“Para compreender uma ciência é necessário conhecer a sua história.“ Auguste Comte, (1798-1857)
2.1 - ASPECTOS GERAIS
Desde os tempos mais remotos que a humanidade tem procurado aproveitar os recursos naturais de modo a poder desenvolver as actividades que garantam a sua sobrevivência e bem-estar. Um dos recursos mais importantes é, sem dúvida, o relacionado com a utilização e disponibilidade de água, cuja utilidade se reflecte em diversas áreas essenciais como por exemplo o seu uso para fins agrícolas, abastecimento de água e a produção de energia.
A realização de obras de engenharia nos cursos de água permite, ainda, outros benefícios, tais como a protecção de populações e bens económicos por via da regularização de caudais dos rios em épocas de cheia.
Diques e barragens são estruturas que têm funções de retenção de água e que podem ser realizadas em diversos materiais, nomeadamente o betão, alvenaria, materiais soltos, madeira, superfícies metálicas ou por combinações desses materiais. A construção destas estruturas pode ter diversas finalidades e possibilita a criação de vantagens significativas.
Do vasto conjunto de benefícios permitidos pela criação de albufeiras destacam-se os seguintes:
− Produção de energia eléctrica através do funcionamento de grupos geradores, convertendo a energia potencial da massa de água do reservatório em energia mecânica e subsequentemente em energia eléctrica para consumo doméstico e industrial, sendo este processo de produção de energia não gerador de emissões gasosas poluentes;
− Criação de reservas de água para consumo pelas populações em grandes cidades e pequenas povoações, ou para usos industriais;
− Disponibilização de água armazenada para irrigação de solos agrícolas em períodos de fraca pluviosidade;
− Existência de água para combate a incêndios;
− Possibilitam o meio mais efectivo para controlo de cheias, quando os reservatórios apresentam capacidade disponível para encaixe de parte significativa do aumento brusco do caudal dos rios devido a chuvas intensas, que é posteriormente libertado de forma gradual minorando danos e inundações a jusante;
− Possibilitam a navegabilidade em grandes rios, através de criação de canais de navegação nas albufeiras, permitindo melhorar o potencial económico das regiões;
− Desvio de grandes volumes de água do curso primitivo dos rios para abastecimento de regiões deficitárias em recursos hídricos, constituindo transvases entre bacias hidrográficas;
− Criação de espelhos de água para a promoção de actividades turísticas e recreativas.
Os aspectos anteriores motivaram, desde os tempos mais remotos da nossa civilização, a construção de obras hidráulicas principalmente canais, pequenos diques e barragens, para aproveitamento deste recurso.
conjunto das diversas componentes, tendo em conta o grau de importância relativa de cada tipo de utilização de água. Por exemplo, para as funções de irrigação, produção de energia eléctrica, controlo de cheias e actividades recreativas a exploração das albufeira deve ser compatibilizada consoante a época sazonal, devendo a entidade que gere a albufeira conseguir uma optimização dos recursos criados por estas estruturas.
Para a classificação das barragens podem ser adoptadas diversas metodologias tendo em conta critérios tais como a sua altura, funções que desempenha, tipo e forma estrutural, materiais usados na sua construção e avaliação de riscos potenciais a jusante.
De acordo com a legislação Portuguesa vigente (RSB, 2007) estas estruturas podem ser classificadas como pequenas ou grandes barragens. As grandes barragens são definidas como as que possuem alturas iguais ou superiores a 15 m, sendo este valor medido desde a cota mais baixa da superfície geral das fundações até à cota do coroamento, ou que tenham altura igual ou superior a 10 m e cuja albufeira tenha a capacidade de armazenamento superior a 1 hm3, ou que tenham altura inferior a 15 m mas que
apresente a albufeira com capacidade superior a 100 000 m3. As pequenas barragens visam
principalmente fornecer água para irrigação a pequenas explorações agrícolas. As grandes barragens visam principalmente o abastecimento de água e a produção de energia.
Actualmente estima-se que existam mais de 500 000 barragens em todo o mundo. A maioria dessas estruturas são pequenas barragens, com alturas não superiores a 3 m, mas cerca de 47 000 são grandes barragens (Londe, Pierre, 1999).
Assinala-se que, para além das referidas barragens de armazenamento de água, que são o objecto desta dissertação, também existem barragens para armazenamento de resíduos de origem industrial e mineral, assim como as estruturas designadas por ensecadeiras que permitem a realização de trabalhos a seco no leito dos rios.
2.2 - BREVE EVOLUÇÃO HISTÓRICA
As barragens foram provavelmente das primeiras grandes estruturas construídas pela humanidade. As reservas de água por estas criadas têm permitido melhorar as condições de vida de diversas civilizações ao longo dos últimos 5000 anos, muitas vezes situadas em climas adversos, proporcionando água para fins agrícolas e para abastecimento de água a populações.
As primeiras construções deste tipo terão sido de pequena dimensão, construídas com base na experiência adquirida por tentativa e erro, e os materiais empregues na sua construção terão sido terras, alvenarias e blocos de rocha arrumada, tipo enrocamento. Com o aumento da capacidade técnica, das carências de reservas de água, essas construções foram aumentando de tamanho e consequentemente de complexidade construtiva, aumentando também os riscos associados à presença dessas estruturas. As barragens mais antigas de que se tem conhecimento datam de há cerca de 5000 anos, foram edificadas em áreas inóspitas do Médio Oriente e na Índia e destinavam-se principalmente a armazenar água para fins agrícolas.
Na sua construção foram utilizados os materiais e meios disponíveis, principalmente terras e blocos de alvenaria, e a sua resistência era assegurada essencialmente pelo peso dos materiais (Sudakov, V. B., 1996).
As primeiras construções executadas por civilizações que viveram à milhares de anos, terão sido barragens do tipo aterro gravidade, em pedra e terras, verificando-se, através de trabalhos arqueológicos, que essas foram edificadas sem qualquer ligante, o que obrigava a que as suas dimensões possuíssem uma base com um desenvolvimento que podia ter quatro vezes a altura da barragem. Com o passar dos séculos passaram a utilizar-se vários tipos de ligante nas alvenarias, aumentando, assim, a estabilidade e a estanquidade, permitindo adoptar menores inclinações nos paramentos e realizar estas estruturas com maiores alturas (USBR, 1987).
As primeiras barragens com perfil gravidade datam, assim, dos tempos mais remotos, havendo realizações antigas que são exemplos notáveis de obras de engenharia estrutural e hidráulica. Por cerca de 700 A.C., na Assíria, o rei Sennacherib promoveu a construção de uma série de pequenas barragens para abastecimento de água à região do Nineveh, onde actualmente são ainda visíveis vestígios dessas construções. A construção destas barragens foi realizada em pedra calcária e arenito. O paramento de montante era vertical e o de jusante era realizado em degraus, constituindo um perfil gravidade tipo, semelhante aos que actualmente são realizados.
A barragem de terras de Marib, designada pelos árabes por barragem de Sudd al-Arim, foi construída no actual Iémem por cerca do ano 500 A.C. no rio Danah, e atingiu, depois de alguns alteamentos, uma altura significativa de 35 m e um comprimento de 720 m. Disponha de dois descarregadores de cheias em perfil gravidade na margem direita, que constitui o único vestígio desta obra que permaneceu até a actualidade (Figura 2-1). Esta barragem manteve-se em exploração por cerca de 1000 anos e a albufeira criada permitia a irrigação do vale agrícola por um sistema de canais que se distribuíam numa área de 1000 km2.
Figura 2-1 – Vista do local da barragem de Marib no Iémem, com pormenor da zona dos descarregadores e do vale a jusante (NABATAEAN, 2007).
A civilização romana clássica realizou progressos notáveis na construção destas obras hidráulicas através da introdução de ligantes pozolânicos nos espaços das alvenarias, sendo o percursor do actual material betão simples. Muitas dessas barragens romanas mantêm-se ainda em funcionamento em diversos países do Mediterrâneo, como por exemplo na Espanha, Líbano e Líbia. A maior barragem romana foi construída no ano 50 D.C. pelo imperador Nero e era do tipo gravidade. Situava-se perto da vila de Subiaco na Itália e tinha 40 m de altura, constituindo um recorde durante 1250 anos, até ao ano de 1305 D.C. em que ruiu (SimsCience, 2006).
Algumas obras romanas apresentavam um conhecimento técnico muito evoluído, como é possível constatar por exemplo na barragem de Proserpina construída no séc. II da nossa era, situada perto da cidade de Mérida em Espanha, e que possui as dimensões impressionantes de 19 m de altura máxima e 427 m de desenvolvimento (Figura 2-2). O núcleo desta barragem é construído por um betão pozolânico e os paramentos de montante e de jusante são formados por blocos de granito.
Esta barragem apresenta um pormenor interessante que são estruturas de pequenos contrafortes em alvenaria contíguos ao paramento de montante. Dispõe também de um descarregador de cheias de
estruturas às grandes cheias (Jansen, 1980). Assinala-se que, após algumas reparações efectuadas em meados do século XX, esta barragem continua ainda em exploração.
Figura 2-2 – Planta e corte da barragem romana de Proserpina, Espanha (Jansen, 1980).
Depois dos romanos e até cerca do século XIX este tipo de construções verificou apenas, tanto no projecto como na construção, pequenos progressos.
As primeiras barragens gravidade com perfil triangular, próximo do que é actualmente adoptado, foram construídas em 1765 e 1800, no México, por engenheiros espanhóis, desconhecendo-se contudo quaisquer métodos analíticos que tenham sido usados no seu dimensionamento. Esta forma estrutural viria a ser desenvolvida mais tarde em França (Jansen, 1980).
Para as obras antigas o único método para validar a funcionalidade das construções era o teste à escala real. Os seus construtores não dispunham de métodos analíticos que lhes permitissem obter as condições de estabilidade destas estruturas, guiando-se então apenas pela intuição e experiência.
Os primeiros estudos analíticos de projecto de barragens gravidade foram realizados pelo engenheiro francês J. Augustin Tortene de Sazilly (1812-1852), que usou a teoria da resistência dos materiais
desenvolvida para as vigas proposta por Navier, mostrando em 1850 que a forma mais vantajosa para esta barragens era a de um perfil triangular com paramento de montante vertical (Sudakov, V. B., 1996). Cinco anos depois, Emile Delocre (1828–1908) projectou a barragem de Furens em França, a qual possui 50 m de altura máxima e coroamento com desenvolvimento de 100 m. Esta barragem dispõe de um traçado com ligeira curvatura em planta de 252,5m de raio. As forças resultantes e as tensões foram determinadas através de um método que não difere significativamente do utilizado presentemente em análises preliminares (Londe, Pierre, 1999).
É curioso verificar que os elementos de projecto apresentados, que estão reproduzidos na Figura 2-3, incluem o diagrama das resultantes das forças e valores das tensões devidas à pressão hidrostática e ao peso próprio da barragem.
Figura 2-3 – Desenhos de projecto da barragem de Furens (CNUM, 2007).
Mais recentemente, as barragens em betão ciclópico, formado por grandes blocos de rocha ligados por uma argamassa, foram as percursoras das actuais grandes barragens em betão convencional (USBR, 1987).
barragem de Lower Crystal Springs na Califórnia (Figura 5-16), a qual foi a primeira barragem em que a relação água cimento foi controlada, referindo-se que o cimento para a construção da barragem foi totalmente importado de Inglaterra.
Uma obra que constitui um marco assinalável na história da construção de grandes barragens foi a execução, entre os anos de 1931 a 1936, no rio Colorado, nos Estados Unidos da América, da barragem do tipo arco gravidade de Hoover, projectada pelo US Bureau of Reclamation (Figura 2-4).
Figura 2-4 – Vista geral da barragem de Hoover (Wikipedia, 2007).
Esta imponente barragem era, na época da sua execução, 60% mais alta e 2,5 vezes maior em volume de betão do que qualquer outra barragem até então construída. Possui de desenvolvimento 379,2 m, altura máxima de 221,4 m e tem uma espessura que varia de 13,7 m no coroamento e 201 m na base. Exigiu para a sua construção um volume de betão de 3,3x106 m3 e permitiu criar uma albufeira com 38
550x106 m3 de volume. A construção desta importante obra empregou cerca de 5000 homens que
durante dois anos com ritmos de colocação de betão que atingiram 8 000 m3 por dia (Jansen, Robert B.,
1980). Na sua execução foram empregues metodologias e formas estruturais que actualmente são adoptadas na construção das grandes barragens de betão.
A barragem de betão de maior altura do mundo é a barragem do tipo gravidade de Grand Dixence (Figura 2-5) que se situa no vale de Hérémence, nos Alpes Suíços, e foi construída entre 1951 e 1962 (Herzog, Max, 1999). Esta obra possui 285 m de altura máxima acima da fundação, uma espessura máxima de 201,2 m na base e um desenvolvimento do coroamento de 695 m, para a sua construção foi empregue um volume de 60x106 m3 de betão. A barragem cria um reservatório com um volume de
400x106 m3 e 5 km de extensão e permite produzir energia hidroeléctrica em cerca de 58% do total a
energia produzida na Suíça, representando um dos aproveitamentos de recursos naturais mais importante deste país.
De acordo com o ICOLD (International Commission on Large Dams) e WCD (World Commission on Dams) existem mais de 47 000 grandes barragens. No Quadro 2-1 indica-se a distribuição dessas obras, por regiões geográficas, observando-se que a maioria foi construída na Ásia.
As estatísticas do ICOLD relativas às grandes barragens, actualizadas até 1998, definidas por terem uma altura superior a 15m, indicam que existem no mundo cerca de 4 600 grandes barragens do tipo gravidade em exploração (Londe, Pierre, 1999). Este número representa cerca de 10 % do total de
grandes barragens construídas, incluindo-se nesta percentagem mais de 25 % do total de barragens com mais de 30 m de altura (Quadro 2-2).
Figura 2-5– Vista e corte transversal da barragem de Grand Dixence (Jansen, Robert B., 1980).
A maioria das barragens gravidade são em betão e cerca de 1000 dessas foram executadas em alvenaria. Dessas, 750 foram construídas antes de 1930 (Londe, Pierre, 1999).
Quadro 2-1 – Distribuição das grandes barragens nos diversos continentes. Região Número de barragens construídas
África 1 269
América do Norte e Central 8 010
América do Sul 979 Ásia 31 340 Ásia Austral 577 Europa ocidental 4 277 Europa oriental 1 203 Total 47 655
Quadro 2-2 – Estatística das grandes barragens do tipo gravidade. Altura das barragens Barragens construídas
antes de 1930
Barragens construídas até 1998
> 15 m – 30 m 400 2400
30 m – 60 m 350 1600
60 m – 100 m --- 500
> 100 m --- 100
A tendência nos últimos 20 anos do desenvolvimento da tecnologia de construção de barragens em betão compactado com cilindro (BCC) possibilitou que este tipo de obras tivesse um novo incremento,
presente cerca de 200 barragens em BCC, algumas com alturas muito elevadas, que atingiram por vezes a ordem de grandeza de 200 m.
As dimensões e importância que as barragens do tipo gravidade assume fazem com que a sua segurança constitua uma preocupação crescente, tanto para os técnicos ligados à concepção e construção, como para as entidades responsáveis pela exploração das barragens, devido ao risco potencial, em termos de vidas humanas e perdas económicas, de uma eventual rotura ou acidente grave.
Esta preocupação estende-se também às diversas entidades responsáveis pela protecção civil, devendo os estudos necessários estar disponíveis para avaliação das condições de segurança das obras.
Em Portugal verifica-se que foi construído um número significativo de grandes barragens. Da Figura 2-6, onde se ilustra a distribuição percentual dos seus tipos estruturais, constata-se que as barragens gravidade prevalecem no conjunto das barragens em betão.
Figura 2-6 – Percentagem por tipo estrutural das grandes barragens construídas em Portugal (CIGB/ICOLD, 1992).
2.3 - CLASSIFICAÇÃO DAS BARRAGENS E PRINCIPAIS FORMAS ESTRUTURAIS
As barragens podem ser classificadas segundo vários critérios, nomeadamente quanto às suas dimensões, finalidade, capacidade de armazenamento, materiais utilizados na sua construção e forma estrutural. De acordo com a Comissão Internacional das Grandes Barragens (CIGB/ICOLD), as barragens podem ser classificadas, em três tipos, nomeadamente em pequenas barragens, grandes barragens e barragens principais, tendo em conta a sua altura e volume de água armazenado (CIGB/ICOLD, 1989).
Nesta classificação, semelhante à adoptada na regulamentação portuguesa, uma grande barragem é uma estrutura que possui uma altura superior a 15 m, medida desde a cota mais baixa da fundação até ao coroamento. As barragens com uma altura situada entre 5 a 15 m são também classificadas com grandes barragens desde que o seu reservatório permita armazenar um volume de água superior a 3 milhões de metros cúbicos. Do conjunto das grandes barragens distinguem-se aquelas que têm uma altura superior a 150 metros, que se designam por barragens principais.
Quanto à sua finalidade as albufeiras criadas pelas barragens podem visar o abastecimento de água a populações, a irrigação agrícola, a produção de energia eléctrica, o controle de cheias, a refrigeração de centrais térmicas, possibilitar transvases entre bacias hidrográficas, a navegação e actividades recreativas. Os aproveitamentos que apresentam diversas valências são classificadas também como de fins múltiplos.
As barragens podem também ser classificadas quanto ao tipo de materiais utilizados na sua construção. Os principais materiais de construção empregues actualmente na construção de barragens são o betão convencional, o betão compactado com cilindro, alvenaria de pedra, como por exemplo granito ou xisto e materiais soltos, como por exemplo enrocamento e terras. Menos vulgares são as estruturas de retenção de água construídas em paredes de metal e, mais vulgarmente, pequenas barragens construídas em madeira.
Usualmente as barragens são classificadas pela sua forma estrutural, a qual não deixa de estar intimamente relacionada com os materiais utilizados na sua construção. Na Figura 2-7 apresentam-se esquemas dos principais tipos estruturais de barragens (Mason, P.,1997). As barragens podem ainda compreender combinações de diversos tipos estruturais.
De acordo com o tipo estrutural, as barragens de betão podem ser classificadas em: − Barragens gravidade maciças;
− Barragens gravidade com vazamento; − Barragens de contrafortes;
− Barragens arco–gravidade;
− Barragens abóbada, com simples ou dupla curvatura; − Barragens de abóbadas múltiplas.
As barragens em betão podem ser construídas no designado betão convencional vibrado (BCV) e betão compactado a cilindro (BCC). As barragens de aterro, ou de materiais soltos, de acordo com o tipo de material utilizado no corpo da barragem, podem também ser subdividas em:
− Barragens de terra (homogénea ou zonada); − Barragens de enrocamento;
− Barragens mistas de aterro e enrocamento.
A escolha entre os diferentes tipos estruturais depende das condições dos locais e implantação da barragem, como por exemplo as características morfológicas do vale, características geológicas, hidrogeológicas e geotécnicas do maciço de fundação, os materiais disponíveis para construção, grandeza do caudal de cheia e a tecnologia de construção existente.
Seguidamente desenvolve-se cada um dos principais tipos de barragens, com ênfase para as barragens gravidade construídas em betão compactado a cilindro.
2.3.1 - Barragens de materiais soltos
De acordo com o ICOLD (International Commission on Large Dams) uma barragem de aterro é uma estrutura de retenção de água construída a partir de materiais escavados e colocados em obra sem mistura de outros materiais artificiais. Os materiais de construção são usualmente obtidos no local da barragem ou nas suas proximidades (Figura 2-8). Este tipo de barragem é característico pelo seu maciço trapezoidal e é adequado a regiões de topografia suave e vales amplos, onde as características de resistência mecânica das fundações não são elevadas.
O sistema de construção destas barragens consiste na disposição dos materiais soltos por camadas de espessura variável e posterior compactação com equipamentos específicos.
As barragens de aterro comportam-se de maneira satisfatória em praticamente todos os tipos de fundação, uma vez que as tensões transmitidas à fundação são menores que nas barragens de betão, e os assentamentos verificados durante e após a construção, podendo por vezes ser significativos, não comprometem a estabilidade da barragem, devido à apreciável adaptabilidade do material do aterro.
Barragem de terras homogénea Barragem de terras ou enrocamento zonado com núcleo impermeável
Barragem de terras ou enrocamento com impermeabilização a montante
Barragem gravidade em betão ou alvenaria maciça
Barragem gravidade com vazamento em betão Barragem gravidade de betão com contrafortes
Barragem abóbada em betão Barragem em betão com cabos de pré-esforço
Barragem gravidade em betão constituída por pilares e vãos descarregadores
Barragem arco-gravidade em betão
Figura 2-8 – Barragem de materiais soltos de Yeguas, no rio Yeguas, em Espanha (CEGP, 1994).