Por não ser uma estrutura rígida estas barragens permitem ser assentes em fundações mais deformáveis, transmitindo esforços baixos para as fundações se comparadas com as barragens citadas anteriormente (MENDONÇA, 2012). As barragens de terra são utilizadas em vários meios, seja ele urbano, para geração de energia elétrica, bem como no meio rural, onde a mesma se destina à irrigação de cultivos e reservas para abastecimento de propriedades rurais. Segundo Leão (2012), a utilização deste tipo de barragem se dá pela facilidade de execução e pelo custo reduzido. Segundo FAO (2011), as barragens de terra são estruturas simples compactadas que dependem de sua massa para resistir ao deslizamento e tombamento e são encontradas em todo o mundo. Demonstra-se na Figura 1 uma barragem de terra finalizada, com volume da água em face de acúmulo. Figura 1. Barragem de terra construída no interior da cidade de Alegrete, fonte FAO. 8 3.1. Elementos de barragens de terra As barragens de terra são as mais elementares obras de barragens e normalmente se prestam para qualquer tipo de fundação, desde a rocha compacta, até terrenos construídos de materiais inconsolidados (MARANGON, 2004). Segundo Baptista e Coelho (2010), a barragem de terra não pode ser considerada como impermeável, pois ocorre em seu corpo a percolação da água, este fenômeno deve ser tratado com bastante cuidado. A percolação coloca em risco a estabilidade da barragem e por isto deve ser feito o traçado das redes de fluxo em seu corpo. Através das redes de fluxo é possível determinar o local adequado de drenos e camadas impermeáveis. Os materiais utilizados na barragem devem ser preferencialmente finos, argila ou silte, pois com uma boa compactação estes materiais tem um valor maior de impermeabilidade do que os materiais mais grossos, como areia e cascalhos. Mas, como a utilização de um mesmo material em toda a construção da barragem é praticamente impossível de haver, o mais indicado seria a utilização de uma mistura dos materiais, ou seja, argila, silte e areia em proporções as quais o maciço fique numa estanqueidade aceitável e se ocupe o máximo do material contido no espaço. Para Lopes e Lima (2008), o fluxo de água irá causar o umedecimento de parte do maciço de terra, a partir da sua base. Assim se formará no interior da barragem uma linha de fluxo chamada de linha de saturação, esta linha é determinada pela altura máxima do umedecimento do maciço, desta forma toda a parte do maciço que estiver abaixo desta linha estará sempre umedecida. As Figuras 2 e 3 exemplificam os tipos de fluxo de água no interior da barragem. Figura 2. Linha de saturação terminando fora do maciço. Fonte: Lopes e Lima (2008). 9 Quando a linha de saturação terminar fora do corpo da barragem, como na Figura 3, podem ocorrer desmoronamentos que comprometerão a estabilidade do conjunto. Figura 3. Linha de saturação terminando dentro do maciço, Fonte: Hradilek et al. (2002, p.11). Porém, se a linha de saturação terminar dentro do corpo da barragem, Figura 3, os riscos de desmoronamentos são eliminados, pois não há o carreamento de material fino (argila e silte) para o exterior do maciço, os mesmos se mantêm no interior do aterro resultando em uma maior estabilidade global do sistema. As barragens de terra podem ser de dois tipos, homogêneas ou zoneadas, a Figura 4 distingue os tipos de barragens de terra. Figura 4. Barragens de terra do tipo homogênea e zonada, Fonte: Adaptada de Costa (2012). Segundo Marangon (2004), as barragens homogêneas (Figura 4a) são aquelas compostas de uma única espécie de material, excluindo-se a proteção dos taludes. Nesse caso, o material necessita ser suficientemente impermeável, para formar uma barreira adequada contra a água, e os taludes precisam ser relativamente suaves, para uma estabilidade adequada. Na Figura 4b, as barragens zonadas, são representadas por um núcleo central impermeável, envolvido por zonas de materiais consideravelmente mais permeáveis, zonas essas que 10 suportam e protegem o núcleo. As zonas permeáveis consistem de areia, cascalho ou fragmentos de rocha, ou uma mistura desses materiais (MARANGON, 2004). 3.2. Componentes de uma barragem de terra As barragens de terra possuem grande volume, pois funcionam pelo peso do aterro, composto por soloque possui peso específico (1.8 a 1.9 g/cm3) menor que o do concreto (2.4 g/cm3). Os taludes, suaves, devem ser compatíveis com a resistência ao cisalhamento do material após compactação. Tem base larga para distribuir o peso e aumentar a seção de percolação. Podem ter seção homogênea ou zonada, dependendo da disponibilidade de materiais de construção nas proximidades do barramento. Nas barragens zonadas há um núcleo de material impermeável e duas zonas externas, em geral construídas com materiais mais permeáveis e mais resistentes aos deslizamentos. Segundo Carvalho (2008), para um melhor entendimento de uma barragem de terra alguns componentes precisam ser identificados, a Figura 5 demonstra tais componentes. ATERRO: é o maciço, ou seja, é a estrutura com a função de reter a água; ALTURA: é a distância vertical entre a superfície do aterro e a parte superior; BORDA LIVRE OU FOLGA: distância vertical entre o nível da água e a crista do aterro, quando a represa estiver cheia; TALUDES: são as faces laterais do aterro, sendo o de montante aquele que está em contato com a água, e o de jusante aquele que está do lado seco da barragem; CRISTA: é a parte superior do aterro; ESPELHO DA ÁGUA: superfície d’água acumulada no reservatório; BASE OU SAIA DO ATERRO: projeção dos taludes de montante e jusante; CUT-OFF: vala construída no eixo da barragem e preenchida com terra de boa qualidade devidamente compactada; NÚCLEO: construído no centro do aterro para diminuição da infiltração; EXTRAVASOR OU VERTEDOURO: estrutura com a finalidade de escoar o excesso de água da represa; DESARENADOR: também conhecido como tubulação de fundo, tem a função de controlo do nível da represa e garantir o escoamento à jusante; DISSIPADOR DE ENERGIA: tem a função de diminuir a energia cinética da água, ao voltar ao seu leito natural. 11 Esses elementos caracterizam o tipo de barragem e qual sua utilização, pois com a mudança do tipo de construção pode haver mudanças também na forma inicial da barragem, mas os elementos principais que compõem a mesma não podem ser afetados. Figura 5. Elementos básicos em uma barragem de terra, Fonte: Carvalho (2008). 4. CÁLCULOS FEITOS NO DESENVOLVIMENTO DE UMA BARRAGEM DE TERRA 4.1. Folga /borda livre É a diferença entre o nível do coroamento e o nível máximo estipulado do reservatório. Para tal, utilizou-se a fórmula empírica criada por Stivenson-Molitor para determinação da altura “h” da camada do projeto, fazendo relações com a velocidade do vento que atinge a lâmina de água bem como a onda que este impacto gera. A folga/borda livre para pequenas barragens nunca deverá ser menos do que 0,5 m, preferivelmente com 0,75 m a 1,0 m. Onde a accão de ondas é provável, poderá ser necessário uma maior folga/borda livre. Isto pode ser calculado usando a seguinte fórmula: Altura da folga/borda livre, H” (em m) = (L-f).d Onde: 12 H” = é a altura da folga/borda livre; F = é a folga da largura de crista, frequentemente usa-se 3m; L = largura da crista; D = distância da base e altura da folga, geralmente usa-se 5m em barragens pequenas. 4.2. Largura mínima da barragem L = 𝑯 𝑫 + 𝒇 Onde: h = altura da folga (m); D = distância da base e altura da folga; F = é a folga da largura de crista, que representa máxima distância livre de exposição em linha reta na direção do vento (fetch), tomada em km, este valor está representada na Figura 5; L = largura mínima da barragem. Figura 5. Fetch de comprimento L em Km Fonte: Adaptado de Tomaz (2010) 13 4.3. Largura do coroamento ou crista/soleira A largura do coroamento ou crista/soleira duma barragem é selecionada tendo em consideração o tamanho da barragem, as características e topografia da bacia hidrográfica e se será necessário uma estrada ou outro acesso através do aterro. Em todos os casos, a largura do coroamento ou crista/soleira deverá ser projectada para permitir a passagem segura de activos fixos tangíveis para serem usados na construção da barragem e não deverá ter menos de 2 m de largura. Alternativamente, e mais apropriada para pequenas barragens que excedam os 5 m de altura, Poderá ser adoptada uma largura padrão do coroamento ou crista/soleira de 3 m ou ser usada a fórmula abaixo: Cw (em m) = 0,4H + 1,4 Onde: Cw = é a largura do coroamento ou crista/soleira; H = é a altura máxima da barragem, em metros. Adopte sempre a maior largura possível de coroamento ou crista/soleira (e lados do aterro menos inclinados) onde fundações e materiais de construção não são de boa qualidade. Para reduzir erosão, deverá ser dado a todos os coroamentos ou cristas/soleiras uma inclinação de 2,5 por cento para permitir a drenagem de água da chuva para o reservatório pela face montante do aterro. As distâncias de desvio da estaca do pé do eixo são calculadas usando a fórmula: 4.4. Distância da base da barragem (m) B = (j+ m) H + Cw Onde: j = é o talude jusante; m = é o talude montante; H = é a altura máxima da barragem, em metros; Cw = é a largura do coroamento ou crista/soleira (m); 14 4.5. Orla de Segurança É a diferença entre o nível de coroamento do reservatório e o nível normal do mesmo. Para o cálculo deste parâmetro, leva-se em conta a altura da lâmina de água no vertedouro, pois este deve estar alinhado ao nível normal do reservatório, bem como a borda livre calculada. A Equação demonstra: 𝑂𝑆 = 𝑅 + ℎ𝑣 Onde: R = borda livre (m); hv = altura da lâmina de água no vertedouro (m). 4.6. Cálculo da Largura da Crista Tal valor leva em referência à 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 Preece, e está representada na Equação: 𝑏 = 1,1 𝑥 (𝐻) 1/2 + 1,0 Onde: b = largura da Crista (m); H = altura total da taipa (m). 4.7. Determinação da linha de infiltração Para tal definição e construção gráfica de Casagrande utilizaram se as equações a partir da parábola de Kozeny. 𝑝 = (ℎ2 + 𝑑2) 0,5 – 𝑑 Onde: p = Altura na qual a água saíra à jusante do barramento, valor fixo para x = 43,15m (metros); h = altura do nível normal da barragem (metros); d = distância horizontal da linha de influência. 𝑦 = (2𝑝𝑥 + P2) 0,5 15 Onde: X = distância horizontal arbitrada, até encontrar o valor do nível normal de água (metros). 4.8. Estabilidade de taludes Como forma de verificar a estabilidade dos taludes do barramento foram feitas simulações das linhas de ruptura à qual o maciço será submetido, por meio do software já citado. Segundo Diminsky (200) estas linhas de ruptura de um solo, representada de maneira ideal, se produz por cisalhamento ao longo de uma superfície, ocorre o deslizamento de uma parte do maciço sobre uma zona de apoio que permanece fixa. O modelo que será inserido no software GeoSlide é mostrado na Figura 6. As medidas que compõem a Figura 6 são: “1” = 34,25 metros; “2” = 5metros; “3” = 25 metros, totalizando uma largura de 64,25 metros e Altura = 12,6 metros. No modelo exposto na Figura 6, foram utilizados parâmetros de identificação só solo, que consiste: 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. O círculo de ruptura é locado no pé do talude, de acordo com indicações de Fellenius, sendo a seção considerada como homogênea. Considerando a condição mais crítica que é o esvaziamento rápido do reservatório, justifica-se assim a utilização do peso específico saturado para o cálculo o valor da estabilidade. Os taludes são considerados estáveis quando o FS for maior que 1,5. Sendo os cálculos realizados com os parâmetros de resistência ao cisalhamentoem termos de pressões totais. Figura 6. Aterro com taludes de montante e jusante Fonte: Elaboração própria. 16 5. VANTEGENS E DESVANTAGENS 5.1. Vantagens São utilizados materiais naturais locais; Os procedimentos do projecto são simples; Comparativamente, são necessários pequenos activos fixos tangíveis; 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. 5.2. Desvantagem 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 protecção adequada a montante são essenciais para qualquer barragem; Projectar 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 insectos e animais. 17 IV. CONCLUSÃO Apos feito o trabalho o grupo conclui que: A construção da barragem traz grandes benefícios para o proprietário gerando um grande diferencial no cultivo, fechando um ciclo de águas dentro da propriedade à qual não haverá mais desperdício da mesma após a irrigação, pois fecha-se um ciclo, onde a água que excede nas lavouras são conduzidas as barragens à jusante das mesmas. Na classificação das barragens (as convencionais e não convencionais), as mais utilizadas são as convencionais devido a sua máxima estabilidade e durabilidade. E quanto as não convencionais cujo fazem parte do tema em estudo (barragens de terra), são menos utilizadas. Mas estas apresentam uma grande vantagem devido a sua fácil construção e requerem menos custos, se comparado com as de concreto/convencionais. Devido o uso de material argiloso, estas barragens são aderentes a deslizamento do material através de agentes externos que vão atuando sobre a mesma. Aconselhasse sempre na construção de barragens de terra utilizar equipamentos compactadores de grandes portes. 18 V. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANA. Manual de estudos de disponibilidade hídrica para aproveitamentos hidrelétricos: Manual do usuário. Agência Nacional de Águas, Brasília: ANA, SOF, 2010.71p ADAM. ATLAS DIGITAL DAS ÁGUAS DE MINAS. Roteiro básico para o dimensionamento de pequenas barragens de terra no estado de MG. Disponível em: <http://www.atlasdasaguas.ufv.br/exemplos_aplicativos/roteiro_dimensionamento_ barragens.html>. CARVALHO, J. de A. Dimensionamento de pequenas barragens para irrigação. Lavras: Ed. UFLA, 2008. 153p. FIORI, A. P.; CARMIGNANI, L. Fundamentos de mecânica dos solos e das rochas: aplicação na estabilidade dos taludes. Curitiba: Editora da UFPR, 2009. HRADILEK, P. J. et al. Avaliação de pequenas barragens. Brasília: Bureau of Reclamation, 2002. 74f.: il. (Manual de Irrigação, v.6).
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