Baixe CONSTRUÇÃO DE BARRAGEM e outras Manuais, Projetos, Pesquisas em PDF para Engenharia Ambiental, somente na Docsity!
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
- 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
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^1 (^1) 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
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 (S 0 ) 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).
S 0 +∑
t = 1 N qt = N. X + 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;
O cálculo do volume acumulado pode ser obtido pela equação abaixo: Em que: V – volume acumulado (m 3 ); S 0 – área da curva de nível de ordem 0 (m^2 ); Sn – área da curva de nível de ordem n (m^2 ); 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, movimentação e 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: V (^) total = B + c 2
. A
Em que, B é a largura da projeção da base; c = largura da crista; e A é a área da seção. 6.8 Extravasor
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:
- VOLUME TOTAL ACUMULADO
- Volume total: S 0 – S 6
- Volume útil: S 3 – S 6 V total = [(38+8.987)/2 + 167 + 779 + 1.239 + 3.565 + 5.789].1 = 16.051,5 m^3 V útil = [(1.239+8.987)/2 + 167 + 779 + 1.239 + 3.565 + 5.789].1 = 14.467 m^3
Mata, i = 8%, arenoso: C = 0, Pastagem, i = 8%, arenoso: C = 0, Cultura perene, i = 8%, arenoso: C = 0,
- 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, 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,
- Correção p/ declividade:
T C =
√0, 0, =13,38 min 5.3) Determinação da precipitação
- Para um TR = 10 anos e Duração (d) = 13,38 m, considerando a equação de Pfastetter: Belém: P = TR 0, [ 0,4_. d_ + 31_._ log (^1 + 20_. d_ )^ ] ¿ 10 0, [0,4 .0,22+ 31_._ log (^1 + 20 .0,22)^ ]= 30 m 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 R =^ h ( b + m. h ) b + 2_. h_ (^) √ 1 + m
2 →^ 0,6817=^
1_._ ( b + 2_._ 1 ) b +2.1 (^) √ 1 + 2
2 →^ b = 3,3 m
Considerando uma folga de 20%: b = 4m
Dimensões do canal extravasador
- DESARENADOR Q esvaziamento = 3 16.051,5 .86.400 +0,005=0,0669 m^3 / s
- Para a obtenção do diâmetro utiliza-se Hazen Willians c/ HF=6/2=3m; L=45 m, C=120, e Q = 0,0669 m^3 /s
- D = 164 mm (150 ou 200 mm)
- TOMADA D’ÁGUA
- Para a obtenção do diâmetro utiliza-se Hazen Willians c/ HF=3m; L=50 m, C=150, e Q =0,01 m^3 /s
- D = 74 mm (75 mm)
- VOLUME DO ATERRO
- Método expedito: O volume total será dado por V (^) total =
.187=4.413,2 m 3
