Aula 03- Barragens de Terra e Enrocamento III

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Aula 03
Barragens de Terra e Enrocamento III
Prof. Danilo Bernardes Lourenço
Dimensionamento de taludes de uma Barragem de Terra
Análise de Estabilidade 
O projeto do maciço compactado de uma barragem é principalmente controlado pelas características dos materiais de construção disponíveis, pela natureza das fundações, pelos métodos construtivos especificados e pelo grau de controle de construção previsto. 
Pelas considerações relativas aos custos dos materiais de construção, há um máximo interesse de se utilizar os solos disponíveis nas proximidades imediatas do local de implantação da barragem; em função da qualidade e das propriedades destes solos no estado compactado, deve-se dimensionar as declividades dos taludes em termos econômicos e seguros, o que reverterá em benefícios substâncias, principalmente quando se trata de barragem de grande altura; para atingir tais objetivos, será necessário programar cuidadosamente análises de estabilidade adequadas, as quais exigem estudos prévios detalhados bem como a fixação de critérios de projeto compatíveis com as características da obra. 
Em termos gerais, pode-se afirmar que é possível construir uma barragem de terra sobre quase todos os tipos de fundações; desde que ela sejam adequadamente investigadas e desde que o projeto se adapte convenientemente às condições relevadas. De acordo com o tipo de fundação existente, os estudos de estabilidade dos taludes de uma barragem podem ser divididas em três grupos, de acordo com as características predominantes dos materiais presentes do maciço de fundação: 
1⁰ grupo: fundações em rochas, as quais não apresentam, em geral, problemas graves. 
2⁰ grupo: fundações em solos permeáveis (solos arenosos ou com pedregulhos): nesse caso, deve-se considerar dois aspectos principais : quantidade de água perdida por percolação e grandeza das forças de percolação; esse último aspecto assume especial importância nos casos de fundações constituídas por areias limpas e saturadas (geralmente finas e uniformes) de baixa compacidade. 
3⁰ grupo : fundações em solos impermeáveis ( solos essencialmente argilosos ), onde os principais problemas são associados à estabilidade contra a ruptura por cisalhamento e aos assentamentos excessivos. 
Os solos empregados na construção de uma barragem de terra e enrocamento podem ser classificados em duas grandes categorias : 
Os materiais permeáveis ( areias e cascalhos ), caracterizados por uma resistência ao cisalhamento elevada; 
 Os matérias pouco permeáveis ( argilas, areis e siltes argilosos ), caracterizados por uma resistência ao cisalhamento mais fraca. 
No caso de se dispor, nas proximidades imediatas da obra, de quantidades importantes de materiais pouco permeáveis e de pequeno volume de matérias permeáveis, a solução recomendável é de se projetar uma barragem homogenia utilizando os matérias pouco permeáveis. Ao contrário, se a proporção desses dois tipos de materiais é invertida, deve-se adotar uma solução de barragem com “ núcleo impermeável ”, o núcleo sendo construído com materiais pouco permeáveis e os espaldares com materiais permeáveis. No caso dos espaldares serem constituídos por matérias de permeabilidades sensivelmente diferentes, os matérias deverão ser distribuídos de forma que os menos permeáveis sejam posicionados junto ao núcleo da barragem (barragens “zoneadas”); nas barragens com núcleo e nas barragens zoneadas, os espaldares externos têm uma função estabilizadora enquanto compete ao núcleo o papel de elemento impermeabilizador. 
 Numa barragem de seção homogenia , a linha freática tem a tendência de emergir no talude de jusante, o que exige colocação de material permeável, judiciosamente posicionadas. 
 Nas barragens com núcleo impermeável, a espessura do núcleo dependerá da quantidade de materiais argilosos disponíveis, das suas características geotécnicas, de seus índices físicos naturais (teor de umidade) e do condicionamento climático (índice pluviométrico anual e distribuição das chuvas ao longo do ano). 
A posição do núcleo (vertical ou inclinada) dependerá das resistências relativas dos materiais permeáveis e impermeáveis: para uma mesma declividade do talude de montante, um núcleo construído com materiais pouco permeáveis cuja a resistência for ligeiramente menor que a dos materiais do contra núcleos, poderá ser mais inclinado (mais deitado) que um núcleo construído com materiais muito argilosos cuja a resistência for sensivelmente menor que as dos materiais dos contra núcleos, esta posição dependerá também das características de compressibilidade da fundação do núcleo e dos espaldares. 
A programação dos estudos de estabilidade exige obedecer a uma sequência de atividades cuja importância individual não pode ser desprezada, lembrando-se que os projetos teoricamente bem elaborados e apoiados sobre análises de estabilidade detalhadas causaram sérios problemas por omitir ou subestimar determinados aspectos importantes. Consequentemente, deve-se escolher criteriosamente: 
As condições de carregamento a analisar
As seções mais críticas, ( essa escolha exigirá a elaboração prévia de seções geotécnicas longitudinal e transversais ). 
Os parâmetros de resistência
Os métodos de análises
Os fatores de segurança mínimos 
Condições de Carregamento
Durante e após a construção de uma barragem e após o primeiro enchimento do reservatório. Uma barragem, de terra é submetida a um conjunto de solicitações que variam com o tempo, sendo portanto necessário verificar, se os fatores de segurança correspondentes à ruptura por cisalhamento são compatíveis com os valores prefixados. Em linhas gerais, as situações críticas a considerar são as seguintes. 
1⁰) - fim de construção:
Durante a construção de uma barragem de terra, à medida que as camadas vão sendo colocadas e compactadas, a pressão total num determinado nível vai aumentando, sendo que este aumento provoca simultaneamente pressões intersticiais, devido à compressibilidade do maciço e ao seu baixo coeficiente de permeabilidade. Assim os esforços solicitantes provém, para uma determinada declividade do talude, do peso das terras e das consequentes pressões neutras induzidas, as quais são uma função do tipo de solo, do teor de umidade dos solos colocados e do ritmo construtivo.
2⁰) - fluxo em regime permanente com o reservatório cheio:
Durante o primeiro enchimento com o reservatório, estabelecem-se fluxos de percolação, constituindo-se progressivamente uma rede de fluxo permanente. Uma vez que a água percola de montante para jusante, a pressão de percolação é favorável à estabilidade do talude de montante e desfavorável à do talude de jusante. esta condição de solicitações é também denominada “a longo prazo”. 
3⁰) - esvaziamento rápido do reservatório:
A um rebaixamento rápido do nível do reservatório, corresponde uma situação crítica para o maciço de montante da barragem. 
 4⁰) - solicitações dinâmicas:
Provocadas por sismos, este tipo de situação é rotineiramente considerado em regiões sísmicas; nestes últimos anos, tem sido recomendado como indispensável verificar sob tais solicitações, mesmo em zonas historicamente assísmicas em virtude da possibilidade de ocorrência de sismos induzidos pelo enchimento do reservatório da própria barragem.
As características geométricas externas de uma barragem de terra são geralmente determinadas pelo seu desempenho correspondente ao fim de construção e ao rebaixamento rápido do reservatório: 
O talude de jusante é dimensionado levando em consideração as pressões neutras que podem se desenvolver no maciço até o fim de sua construção. 
O talude de montante é dimensionado levando em consideração as condições criadas pelo rebaixamento instantâneo do reservatório. 
Entretanto, no casos de maciços construídos com materiais muito pouco a pouco argilosos compactados do lado seco com relação à umidade ótima do ensaio de compactação, pode se tornar necessário modificar a declividade obtida para o talude de jusante e/ou melhorar a capacidadedrenante do sistema de drenagem interna, a fim de garantir a estabilidade da obra para as condições de operação normal (longo prazo). 
Escolha das Seções a Serem Analisadas
A escolha judiciosas das seções transversais críticas cujas condições de equilíbrio devem ser verificadas, pressupõe o profundo conhecimento prévio do condicionamento geotécnico dos maciços de fundações e ombreiras. Torna-se portanto necessário elaborar o perfil longitudinal pelo eixo da barragem, o que constitui um subsídio substancial para os estudos de projeto. A montagem deste perfil ajuda também a programação das investigações geotécnicas necessárias, já que, ao elaborar tal perfil, serão identificadas as zonas pobres em resultados de investigações, subsidiando assim a equipe de projeto na programação dinâmica e objetiva dos estudos e investigações de campo e laboratório necessárias à obtenção dos parâmetros condicionantes do projeto. 
As informações necessárias à montagem do modelo geotécnico da fundação da barragem a ser utilizado para as verificações de estabilidade dos taludes devem abranger todos os dados atinentes às principais condições de solicitações, isto é, fim de construção, fluxo em regime permanente e rebaixamento rápido do reservatório. Ressalta-se que a necessidade e/ou a importância de certos dados só aparecem após a conclusão das primeiras análises de estabilidade, já que estas análises indicam quais são os parâmetros que devem ser determinados com maior precisão e com maiores detalhes, por terem maior peso nos resultados destas análises. Em contrapartida, os estudos esclarecerão também quais são os parâmetros que pouco condicionam o estado de equilíbrio, pelo fato da adoção de valores conservativos dos referidos parâmetros resultar em fatores de segurança aceitáveis.
Da mesma forma, a seleção das seções transversais críticas a serem analisadas obedecerá o processo interativo, uma vez que os resultados das análises de estabilidade preliminares realimentarão o processo de identificação das seções mais críticas. Desde já, cabe salientar que a experiência e o bom senso representam trunfos de grande peso na representação das seções críticas de uma barragem, evitando-se perdas de tempo e gastos inúteis no estudo de seções pouco perigosas. Lembra-se também que quanto mais complexo o condicionamento geotécnico das fundações, maior será o número de seções e situações a serem analisadas. 
Basicamente, o processo de escolha das seções críticas exige a consideração de vários fatores condicionantes tais como a altura da barragem, as características de resistência dos solos de fundação, a espessura das comadas de fundação, a permeabilidade relativa das mesmas, etc... 
Escolha dos Parâmetros de Resistência ao Cisalhamanto
Um dos aspectos mais importantes envolvido nas análises de estabilidade, e provavelmente, um das mais complexas, é a seleção dos valores dos parâmetros de resistência ao cisalhamento. Antes de se proceder à análise deste problema, o qual deve ser estudado separadamente para cada tipo de solicitações, cabe abrir um curto parêntese geral sobre as análises em termos das tensões totais e das tensões efetivas. Antigamente, quando os recursos tecnológicos não permitiam a medição das pressões neutras, quer no campo quer no laboratório, utilizavam-se apenas as análises em termos das tensões totais.
Com o progresso da tecnologia laboratorial e instrumental, tornou-se gradativamente possível medir as pressões neutras em corpos de prova ensaiados em laboratório, bem como pressões neutras reais desenvolvidas dentro de maciços compactados. Tais avanços permitiram utilizar métodos de análises de estabilidade em termos das tensões efetivas, o que não quer dizer que os métodos em termos das tensões totais foram abandonados, havendo casos em que estes métodos são ainda considerados como mais confiáveis e mais recomendáveis. 
Análise por Tensões Totais
A análise em termos das pressões totais admite que as pressões neutras de cisalhamento estão levadas implicitamente em consideração no ensaio de determinação da resistência ao cisalhamento, considerando-se portanto que as condições de carregamento no campo estão simuladas no ensaio (condições de drenagem, trajetórias de tensões, etc...). O ensaio usualmente utilizado é o de compressão triaxial. Cabe frisar que o efeito das condições de carregamento sobre a resistência não drenada, é significativo, o que induz grande variabilidade nos resultados dos ensaios, principalmente para solos parcialmente saturados. 
Análise das Tensões Efetivas
Nas análises em termos das tensões efetivas, parte-se das hipóteses que a resistência efetiva dos solos é conhecida e que pode prever as pressões intersticiais. 
 A primeira hipótese só é válida parcialmente, dependendo da origem das pressões neutras consideradas. 
 1⁰ as pressões neutras de percolação podem ser facilmente determinadas através do traçado de redes de percolação. 
2⁰ as pressões neutras de adensamento também podem ser determinadas através de ensaios de laboratório cujos resultados são facilmente transportáveis nas análises. 
 3⁰ as pressões neutras de cisalhamento cuja transposição dos valores obtidos de ensaios laboratoriais para as análises de estabilidade é mais complexa, já que estas pressões neutras estão relacionadas aos valores das variações das tensões. 
Observa-se portanto que as análises de estabilidade em termos das tensões efetivas se baseiam sobre hipótese aceitáveis a não ser a referente à avaliação das pressões neutras de cisalhamento que exige hipóteses simplificadores. Uma grande vantagem do uso de análises em função das tensões efetivas é associada ao fato do que a resistência efetiva dos solos pode ser determinada com boa precisão e que as pressões neutras construtivas dentro do maciço podem ser medidas, conseguindo-se assim verificar as hipóteses de projeto. 
Fatores de Segurança
Os fatores de segurança a serem introduzidos nas análises de estabilidade de taludes de barragens devem cobrir as incertezas relacionadas com: 
- as resistências dos diversos horizontes dos solos de fundações e ombreiras e das diversas zonas dos solos compactados do maciço da barragem, levando-se em consideração todos os fatores que influenciam estas resistências tais como representatividade e qualidade das amostragens, duplicação do carregamento de campo, anistropia, erros de ensaios, etc. 
as pressões neutras construtivas.
 a distribuição das pressões intersticiais de rede de fluxo permanente.
a grandeza e a distribuição das subpressões nas fundações
a eficiência de sistemas de vedação. 
a eficiência de sistemas de alívio de subpressões.
as vazões de percolação.
a eficiência do sistema de drenagem interna.
as imprecisões dos métodos de cálculo.
as eventuais falhas construtivas. 
a configuração geométrica dos taludes internos e externos e dos materiais. 
O quadro abaixo reproduz as recomendações do “Corps of Engineers” para os diversos tipos de solicitações impostos a uma barragem: 
Notas:
(1) esses valores não são aplicáveis ao caso de maciços apoiados sobre fundações de argilito; neste caso, deverão ser adotados fatores de segurança maiores.
(2) para barragens de mais de 15 m de altura apoiadas sobre fundação relativamente fraca, adotar F.S. mínimo igual a 1,4.
(3) nas zonas onde são previstas pressões neutras elevadas, utilizar a envoltória S.
(4) o fator de segurança não deverá ser menor que 1,5 quando as análises de estabilidade utilizam a velocidade de rebaixamento e as pressões neutras obtidas a partir de redes de fluxo.
(5) as verificações de estabilidade sob a ação de sísmos são realizadas para os casos de fim de construção e de fluxo permanente.
(6) as envoltórias a serem utilizadas são aquelas correspondentes aos casos analisados sem sismos
 Tendo em vista que um deslizamento eventual durante o período construtivo não causa danos substanciais (perdas materiais e de vidas humanas) quando comparados com os danos que seriam provocados pela ruptura de uma barragemcom o reservatório cheio, que as pressões neutras introduzidas nos cálculos de estabilidade são geralmente maiores que as pressões neutras reais, e que é possível de se medir as pressões neutras construtivas pela instalação de piezômetros bem posicionados, é justificável a adoção de fator de segurança mínimo mais baixo para este tipo de condição. No que diz respeito aos valores propostos pelo “Corps of Engineers” (FS = 1,3 a 1,4).
Recomendam-se alguns cuidados ao se adotar tais valores; considera-se imprescindível fixar o valor mínimo do fator de segurança em cada projeto específico em função da peculiaridade do mesmo, de acordo com o grau de conservatismo na fixação das hipóteses de projeto, o grau de confiança dos resultados das investigações de campo e dos ensaios de laboratório, o método de análise adotado, etc... 
As mesmas considerações se aplicam à condição do reservatório cheio, aconselhando-se entretanto maior prudência neste caso tendo em vista as gravíssimas consequências que seriam causadas por um desempenho insatisfatório ou por uma ruptura. 
Acredita-se que um fator de segurança mínimo de 1,5 é aceitável uma vez que este valor já tem sido adotado em inúmeras barragens em operação no Brasil e no Exterior, apesar das diversas modalidades utilizadas para a determinação da resistência ao cisalhamento dos solos, a previsão das pressões intersticiais e as análises de estabilidade. De qualquer maneira, convém pensar no início do projeto a respeito deste assunto, analisando-se cuidadosamente os tipos de materiais que serão utilizados na construção da barragem e o tipo de fundação em que a barragem será apoiada. 
 Por exemplo, se a barragem será construída sobre uma fundação rochosa extremamente resistente, usando-se materiais permeáveis compactados (cascalho arenoso ou enrocamento de rocha sã) e um núcleo impermeável delgado inclinado, é praticamente evidente que não há risco de ruptura do talude de jusante nas condições “a longo prazo”, mesmo se o fator de segurança calculado parece ser relativamente baixo. Pelo contrário, se a barragem será construída com solos essencialmente argilosos sobre uma fundação construída por solos altamente plásticos, a obtenção de um valor mínimo de 1,50 para o fator de segurança deverá exigir cuidados especiais adicionais a fim de avaliar se os parâmetros de resistência ao cisalhamento utilizados e as pressões intersticiais determinadas são suficientemente dignos de confiança. 
Exemplo de Análise de Estabilidade
São apresentadas como exemplo algumas seções que foram analisadas quanto as suas condições de estabilidade e a possibilidade de alteamento do dique (barragem - pequeno tamanho). 
 A seção topográfica estudada apresenta os resultados de SPT obtidos em uma prospecção geotécnica realizada para se caracterizar o sub-solo do local. 
 Construção do Maciço nos Trechos de Contato entre Materiais Diferentes 
Durante a construção de maciços de barragens são requeridos serviços especiais, indispensáveis para a garantia do perfeito funcionamento de alguns dispositivos dos quais eles são dotados. Entre esses serviços destacam-se os relativos à construção de filtros, transições, rip-rap, membranas de concreto, etc. 
Filtros
“Até o meio da barragem faço tudo para a água não chegar. A partir daí faço tudo para a água sair da maneira que quero” 
“Arthur Casagrande” 
O sistema de drenagem interna de uma barragem de terra é geralmente constituído de um tapete drenante e um filtro em chaminé. 
 Os tapetes drenantes, geralmente ficam apoiados sobre a superfície de fundação e são constituídos de camadas múltiplas de materiais, com elevada permeabilidade, para permitir o escoamento das águas drenadas através da fundação e do maciço de barragem. Quando a superfície da fundação é horizontal, ou pouco inclinada, o tapete é construído em camadas e compactado por meio de rolos vibratórios ou tratores de esteira, imediatamente após intensa irrigação. 
Quando a fundação é mais inclinada (ombreira) a construção do tapete é conduzida juntamente com o aterro, em pequenos lances, sendo a sua compactação feita por meio de rolo pneumático ou placa vibratória. 
Os filtros em chaminé podem ser verticais ou inclinados e geralmente são constituídos de um único material, na maioria das barragens, de areia natural. Sua espessura é da ondem de 1 metro, geralmente estabelecida em função da mínima dimensão requerida para a sua construção. 
Pode ser construído em camadas finas, de espessura igual a uma ou duas vezes a espessura do aterro, lançadas antes e compactadas juntamente com as camadas deste, através do rolo vibratório ou pneumático; ou pode ser construído após o aterro ter atingido uma certa espessura ( 1 a 2 metros ) , por escavação deste e substituição por material de filtro, sendo compactado em camadas por meio de placa vibratória ( figura 6 ). No primeiro caso o consumo do material de filtro é maior, pois a geometria final do filtro construído fica constituída de seções trapezoidais superpostas, de altura igual à espessura da camada e a largura no topo igual à dimensão mínima do projeto.
 Para a construção dessas camadas são utilizados equipamentos, que preenchidos por material de filtro e puxados por um trator fazem o lançamento da camada com espessura e largura desejada. No segundo caso, quando o filtro é inclinado, também há necessidade de maior consumo de material, para se observar a dimensão mínima do projeto. Quanto maior a espessura do aterro escavado para substituição, maior o excesso de consumo de material de filtro. 
Exemplo de filtro vertical e filtros inclinados
Transições
As transições entre enrocamento e aterros são construídas com técnicas semelhantes às utilizadas na execução dos filtros em chaminé, em camadas concomitantes, apoiadas sobre a face do aterro ou do enrocamento. Junto as transições é importante que o enrocamento contenha certo teor de pedras miúdas e finos, e que seja empalhado com a lâmina do trator movimentando-se no sentido em que se afasta da transição, conduzindo as pedras maiores para longe desta. Os materiais de transição são compactados com rolos pneumáticos ou vibratórios, tomando-se cuidado especial para que o aterro adjacente à transição não fique sem compactação. 
Rip-Rap
 Os projetos de rip-rap preveem a inclusão de uma ou mais camadas de transição entre as pedras e o aterro. As camadas de transição do rip-rap são lançadas depois de uma certa espessura de aterro. Toda terra solta sobre a face do talude é raspada por um trator de lâmina e espalhada na superfície do aterro. A seguir são lançadas as camadas de transição do rip-rap. Quando se dispõe de enrocamento bem graduado pode-se construir o rip- rap sem as camadas de transição, adotando-se uma técnica de espalhar o enrocamento de cima para baixo, com a lâmina do trator abaixada, que vai gradativamente sendo levantada, a medida que o trator vai descendo pela superfície da latitude. 
Assim, consegue-se fazer com que o material mais fino fique em contato com o aterro, que servirá de transição para as pedras grandes a serem lançadas no próximo lance de construção do rip-rap. Na Barragem de Água Vermelha foi utilizado este processo, sendo o rip-rap construídos em lances de cerca 3 a 4 metros de altura, aproveitando-se a ocorrência de material adequado na pedreira, constituído de pedras miúdas, provenientes de uma camada de basalto denso e colunar, bastante fraturado, sobreposta de um derrame de basalto vesicular são, que dava origem as pedras graúdas. 
Contato entre Aterro e as Estruturas de Concreto
Para a compactação do aterro junto às superfícies de concreto são geralmente utilizados soquetes manuais. Quando essas superfícies são contínuas pode-se executar a compactação por meio de rolos pneumáticos, fazendo-se com que os pneus passem o mais próximo possível do concreto, com o rolo movimentando-se paralelamente à linha de contato. 
 Constitui boa prática de projeto prever uma ligeira inclinação da superfície do concreto,por exemplo 1 : 10 (H : V) , o que facilita a compactação do contato, além de minimizar problemas de deslocamento do aterro, que seriam provocados por deformações oriundas do recalque da maciço. 
Construção de Membranas de Concreto na Face de Montante do Enrocamento 
Nos últimos dez anos observou-se um grande progresso nos projetos de barragem de enrocamento com face de concreto, com acréscimo do uso desse tipo de barramento, que também passou a ser adotado nas barragens com altura superior a 100 metros. Essa difusão ocorreu graças ao desenvolvimento das técnicas de construção de enrocamentos compactados, das trincheiras de vedação e dos dispositivos de impermeabilização das juntas de lajes. A barragem de Foz do Areia, da COPEL, recentemente concluída no Rio Iguaçu é um exemplo dos mais importantes desse tipo de obra. 
Para minimizar os problemas de recalques, o enrocamento na zona sobrejacente à laje de concreto é construído com rocha sã, lançada e compactada em camadas de pequena espessura. Entre o enrocamento e a laje são constituídas camadas de transição, de granulometria adequada, que são compactadas por meio de rolos vibratórios, movimentando-se sobre os taludes por meio de um sistema de cabos e guinchos. 
A laje de concreto, com cerca de 30 cm no topo e espessura crescendo na ordem de 0,3 % com a profundidade, é constituída em painéis, com formas deslizantes, preferencialmente sem juntas horizontais. A junta que merece maiores atenções é a situada próximo às ombreiras (junta perimetral) , onde são introduzidos veda juntas duplos e enchimentos especiais, onde os recalques diferenciais são mais acentuados. Na figura 2 é apresentada uma seção típica da Barragem de Foz do Areia com indicação dos materiais utilizados e na figura 3 um detalhe da junta perimetral adotada na construção dessa barragem. 
Figura 2 - Zoneamento da Barragem de Foz do Areia.