UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL, ARQUITETURA E URBANISMO
Luciana Vasques Correia da Silva
PROTEÇÃO CONTRA O GALGAMENTO DE BARRAGENS DE
MATERIAL SOLTO ATRAVÉS DO EMPREGO DO VERTEDOR DE
EMERGÊNCIA DE VEGETAÇÃO
Dissertação de Mestrado apresentada à Comissão de pós-graduação da Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo, da Universidade Estadual de Campinas, como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil, na área de concentração de Recursos Hídricos.
Orientadora: Profa. Dra. Ana Inés Borri Genovez
Campinas - SP Dezembro / 2007
II
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA
BIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - BAE - UNICAMP
Si38p
Silva, Luciana Vasques Correia da
Proteção contra o galgamento de barragens de material solto através do emprego do vertedor de emergência de vegetação / Luciana Vasques Correia da Silva. --Campinas, SP: [s.n.], 2007.
Orientador: Ana Inés Borri Genovez.
Dissertação de Mestrado - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo.
1. Vertedores. 2. Engenharia hidráulica. 3.
Barragens. 4. Segurança. I. Genovez, Ana Inés Borri. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo. III. Título.
Título em Inglês: Overtopping protection of embankment dams using vegetated emergency spillways
Palavras-chave em Inglês: Spillway , Engineering hydraulics, Dams, Safety Área de concentração: Recursos Hídricos, Energéticos e Ambientais
Titulação: Mestre em Engenharia Civil
Banca examinadora: Paulo Sérgio Franco Barbosa, José Teixeira Filho Data da defesa: 18/12/2007
IV
Ao meu esposo Érico como prova do meu amor e gratidão.
Aos meus filhos Mateus e Tiago pelo apoio e compreensão.
Agradecimentos
A CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior), pela bolsa oferecida, tornando possível o desenvolvimento desse trabalho.
À professora Ana Inés Borri Genovez pela amizade, carinho e a dedicação com os quais orientou os trabalhos.
Aos professores do Departamento de Recursos Hídricos da FEC – UNICAMP, pelo apoio e empenho nas disciplinas ministradas que foram indispensáveis na minha formação e serviram de base para este trabalho.
Ao professor Darrel M. Temple (Oklahoma State University) e ao amigo Bobby Sappington (USDA - ARS) pela ajuda imprescindível na bibliografia fornecida.
Aos amigos Fausto, Gilberto, Cléucia, Edson, Mônica e Laura por todo o carinho com o qual sempre me acolheram.
A todos os meus familiares, pelo incentivo e pela compreensão.
Ao meu pai Orlando e à minha mãe Maria Aparecida por terem me amparado com amor e carinho por todos esses anos da minha vida.
À minha irmã Fabiana pela força, incentivo e companheirismo.
Aos meus filhos Tiago e Mateus que sempre me compreenderam nos momentos que estive ausente.
Ao meu amado esposo Érico por tudo, pois sem seu apoio este trabalho não se realizaria.
RESUMO
SILVA, Luciana Vasques Correia Da, Proteção Contra o Galgamento de Barragens
de Material Solto Através do Emprego do Vertedor de Emergência de Vegetação,
Dissertação de Mestrado apresentada na Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo - UNICAMP, para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil na área de concentração de Recursos Hídricos, Campinas, SP, 2007. 161p
A preocupação com o aprimoramento das técnicas de segurança de barragens tem sido cada vez mais discutida, devido ao aumento de incidentes ocorridos com estas estruturas situadas em locais densamente habitados. O objetivo deste trabalho é determinar a viabilidade técnica de uso do vertedor de emergência de vegetação em pequenas barragens de material solto. Para atingir este objetivo o dimensionamento foi realizado através do equacionamento básico e usando um modelo numérico, para dois tipos diferentes de cobertura vegetal. O uso de grama Bermuda com maior uniformidade, resultou numa menor descontinuidade na superfície de contato com o escoamento e menor probabilidade de erosão no canal. Este fato combinado com as dimensões resultantes para o canal permitem sugerir o uso deste tipo de cobertura vegetal. Os resultados indicaram que o vertedor de emergência de vegetação mostrou-se viável e uma alternativa eficiente para aumentar a mostrou-segurança de barragens de material solto, apresentando construção simples e baixo custo, além de causar baixo impacto ao ambiente, sendo esteticamente melhor e adaptando-se às condições naturais da região de implantação da obra. A manutenção e diretrizes de inspeção devem proporcionar o bom funcionamento do vertedor de vegetação.
ABSTRACT
SILVA, Luciana Vasques Correia Da, Overtopping Protection of Embankment Dams
Using Vegetated Emergency Spillways, Dissertation of Master's degree presented in
University of Civil Engineering, Architecture and Urbanization - UNICAMP, for obtaining of Master's title in Civil Engineering in the Water Resources concentration area, Campinas, SP, 2007. 161p
The concern about an enhancement of safety techniques for dams has been discussed more and more, due to an increase of the number of incidents that happened with structures located in places densely inhabited. The objective of this work is to establish the technical viability of using a vegetated emergency spillway in small embankment dams. To achieve such objective the design was done using a basic set of equations and a numerical model, for two different kinds of vegetation. The use of Cynodon dactylon grass with a bigger uniformity, resulted in a smaller discontinuity of the surface in touch with the flow and a smaller probability of having an erosion of the channel. Such factors, and the channel resulting dimensions, allow us to suggest the use of such vegetation cover. The results showed the viability of the emergency spillway with vegetation and also an efficient alternative to increase the safety of embankment dams, with inexpensive and easy construction, besides of causing a low environmental impact, also being esthetically best and adapting to the surrounding natural conditions. The maintenance and directions of inspection must provide a good operation of the vegetated spillway.
SUMÁRIO
Lista de Símbolos ... X Lista de Abreviaturas ... XIII Lista de Fotos ... XIV Lista de Figuras ... XV Lista de Tabelas ... XVI
1 Introdução ... 1
2 Objetivo ... 5
3 Alternativas para Aumentar a Segurança de Barragens de Material Solto ... 6
3.1 Características de segurança das barragens de material solto ... 6
3.2 Alternativas de Proteção do Maciço ao Galgamento ... 11
3.3 Aumento da Capacidade de Armazenamento do Reservatório ... 14
3.4 Aumento da Capacidade de Descarga do Reservatório ... 15
3.4.1 Emprego de Dique Fusível ou “Fuseplug” ... 17
3.4.2 Emprego do Sistema “Fusegates” ... 22
3.4.3 Emprego de Geomembranas para Vertedores de Emergência ... 24
4 Características dos vertedores ... 27
4.1 Introdução ... 27
4.2 Generalidades dos Vertedores ... 27
4.3 Componentes de um Vertedor ... 28
4.4 Tipos de Vertedores para Barragens ... 30
5 Vertedor de Emergência de Terra e Vegetação ... 32
5.1 Introdução ... 32
5.2 Considerações gerais ... 35
5.3 Dimensionamento do Vertedor de Emergência de Vegetação ... 40
5.3.1 Primeira Etapa do Dimensionamento ... 41
5.3.2 Segunda Etapa de Dimensionamento ... 44
5.3.3 Terceira Etapa de Dimensionamento ... 49
5.3.4 Quarta Etapa de Dimensionamento ... 50
5.5 Vantagens e Desvantagens do Vertedor de Emergência de Vegetação ... 53
5.6 Estabilidade dos Canais do Vertedor de Emergência de Vegetação ... 60
5.6.1 Introdução ... 60
5.6.2 Estabilidade em Canais Não Revestidos ... 61
5.6.3 Estabilidade em Canais Revestidos com Vegetação ... 71
6 Material e Método ... 87 6.1 Introdução ... 87 6.2 Roteiro de Cálculo ... 87 6.3 Estudo de Caso ... 92 7 Resultados e Discussão ... 100 7.1 Introdução ... 100
7.2 Dimensionamento do Vertedor de Emergência de Vegetação ... 101
7.2.1 Dimensionamento para grama Bermuda (Cynodon dactylon) ... 101
7.2.2 Dimensionamento para grama Estrela (“Cynodon nlemfuensis”) ... 108
7.3 Dimensionamento do Vertedor de Emergência de Vegetação usando o Software “Grass Channel Design” ... 112
7.4 Análise dos Resultados ... 119
8 Conclusão ... 125
Anexo A - Software “Grass Channel Design” - Código BASIC ... 127
LISTA DE SÍMBOLOS
A - área molhada do canal (M0 L2 T0) B - largura da base (M0 L1 T0)
C – coeficiente de descarga do “Fuseplug” (M0 L0 T0) Ca - coeficiente de arrastamento (M0 L0 T0)
Ce - coeficiente de correção da relação de vazios (M0 L0 T0) CF - fator da cobertura vegetal (M0 L0 T0)
CI - índice da curva de retardamento que representa o potencial de retardamento da cobertura vegetal (M0 L0 T0)
Cs - coeficiente de sustentação (M0 L0 T0)
D - profundidade d’água de montante em relação à fundação (M0 L1 T0) Dcs - máxima profundidade do escoamento na seção de controle (M0 L1 T0) Fr – número de “Froude” (M0 L0 T0)
H - altura acima da fundação (M0 L1 T0)
Hp – profundidade da água sobre a crista do vertedor (M0 L1 T0) I0 - declividade do canal 0 1 0 0 1 0 T L M T L M
Ie – declividade do canal de entrada
0 1 0 0 1 0 T L M T L M
Is – declividade do canal de saída
0 1 0 0 1 0 T L M T L M
Iw – índice de plasticidade do solo (M0 L0 T0)
J - comprimento total da soleira vertedora seguindo a ruptura do fuseplug (M0 L1 T0) K1 , K2 e K3 - fatores relacionados à forma da partícula (M0 L0 T0)
Ks - coeficiente da fórmula de Strickler (M0 L1/3 T-1) L - distância ao longo da crista do fuseplug (M0 L1 T0) M - densidade média dos talos (M0 L-2 T0)
Q - vazão (M0 L3 T-1)
Qp – vazão de projeto (M0 L3 T-1) R - raio hidráulico (M0 L1 T0) Rh – raio hidráulico (M0 L1 T0)
S - declividade da linha de energia
0 1 0 0 1 0 T L M T L M
S’ - declividade da linha de energia associada à rugosidade do grão do solo
0 1 0 0 1 0 T L M T L M
S’’- declividade da linha de energia associada à rugosidade da forma de contorno
0 1 0 0 1 0 T L M T L M
S’’’- declividade da linha de energia associada à rugosidade do vegetal
0 1 0 0 1 0 T L M T L M
T - espessura do núcleo impermeável (M0 L1 T0) T - largura da crista do vertedor (M0 L1 T0) U – velocidade média admissível (M0 L1 T-1)
UR – produto da velocidade média pelo raio hidráulico (M2 L0 T-1) V - velocidade média (M0 L1 T-1)
Va - velocidade admissível (M0 L1T-1)
Vf - velocidade do escoamento junto ao fundo do canal (M0 L1 T1)
W – largura do canal medida na metade da altura total do escoamento (M0 L1 T0) y - altura da lâmina d’água (M0 L1 T0)
Z - inclinação dos taludes (M0 L0 T0)
b - comprimento da base do núcleo à face de jusante (M0 L1 T0) d - diâmetro médio da partícula (M0 L1T0)
d50 - diâmetro, que na curva de composição granulométrica, correspondem 75% em peso do material de diâmetro inferior (M0 L1T0)
d75 - diâmetro, que na curva de composição granulométrica, correspondem 75% em peso do material de diâmetro inferior (M0 L1T0)
h - altura da lâmina líquida (M0 L1T0)
h - em relação à horizontal, profundidade da água no canal piloto (M0 L1 T0) ht - comprimento do talo (M0 L1 T0) i – declividade do canal 0 1 0 0 1 0 T L M T L M
n - coeficiente rugosidade de Manning (M0 L0 T0)
nR - coeficiente de rugosidade de Manning aplicável para uma vegetação, variando entre liso e grãos finos de solo (M0 L0 T0)
nS - coeficiente de rugosidade de Manning (rugosidade do grão de solo) (M0 L0 T0) nV - coeficiente de rugosidade de Manning (rugosidade vegetal) (M0 L0 T0)
nψ - coeficiente de rugosidade de Manning (rugosidade da forma do grão) (M0 L0 T0) q – vazão unitária máxima (M0 L1 T-3)
t - espessura do núcleode argila(M0 L1 T0) γ - peso específico da água (M1 L-2 T-2) γs - peso especifico do solo (M1 L-2T-2) ϕ - ângulo de inclinação do núcleo (Grau) τ- tensão de atrito média (M1 L-1 T-2) τa - tensão admissível do solo (M1 L-1 T-2)
τab - tensão efetiva admissível do solo (M1 L-1 T-2) τe- tensão efetiva no solo (M1 L-1 T-2)
τv – tensão do vegetal (M1 L-1 T-2)
τva – máxima tensão admissível do vegetal (M1 L-1 T-2) ρ - massa especifica da água (M1 L-3 T0)
LISTA DE ABREVIATURAS
ARS – Agricultural Research Service;
ASCE – American Society of Civil Engineers; CBDB – Comitê Brasileiro de Barragens;
c.p. – Polietileno Clorado (Chlorinated Polyethylene); DAEE – Departamento de Águas e Energia Elétrica; DAES – Design and Analysis of Earth Spillways; DCR – Department Conservation Recreation; ER – Taxa de Erosão (Erosion Rate);
ESFSTG – Emergency Spillway Flow Study Task Group; EUA – Estados Unidos da América;
FEMA – Federal Emergency Management Agency;
h.p.d – Polietileno de Alta Densidade (High Density Polyethylene);
ICOLD – Comissão Internacional de Grandes Barragens (International Comission on Large Dams);
IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas;
NRCS – Natural Resources Conservation Service; PEAD – Polietileno de Alta Densidade;
RCC – Concreto Compactado a Rolo (Roller-Compacted Concrete); SCS – Soil Conservation Service;
TR – Período de Retorno;
USDA – United States Department of Agriculture; VEV – Vertedor de Emergência de Vegetação; WES – Waterways Experiment Station.
LISTA DE FOTOS
Foto 3.1 Aumento da Capacidade do Reservatório (Técnica Paredes de Concreto) .... 14
Foto 3.2 “Fusegates” – Inglaterra ... 23
Foto 3.3 “Fusegates” – Republic of Cyprus ... 24
Foto 5.1 Vertedor de Emergência de Vegetação ... 34
Foto 5.2 Erosão no vertedor depois de um escoamento de cheia ... 55
Foto 5.3 Primeira fase do processo de falha... 56
Foto 5.4 Segunda fase do processo de falha ... 57
Foto 5.5 Terceira fase do processo de falha ... 57
Foto 5.6 Erosão “Headcut” depois de um escoamento ... 58
Foto 6.1 Barragem BRC, após o evento de cheia ... 98
LISTA DE FIGURAS
Figura 3.1Tipos de falhas e deficiências nas barragens de material solto ... 7
Figura 3.2 Proteção do maciço (Técnica RCC em degraus) ... 12
Figura 3.3 Proteção do maciço (Técnica blocos de concreto celular) ... 13
Figura 3.4 Aumento da Capacidade do Reservatório (Reinforced Earth) ... 15
Figura 3.5 Típico dique Fuseplug ... 18
Figura 3.6 Esquema de características geométricas de diques “Fuseplug” ... 20
Figura 3.7 Seção transversal Típica de barragem de terra com dique “Fuseplug” ... 21
Figura 3.8 Aplicação de geomembrana na saída do vertedor ... 26
Figura 3.9 Seção transversal típica de vertedor com geomembrana ... 26
Figura 5.1 Vista de Jusante do Canal do Vertedor de Emergência de Vegetação ... 33
Figura 5.2 Planta Típica e Perfil Longitudinal do Vertedor de Terra ... 39
Figura 5.3 Diagrama das metodologias para a estimativa de vazões de cheia. ... 42
Figura 5.4 Velocidade em função do aumento da profundidade do escoamento. ... 46
Figura 5.5 Erosão e migração do “Headcut” ... 59
Figura 5.6 Forças atuantes ... 62
Figura 5.7 Ângulo de Atrito Interno ou de Repouso ... 63
Figura 5.8 Valores de UR (m3/s) em função de Ks (m1/3/s) ... 73
Figura 5.9 Tensão efetiva admissível para solos não coesivos ... 79
Figura 5.10 Coeficiente de rugosidade para solos não coesivos ... 80
Figura 5.11 Tensão efetiva admissível básica para solos coesivos ... 81
Figura 5.12 Fator de correção da relação de vazio para solos coesivos ... 82
Figura 6.1 Canal trapezoidal – elementos característicos ... 89
Figura 6.2 Bacia do Ribeirão das Cabras ... 93
Figura 6.3 Bacia do Ribeirão das Cabras ... 94
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 Mecanismos de defeito e medidas de prevenção em barragens de material
solto ... 9
Tabela 5.1 Total de vertedores (V.E.V.) operando nos EUA, por largura e vazão ... 34
Tabela 5.2 Recomendações para valores mínimos de períodos de retorno. ... 43
Tabela 5.3 Recomendações para valores mínimos de períodos de retorno. ... 43
Tabela 5.4 Recomendações para valores mínimos de períodos de retorno. ... 43
Tabela 5.5 Velocidades Admissíveis para o Vertedor de Vegetação ... 51
Tabela 5.6 Classificação da cobertura vegetal do canal ... 52
Tabela 5.7 Velocidades críticas – materiais não coerentes ... 65
Tabela 5.8 Velocidades críticas – materiais coerentes ... 65
Tabela 5.9 Tensões de arrastamento – canal trapezoidal ... 68
Tabela 5.10 Valores de tensão crítica τo(crit.) para Materiais não coerentes finos ... 69
Tabela 5.11 Valores de tensão crítica τo(crit.) para Materiais coerentes ... 69
Tabela 5.12 Inclinação dos taludes ... 70
Tabela 5.13 Características da Vegetação ... 73
Tabela 5.14 Classificação unificada de solos grossos ... 82
Tabela 5.15 Classificação unificada de solos finos e orgânicos ... 83
Tabela 6.1 Características Geométricas da Barragem ... 97
Tabela 7.1 Vazão de Projeto ... 101
Tabela 7.2 Características da seção do canal em estudo ... 102
Tabela 7.3 Dados Sobre a Cobertura Vegetal do Canal em Estudo ... 102
Tabela 7.4 Parâmetros característicos do solo no local do vertedor ... 103
Tabela 7.5 Valores das Características Geométricas Calculadas ... 104
Tabela 7.6 Valores da Profundidade do Escoamento Recalculados ... 105
Tabela 7.7 Valores das Características Geométricas Baseados em (V) ... 106
Tabela 7.8 Características Geométricas do Vertedor de Emergência de Vegetação .. 107
Tabela 7.9 Parâmetros de Projeto do Vertedor de Emergência de Vegetação ... 108
Tabela 7.11 Valores das Características Geométricas Calculadas ... 110 Tabela 7.12 Valores da Profundidade do Escoamento Recalculados ... 110 Tabela 7.13 Valores das Características Geométricas Baseados em (V) ... 111 Tabela 7.14 Características Geométricas do Vertedor de Emergência de Vegetação 112 Tabela 7.15 Parâmetros de Projeto do Vertedor de Emergência de Vegetação ... 112 Tabela 7.16 Resultados do Modelo Matemático (Q = 67 m3/s) Grama Bermuda ... 113 Tabela 7.17 Resultados do Modelo Matemático (Q = 80 m3/s) Grama Bermuda ... 114 Tabela 7.18 Resultados do Modelo Matemático (Q = 154,9 m3/s) Grama Bermuda ... 115 Tabela 7.19 Resultados do Modelo Matemático (Q = 67 m3/s) Grama Estrela ... 116 Tabela 7.20 Resultados do Modelo Matemático (Q = 80 m3/s) Grama Estrela ... 117 Tabela 7.21 Resultados do Modelo Matemático (Q = 154,9 m3/s) Grama Estrela ... 118
1 INTRODUÇÃO
A engenharia de barragens forma parte da história da civilização, pois estas obras têm servido à humanidade há pelo menos 5000 anos permitindo o crescimento das civilizações, garantindo a água necessária para o abastecimento doméstico e para a irrigação. A engenharia das barragens é fortemente influenciada pelo critério do projetista. Este deve ter capacidade para propor soluções de projeto que sejam eficientes desde o ponto de vista técnico, econômico e ambiental, garantindo a segurança.
Tanto as grandes quanto as pequenas barragens sempre foram fontes geradoras de desenvolvimento para os povos (VELTROP, 1991). WILTSHIRE (2002) cita que no século passado os primeiros projetos e construções de barragens de terra eram então em grande parte baseados em experiência prévia com barragens que tinham sido bem projetadas, construídas, e operaram sem fracasso. Desde então, o projeto e construção destas obras de material solto têm evoluído devido aos avanços tecnológicos da engenharia de barragem.
No século XX, com o aumento de incidentes ocorridos com barragens situadas em locais densamente habitados, ocasionando milhares de mortes, motivou o desenvolvimento e aprimoramento das técnicas de segurança até então utilizadas (MCCULLY, 2001).Em vários países essa preocupação com a segurança de barragens vem sendo a alavanca para o desenvolvimento de legislações e melhorias dos métodos de avaliação da segurança destas obras (ZUFFO, 2005).
As primeiras iniciativas sobre este assunto tomadas pelo Brasil datam da década de 80 com a elaboração das Diretrizes de Inspeção e Avaliação da Segurança de Barragens em Operação (ICOLD, 1999).
A avaliação em barragens é de suma importância para a determinação de falhas de projeto, construção, manutenção e operação em fase inicial (JANSEN, 1983).
Para melhorar a eficiência dessas avaliações, o EUA - BUREAU OF RECLAMATION (1987) elaborou uma lista de itens a serem investigados, que abrangem as características dos materiais de construção, condições gerais que evidenciam perigo, deficiência de operação e manutenção, evidencia de deficiências em barragens de material solto, evidência de deficiência em vertedores, evidencia de deficiência nas saídas d’ água e condições adversas em torno do reservatório.
A principal finalidade dos vertedores consiste em deixar passar o excesso de água acumulada em um reservatório, garantindo que não sejam ultrapassadas cotas fixadas de acordo com as normas de segurança das barragens. Se o vertedor não cumpre a sua finalidade, a barragem poderá ser galgada e a sua estabilidade ficará comprometida, podendo eventualmente verificar-se o seu colapso. Mesmo que não produza o galgamento da barragem, uma subida exagerada dos níveis de água poderá causar inundações à montante. A passagem através do vertedor de vazões superiores à máxima prevista poderá causar prejuízos consideráveis à jusante (GENOVEZ, 2006). É, portanto fundamental que as estruturas tenham capacidade suficiente sem por em risco a sua própria estrutura ou outras estruturas do aproveitamento em que se integrem.
Em relação às barragens de material solto, que tendem a falhar mais vagarosamente, tem-se como principal causa de ruptura o galgamento. O galgamento pode estar ligado diretamente com problemas na estrutura vertedora (JANSEN, 1983).
Esta estrutura pode estar dimensionada de forma a ter capacidade insuficiente para descargas das cheias.
Apesar de haver métodos confiáveis de análise de dados hidrológicos para a determinação da cheia de projeto, constata-se que alguns vertedores são ineficientes ao descarregar as máximas vazões de cheias. Isso em alguns casos motivado pelo aumento da freqüência com que os eventos extremos de cheias são superados. Em pesquisas realizadas na década de 1990 nos Estados Unidos, com a finalidade de
nos projetos. Na maioria dos casos a revisão resultou em acréscimo dos valores das cheias dos projetos. Esta diferença de valores foi justificada devido à utilização de uma base de dados mais completa e um critério de revisão mais complexa desenvolvido pelo “National Weather Service Hydrometeorogical Reports” (ASCE, 1994).
Outros fatores levados em consideração que podem prejudicar a descarga do vertedor são obstruções no próprio vertedor devido a materiais que são carregados durante a operação do vertedor e ou erosões no canal do vertedor, falhas mecânicas e ou humanas na operação de equipamentos entre outros. Nestes casos, as condições inadequadas para a utilização do vertedor se devem à falta ou ineficiente manutenção da estrutura.
As obras de manutenção devem ser consideradas importantes para a vida útil e operação de uma barragem. A preservação da segurança da barragem e suas estruturas estão diretamente ligadas aos trabalhos de reparo e reabilitação.
Fatores econômicos e orçamentários são predominantes na determinação de quando e como serão realizadas as manutenções. Sendo que em alguns casos, os problemas de riscos ficam em segundo plano devido à falta de conhecimento técnico ou mesmo imprudência.
A necessidade de se determinar a melhor alternativa para o aumento de segurança de uma barragem é de suma importância para sua vida útil. Essa melhor alternativa pode ser também a combinação de algumas possibilidades como aumentar a capacidade vertedora da obra colocando um novo vertedor complementar ou aumentar a capacidade de armazenamento do reservatório por meio da elevação da altura da barragem. Também pode ser considerada uma alternativa, a colocação de proteções no maciço da barragem para protegê-la da erosão que pode ser desencadeada pelo galgamento no caso de barragem de material solto.
Desta forma, considerando as diversas possibilidades para aumentar a segurança de barragens de material solto, a hipótese deste trabalho é apresentar uma
alternativa ainda pouco conhecida e explorada no Brasil que é o uso do vertedor de emergência de vegetação. Assim, serão apresentadas as técnicas de implantação de um vertedor de emergência de vegetação com suas diretrizes de projeto e construção, bem como, um estudo de caso.
2 OBJETIVO
A estrutura vertedora de uma barragem é tão importante quanto a própria barragem. Normalmente os critérios de segurança, operação e manutenção dessas estruturas, estão diretamente ligados ao tamanho da obra. Este trabalho tem por objetivo determinar a viabilidade técnica de uso do vertedor de emergência de vegetação em pequenas barragens de material solto.
3 ALTERNATIVAS
PARA
AUMENTAR
A
SEGURANÇA
DE
BARRAGENS DE MATERIAL SOLTO
3.1 Características de segurança das barragens de material solto
As primeiras barragens construídas pelo homem foram feitas de material solto. Dentro desta classificação têm-se as barragens de terra e as de enrocamento. A barragem Sadd-el-Kafara construída no Egito 2600 anos a.C é considerada a barragem de terra mais antiga. A estrutura tinha 14 m de altura em material solto e enrocamento e foi destruída devido a galgamento (NOVAK et al., 1997). As barragens de material solto têm muitas vantagens, como o seu baixo custo, sua adaptação aos diversos condicionantes topográficos e condições da fundação, entre outros. Mas as barragens de material solto também têm desvantagens como o fato de serem suscetíveis a rupturas por galgamento e erosão interna.
Segundo NOVAK et al (1997) a erosão interna e o galgamento nas barragens de material solto são responsáveis por 60% a 70% dos incidentes e falhas. Os mecanismos que podem causar estes incidentes mantêm uma relação direta. Como exemplo, tem-se a inadequada capacidade do vertedor ou a deficiência na determinação da altura de borda livre da barragem resultando em um possível galgamento da estrutura. Outras considerações de projeto também possuem um importante papel na segurança de uma barragem, como a estabilidade da barragem, o controle da percolação de água pelo maciço, a proteção da face de montante, e as estruturas auxiliares de descarga.
Na Figura 3.1 são ilustrados alguns dos mecanismos de falhas das barragens de material solto.
Figura 3.1Tipos de falhas e deficiências nas barragens de material solto Fonte: Adaptada de NOVAK et al, 1997.
A Figura 3.1a indica o galgamento levando ao desmoronamento do maciço e a perda de água do reservatório. A Figura 3.1.b mostra a ocorrência de erosão interna com a migração de material fino e a formação de cavidades internas. A Figura 3.1.c apresenta o assentamento do maciço e da fundação da barragem provocando a perda da borda livre. A Figura 3.1.d indica instabilidade do talude de jusante com deslizamento do mesmo, e a Figura 3.1.e representa instabilidade do talude de montante com o deslizamento seguindo um rebaixamento brusco do nível do reservatório. A Figura 3.1.f indica instabilidade na fundação do paramento de jusante levando à destruição do núcleo e talude de jusante devido a falha na capacidade resistiva do solo.
Os principais mecanismos de falhas em barragens de material solto, incluindo suas causas e medidas de prevenção foram relacionadas na Tabela (NOVAK et al, 1997).
Tabela 3.1 Mecanismos de defeito e medidas de prevenção em barragens de material solto
FALHA CARACTERÍSTICAS CAUSAS MEDIDAS CORRETIVAS
Escoamento sobre a barragem com a Inadequada capacidade Adequar a capacidade do vertedor EXTERNA possibilidade de desmoronamento; do vertedor e/ou da borda livre; e da borda livre inicial, e/ou reforçar a Galgamento maior risco para solos com menor recalque reduzindo a borda livre; superfície do talude com grama coesão; mais sério se for localizado obstrução do vertedor;
Danos na face de montante e ombreiras Proteção do talude Restauração do assentamento; Erosão por Ondas Com deformações ou danificada; proteção da crista;
boa manutenção
Descargas de cheia Canal do vertedor mal projetado Bom projeto hidráulico; Erosão do Sopé danificando o pé da barragem e/ou localizado muros de aproximação
Erosão concentrada na Drenagem insuficiente Vegetação, reforço na superfície
Sulcos de erosão face de jusante e/ou drenagem
Por efeito da precipitação
PERCOLAÇÃO INTERNA Aumento da percolação de água, e/ou Barragem permeável e/ou fundação; Cut-off e injeções no núcleo
Perda de água irregularidades na superfície freática; cut-off inadequado; Projeto adequado talude de jusante mal compactado fissuras internas
Erosão Interna Percolação de água turbida Fissuração interna; vazamento ao Drenagem interna; filtros; atenção com Oculta através do sistema de drenagem longo do perímetro das galerias, túneis O zoneamento do aterro; injeções;
e canalizações projeto detalhado; uso de anéis
INSTABILIDADE Fundação mal compactada ou pouco Consolidação do solo; drenagem; Escorregamento da resistente e/ou aumento da pressão melhorias do terreno de fundação
fundação neutra
Face de montante Mudança na morfologia; saliências e Pressão neutra alta; Drenagem; diminuir a declividade Face de Jusante deformações, escorregamento declividades íngremes; deslizamento dos taludes; construção de bermas de
rotacional ou de translação rápido do talude de montante estabilização Liquefação brusca, mecanismo de Provocado por perturbações ou Compactação adequada;
Escorregamento escoamento rápido movimentos; situação de risco em Consolidação ou colocação
solo siltoso de bermas de pé
DEFORMAÇÃO Perda da borda livre; Deformação e consolidação da Restauração da borda livre; bom Assentamento depressões localizadas barragem e/ou fundação; detalhamento interno para reduzir os
resultado de erosão interna riscos de rompimento; filtros de proteção Interno Deformação do perfil externo; Deformação relativa das zonas Bom detalhamento; com amplas
fissuração interna ou materiais zonas de transição
Em muitos países estão sendo desenvolvidas técnicas de reabilitação e recuperação de barragens em operação, com o objetivo de aumentar sua segurança.
A ASCE “American Society of Civil Enginneers” (1994) investigou alternativas viáveis de proteção contra o galgamento de barragens. Destas investigações baseadas em estudos realizados em função de acidentes de galgamento com varias barragens, foram elaboradas alternativas de modificações estruturais para o aumento da segurança destas obras.
A escolha da melhor alternativa para aumentar a segurança de uma barragem depende de fatores de projeto, tais como, topografia, condições geológicas e de fundação, os níveis de risco a jusante, a política governamental, e o fator econômico.
Alternativas com soluções não estruturais como revisão das exigências operacionais do reservatório e instalação de um sistema de alerta preventivo também são levadas em consideração para aumentar a segurança de barragens.
As alternativas baseadas na realização de modificações estruturais são apresentadas em dois distintos grupos. No primeiro grupo estão as soluções de prevenção ao galgamento da barragem. Estas soluções aumentam a capacidade de descarga da estrutura sem causar danos à própria barragem e a jusante da obra.
O segundo grupo é formado pelas soluções de proteção ao galgamento da barragem. Essas soluções têm como finalidade permitir o galgamento da barragem, mas proteger contra erosão a estrutura da barragem, no caso de material solto, evitando prejuízos inclusive a jusante da obra.
A determinação da melhor alternativa para aumentar os níveis de segurança de uma barragem pode estar na combinação de diversas opções como aumentar a capacidade vertedora da obra, aumentar a capacidade de armazenamento do reservatório, e/ou colocação de proteções no maciço da barragem para aumentar a sua
3.2 Alternativas de Proteção do Maciço ao Galgamento
As barragens de material solto são comprovadamente, mais econômicas e apropriadas para reservatórios com a finalidade de armazenamento para abastecimento e produção de energia. Entretanto, os custos elevados de suas estruturas vertedoras e as obras de desvio temporárias necessárias pesam em seu custo. Uma solução que pode minimizar estes custos seria a associação das obras de desvio com a estrutura vertedora integrada à barragem. Em algumas obras de desvio do rio são empregadas tubulações para a construção do maciço da barragem. Essas tubulações podem ser aproveitadas após a conclusão da obra, passando a funcionar como uma descarga de fundo para permitir a passagem das menores vazões. As vazões maiores passariam sobre o próprio maciço da barragem, que estaria devidamente protegido para este processo.
Nos últimos anos varias técnicas têm sido desenvolvidas no sentido de se aprimorar os métodos utilizados na proteção do maciço das barragens para permitir o seu galgamento sem que ocorra nenhum dano (ASCE, 1994).
Estas técnicas incluem desde as aplicações de concreto compactado a rolo ou de solo cimento, sistema de blocos de concreto pré-moldados e gabiões.
A escolha da melhor técnica a ser aplicada depende das condições do próprio maciço, quanto das condições de jusante da barragem para que seja seguro para ambos.
Testes realizados pela ASCE mostram que a técnica de Concreto Compactado a Rolo (RCC) é um método eficaz contra a erosão causada pelo galgamento em barragens. As camadas de concreto podem ser erguidas na horizontal contra a inclinação do paramento da barragem ou em camadas inclinadas paralelas a inclinação do paramento da barragem. Com a aplicação das camadas horizontais o processo de construção se torna mais fácil e apresenta uma durabilidade maior. Como
conseqüência da disposição destas camadas ocorre a formação de degraus que são utilizados na dissipação da energia dos escoamentos, ver Figura 3.2. Sua colocação é rápida e possui boa resistência tanto à erosão causada por altas velocidades dos escoamentos, quanto ao efeito abrasivo da mistura água-sólido.
Figura 3.2 Proteção do maciço (Técnica RCC em degraus) Fonte: Adaptado de ASCE, 1994.
Em relação à técnica de solo cimento seu procedimento de aplicação processa da mesma forma que a técnica de Concreto Compactado a Rolo (RCC), tendo como diferença apenas o material que compõe as camadas, como o próprio nome diz solo e cimento.
blocos de concreto pré-moldados. A barragem passa a ser uma barragem vertedora e a dissipação de energia do escoamento é feita devido à disposição desses blocos.
A determinação das dimensões e da forma dos blocos é importante para que se tenha um melhor resultado em sua utilização. Por este motivo a ASCE (1994) recomenda testes em modelos físicos avaliando inclusive aeração e velocidade do escoamento, pressões, forças hidráulicas e dissipação da energia. Os blocos de concreto mais utilizados na proteção de maciço são os intertravados mecanicamente e os fixos por cabos.
A utilização de blocos de concreto maciços ou de concreto celular depende das características de cada projeto. Os blocos de concreto celular, apresentados na Figura 3.3 proporcionam um alivio de peso e permitem o crescimento de vegetação sobre os mesmos.
Figura 3.3 Proteção do maciço (Técnica blocos de concreto celular) Fonte: Adaptado de ASCE, 1994
3.3 Aumento da Capacidade de Armazenamento do Reservatório
Um aumento da altura da barragem, sem que isso implique em mudanças nos níveis de operação do reservatório, pode ser considerada uma boa alternativa do ponto de vista político, econômico, social e ambiental. A idéia é aumentar a altura da barragem para que se eleve o nível de borda livre, contemplando assim a margem de segurança. Este aumento da altura do maciço da barragem pode ser realizado com a aplicação conjunta de técnicas construtivas como o emprego de materiais da composição original da barragem ou em concreto, dispostos sobre o paramento de jusante da barragem, ver Foto 3.1. Neste caso, sempre se deve manter uma largura mínima necessária para a crista e uma inclinação adequada do paramento de jusante (estabilidade). Geralmente este acréscimo na altura da barragem varia de aproximadamente 3 a 6 metros (ASCE, 1994).
Foto 3.1 Aumento da Capacidade do Reservatório (Técnica Paredes de Concreto) Fonte: USACE - US Army Corps of Engineers, 2004
Outra técnica utilizada é o emprego de “Reinforced Earth”, que envolve atividades de escavação de aproximadamente 2 metros da crista da barragem, para a fixação de painéis de concreto pré-moldado os que podem atingir uma altura de 6 metros. Estes painéis, erguidos de forma alinhada, são reforçados com a aplicação de camadas de epóxi e cobertos por camadas de terra entre um painel e outro para cada alinhamento. A altura destes painéis, carga externa sobre os mesmos e propriedades do material do preenchimento determinam a quantidade de reforços de epóxi e de terra que serão necessários. A infiltração na face de montante desses painéis pode ser evitada com a colocação de uma membrana impermeável nas juntas dos painéis. Este método tem demonstrado eficácia no que diz respeito à economia de tempo e materiais gastos para a realização de obras que aumentem a altura da crista de barragens, ilustrado na Figura 3.4.
Figura 3.4 Aumento da Capacidade do Reservatório (Reinforced Earth) Fonte: Adaptado de Hydroplus, 2007
3.4 Aumento da Capacidade de Descarga do Reservatório
Normalmente o acréscimo na capacidade de descarga de uma barragem pode ser obtido pelo aprofundamento do nível de entrada da estrutura de descarga, ou a construção de um ou mais vertedores para descarregar as vazões de projeto.
Um vertedor superficial possui descarga maior que uma estrutura de descarga de fundo. Freqüentemente são mais econômicos por serem mais accessíveis para construções e modificações do que o próprio maciço da barragem onde se encontra a estrutura de descarga de fundo.
O acréscimo na capacidade de descarga de um vertedor pode ser alcançado com modificações no comprimento da crista do vertedor, no coeficiente de descarga ou ainda na carga de operação do vertedor (GENOVEZ, 2005).
A instalação de comportas na crista do vertedor permite que se aumente a carga de operação. Mudanças na configuração da crista e melhorias no canal do vertedor podem proporcionar um aumento do coeficiente de descarga e conseqüentemente um aumento na capacidade de descarga. Entretanto este método é raramente utilizado devido a ter custos elevados.
Sendo assim, as técnicas mais utilizadas estão relacionadas com novos mecanismos de adequação da estrutura vertedora existente ou a construção de um novo vertedor de emergência.
O projeto de um vertedor é desenvolvido principalmente em função da vazão de projeto, do tipo e localização da barragem. A escolha do vertedor está diretamente ligada, além do fator econômico, a fatores como a confiabilidade e precisão na determinação da vazão de projeto, a duração e o volume da descarga, da topografia, da geologia e da sismicidade do local (NOVAK et al. 1997).
Projetar um vertedor que contemple uma vazão extraordinária pode se tornar inviável física e financeiramente. Por este motivo é mais indicado projetar um vertedor principal de proporções adequadas, para que opere com as vazões mais freqüentes, e um segundo, que pode ser um vertedor auxiliar ou de emergência, para operar nos eventos extremos.
3.4.1 Emprego de Dique Fusível ou “Fuseplug”
Este tipo de vertedor consiste num canal com declividade e seção suficiente para descarregar a vazão de projeto quando o dique fusível, localizado no extremo de montante, se rompe.
Os diques “Fuseplug” são projetados para desmoronarem com a passagem de determinado valor de descarga, rompendo de maneira segura e assim promovendo um aumento na capacidade de descarga da barragem, Figura 3.5. O volume de água descarregado é transportado por um canal para jusante da barragem. O dique “Fuseplug” é empregado quando a fundação é em leito de rocha. Sua crista pode ser construída em concreto, com perfil plano ou em forma de degraus. Em alguns casos, a soleira do dique “Fuseplug” é dividida em seções menores, utilizando paredes de concreto com diferentes elevações para romperem de forma gradativa de acordo com os diferentes estágios dos níveis de água de operação. Com a passagem do escoamento, a crista do “Fuseplug” pode romper de maneira gradativa ou não, sem que seja levado pelo escoamento por inteiro, a menos que a capacidade do vertedor existente esteja no seu limite.
Figura 3.5 Típico dique Fuseplug Fonte: Adaptado de ASCE, 1994.
Geralmente os “Fuseplug” estão localizados dentro do canal do vertedor auxiliar, que pode estar em uma das margens do reservatório ou até mesmo nas ombreiras do maciço da barragem.
Sua operação deve ocorrer apenas quando a capacidade da estrutura vertedora existente (vertedor de serviço) for excedida. Seu dimensionamento para o funcionamento é baseado em um período de retorno (TR) de 100 anos ou mais (EUA –
O “Fuseplug” é calculado como uma barragem de material solto, estável para operar em quaisquer situações a não ser nos casos de cheias em que ocorrerá seu rompimento. Este rompimento deve ocorrer de maneira previsível em regiões pré-estabelecidas da crista, provocando uma erosão constante da mesma.
O núcleo do “Fuseplug” tem a mesma inclinação que o paramento de jusante, e com a passagem do escoamento partes deste núcleo também serão carregadas. São previstos filtros de areia em torno do núcleo para evitar problemas com o piping, onde os materiais mais finos do núcleo podem ser carregados pelo escoamento. O corpo do “Fuseplug” é formado por zonas não coesivas de pedregulho e areia compactadas, mas com baixa resistência e susceptíveis ao rompimento pela passagem do escoamento. A inclinação do núcleo deve ser de 45 graus para proteger a face de jusante do núcleo durante o galgamento.
Os parâmetros para o dimensionamento de uma barragem tipo “Fuseplug” podem ser assim descritos e observados na Figura 3.6, como altura acima da fundação (H), largura da crista (W), largura da base (B), comprimento da base do núcleo à face de jusante (b), espessura do núcleo impermeável (T), espessura do núcleode argila (t), ângulo de inclinação do núcleo (θ) em relação à horizontal, profundidade da água no canal piloto (h), comprimento do canal piloto ao longo da crista (P), distância ao longo da crista do “Fuseplug” (L) ou comprimento de ruptura, profundidade d’água de montante em relação à fundação (D), e por último o comprimento total da soleira vertedora seguindo a ruptura do “Fuseplug” (J).
Figura 3.6 Esquema de características geométricas de diques “Fuseplug” Fonte: Adaptado de ASCE, 1994.
Os fatores como geometria, profundidade do escoamento e a compactação dos materiais que formam o corpo do “Fuseplug” influenciam diretamente na forma em que ocorre o desmoronamento ou rompimento da barragem “Fuseplug”, representados na Figura 3.7.
A localização da crista do “Fuseplug” deve estar acima do nível normal do reservatório para evitar que ocorra perda na capacidade de armazenamento após o desmoronamento do mesmo.
Figura 3.7 Seção transversal Típica de barragem de terra com dique “Fuseplug” Fonte: Adaptado de ASCE, 1994.
O cálculo da vazão após a ruptura do “Fuseplug” depende da elevação da soleira ou fundação não erodível, da largura do canal, e da elevação do nível do reservatório. Pode ser calculado pela seguinte equação (3.1):
5 , 1 CLD Q= (3.1) Em que:
o C: Coeficiente de descarga pode variar entre 1,52 quando o desmoronamento ocorre em uma direção a 1,71 quando ocorre em duas direções;
o L: Comprimento da crista do “Fuseplug” (m); o D: Altura da lamina d’água no reservatório (m).
A velocidade do escoamento no canal deve ser suficiente para que consiga carregar todo o material erodido evitando assim o acumulo a jusante.
Testes em modelos demonstram que a taxa de erosão (ER) em pés por hora no “Fuseplug” é função da altura da barragem (H). A equação (3. 2) é utilizada para se determinar a taxa de erosão de um “Fuseplug”:
150 2 , 13 + = H ER (3. 2)
As compactações dos materiais não coesivos das faces do núcleo do “Fuseplug” determinam o valor da força de tração necessária para remover os grãos que formam a crista. Em sua manutenção devem ser previstos danos causados por pedestres, animais, trafego motorizado e crescimento de vegetação (ASCE, 1994).
3.4.2 Emprego do Sistema “Fusegates”
Os “Fusegates” são utilizados para elevar a capacidade de armazenamento do reservatório e ou aumentar a capacidade de descarga do vertedor existente na barragem. Este sistema é formado por um ou mais conjuntos de elementos independentes, pré-fabricados de aço galvanizado e localizados lado a lado sobre a crista do vertedor sem comportas. Formando assim, uma barreira impermeável que proporciona a elevação do nível do reservatório. Apresenta a forma de soleira labirinto que proporciona um comprimento efetivo de escoamento três vezes maior que a sua largura, como mostram a Foto 3.2 e Foto 3.3. O tamanho e tipo dos “Fusegates” variam de projeto para projeto conforme diferentes necessidades.
Na ocorrência de escoamentos de descargas moderadas, a soleira tipo labirinto provoca um acréscimo na capacidade de descarga, em relação a uma soleira retilínea, para uma carga relativamente pequena.
No caso de escoamento de vazões maiores, com períodos de retorno de 50 anos ou mais, a partir de um determinado nível do reservatório a água é levada para
processo ocorre um aumento das pressões nas câmaras, desta forma isto provoca um movimento programado de rotação desses elementos na direção de jusante do vertedor. Assim, proporciona-se um aumento da descarga do vertedor. Após a passagem da vazão os “Fusegates” devem ser recolocados em suas posições originais ou mesmo substituídos por elementos novos (GARRET, 1998).
No projeto do “Fusegates” pode ser previsto que em seu funcionamento o enchimento das câmaras e sua rotação sejam feitos de forma combinada em função dos níveis do reservatório.
Segundo CHEVALIER (2004), os “Fusegates” têm demonstrado ser uma solução rápida e econômica, por possuir manutenção de baixo custo e confiabilidade em sua operação. Além de proporcionarem um impacto limitado no meio ambiente local e sem proporcionar alterações no nível do reservatório.
Foto 3.2 “Fusegates” – Inglaterra Fonte: HYDROPLUS, 2007.
Foto 3.3 “Fusegates” – Republic of Cyprus
Fonte: HYDROPLUS, 2007.
3.4.3 Emprego de Geomembranas para Vertedores de Emergência
Estudos realizados pelo EUA - Bureau of Reclamation (1994) apontam que a utilização de membranas flexíveis ou geomembranas para vertedores de emergência, têm crescido em função do seu baixo custo de aplicação e sua praticidade em estruturas de pequenas cargas ou pequena altura. Sua instalação simplificada é baseada no revestimento do canal do vertedor de emergência por uma manta de geomembrana, que posteriormente recebe uma camada de material solto para proteção da mesma. É importante ressaltar a necessidade de reposição da camada de material solto sobre a geomembrana a cada operação do vertedor de emergência.
Em barragens de material solto em risco de galgamento devido à inadequada capacidade da estrutura vertedora existente, e em casos em que não seja viável a instalação de um vertedor de concreto convencional ou de enrocamento compactado, a colocação de um vertedor de emergência com geomembranas tem sido uma boa alternativa.
Esta estrutura é composta por um canal aberto de seção transversal trapezoidal, apresentada na Figura 3.8 e Figura 3.9, em que é aplicada a geomembrana seguido de uma cobertura de solo para a proteção da membrana contra danos causados pela passagem de animais ou máquinas (TIMBLIN, 1985).
Durante a operação do vertedor esta cobertura de solo é levada pelo escoamento, e a geomembrana tem por finalidade servir como uma camada impermeável de proteção contra a erosão da área em exposição a esse escoamento. A freqüência mínima de uso deste vertedor é relevante para um satisfatório funcionamento, já que existe a necessidade da manutenção da cobertura de solo sobre a membrana a cada operação. Um bom resultado em sua operação está ligado diretamente com a qualidade do material da membrana para ser resistente às forças atuantes. A geomembrana deve resistir aos danos que podem ser provocados por materiais que possam ser carregados para dentro da estrutura e ainda prover boas condições hidráulicas em sua operação(ASCE, 1994).
A geomembrana de PEAD (Polietileno de Alta Densidade) é elaborada com base em uma resina 100% pura, específica para uso na produção de geomembrana flexível para revestimentos impermeabilizantes. Especialmente desenvolvida para a impermeabilização de solos, a geomembrana possui alta resistência química e espessuras variáveis (de 0,5mm a 2,0mm). Os tipos de materiais para a confecção das geomembranas mais utilizadas no mercado para este fim são o c.p. (polietileno clorado) e o h.p.d. (polietileno de alta densidade) da “Hypalon” (CBDB, 2005).
COLMANETTI (2006) comprovou por meio de testes laboratoriais que as geomembranas apresentam características que proporcionam boa resistência física à ruptura por tração, oferecendo um alto grau de segurança na impermeabilização.
RAMOS et al (2006) realizaram uma pesquisa sobre a aplicação de geomantas em canais, revestidas ou não por grama. Os resultados dos ensaios em laboratório demonstraram a eficácia do emprego desta técnica quando a cobertura de grama apresenta-se com um desenvolvimento homogêneo em toda a geomanta. Os autores
recomendam manter a velocidade do escoamento entre 3,5 a 4,0 (m/s) para manter a estabilidade do canal desde que a grama esteja completamente desenvolvida. Para os ensaios sem o revestimento de grama a velocidade não deve ser maior que 0,8 m/s.
Figura 3.8 Aplicação de geomembrana na saída do vertedor Fonte: TIMBLIN (1985)
Figura 3.9 Seção transversal típica de vertedor com geomembrana Fonte: ADAPTADO DE TIMBLIN (1985)
4 CARACTERÍSTICAS DOS VERTEDORES
4.1 Introdução
Neste capitulo serão apresentadas as características dos vertedores normalmente empregados em barragens.
4.2 Generalidades dos Vertedores
O vertedor é uma das estruturas hidráulicas associada a uma barragem, tendo por finalidade transportar o excesso de água do reservatório. Por isso seu funcionamento correto é de suma importância para a segurança da barragem. Para que isso ocorra seu projeto deve ser minucioso, prevendo que a vazão de projeto que é a vazão utilizada para se dimensionar o vertedor, pode ser superada em alguns eventos. Quando isso ocorre, danos tanto no maciço da barragem, como no próprio vertedor, assim como prejuízos a jusante podem ser detectados.
O galgamento da barragem é uma das principais conseqüências da falha do vertedor. Entretanto, os danos provocados pela passagem de um volume superior ao esperado, a jusante da barragem, podem ser irreparáveis.
Portanto, é extremamente necessário que estas estruturas sejam suficientemente dimensionadas, prevendo a ocorrência de danos provocados por eventos extremos e minimizando os riscos de acidentes, bem como evitando o super dimensionamento dos vertedores que os tornaria inviáveis.
Os dados para o projeto do vertedor estão relacionados à topografia do local da obra; clima predominante; histórico hidrológico que incluem períodos de estiagem e enchentes; geologia que está diretamente ligada à fundação da obra; ocorrência de
sismos; grau de importância da capacidade de retenção de cheias no reservatório; qualidade da água no local; tipo de estrutura a projetar; dados hidráulicos de projeto; existência de desenvolvimento a jusante da obra como existência de propriedades e habitantes; e por último as exigências de projeto como vazão mínima a jusante. A escolha do tipo de vertedor e seus componentes estão diretamente ligados às condições do local da obra, às exigências de projeto, aos dados hidrológicos e ao fator econômico.
4.3 Componentes de um Vertedor
Uma alternativa utilizada para se evitar projetos antieconômicos é o dimensionamento de mais de um vertedor para a barragem. O vertedor principal que pode ser chamado de “serviço” tem a função de descarregar as menores vazões que são as mais freqüentes. O “auxiliar” é utilizado para descarregar as maiores vazões que ocorrem durante os eventos extremos. Sendo que o de “emergência” é projetado para ser uma alternativa a mais de segurança contra o galgamento da barragem. Seu uso ocorre em caso de extremas condições, como por exemplo, uma falha no vertedor principal ou ainda no vertedor auxiliar.
Segundo o EUA - Bureau of Reclamation (1987), os vertedores são formados geralmente por um canal de entrada, uma seção de controle, um canal de descarga e um canal de saída.
• Canal de Entrada direciona o escoamento até a estrutura de controle, proporcionando uma uniformidade do escoamento, com perdas de carga mínimas através do canal evitando assim a redução da vazão do vertedor. É utilizado em barragens de material solto, em que a estrutura de controle é localizada fora do maciço da barragem.
reservatório. Esta seção pode ter diferentes características e ser uma soleira, um orifício ou uma tubulação. A soleira da seção de controle pode apresentar varias formas em planta, como uma soleira reta, curvada, semicircular, formato de U, arredondada ou ainda de formato poligonal. Além dessas variações existe também a soleira de parede delgada, soleira espessa e com formato de S. Os orifícios podem ser assentados na horizontal, inclinados ou na vertical, podendo apresentar seção com cantos vivos ou arredondados. As tubulações podem ser localizadas da mesma forma que os orifícios, apresentando seções circulares, quadrados, retangulares, no formato de uma ferradura entre outros. Algumas dessas estruturas de controle podem ou não levar comportas. A abertura dessas comportas pode ser programada de acordo com os níveis do reservatório.
• Canal de Descarga o escoamento que passa pela estrutura de controle é conduzido por este canal ao leito do rio a jusante da barragem, de forma segura para a obra e estruturas de jusante. Os dados geológicos, topográficos e hidráulicos do local da obra determinam as características de projeto deste canal.
O canal de descarga pode assumir a forma de um canal aberto escavado ao longo das ombreiras da barragem, de um conduto localizado sobre ou através do maciço da barragem. Degraus no fundo do canal podem ser projetados com a finalidade de retardar o escoamento e também para dissipar a energia provocada pela velocidade do mesmo.
• Estrutura de Dissipação de Energia está posicionada no final do canal de descarga, com a finalidade de evitar que as altas velocidades geradas pelo escoamento causem danos como erosões na barragem e a jusante da mesma. Apresentam várias formas de dissipação, como através do ressalto hidráulico, lançamento de jato ao ar livre e dissipador em concha.
4.4
Tipos de Vertedores para Barragens
A classificação dos vertedores é baseada de acordo com a sua função, citada anteriormente no item 4.3 e também por suas características principais.
Em seguida serão apresentados resumidamente alguns dos mais utilizados vertedores (Oliveira, 2004):
Vertedor tipo extravasor é um dos mais utilizados, por isso existem diversos estudos desenvolvidos sobre seu funcionamento. Apresenta na crista um perfil adequado para acompanhar a superfície inferior da lamina de água vertente. Este perfil é denominado de perfil normal. Apresenta duas alternativas para a face de montante inclinada ou vertical, podendo conter mais de um alinhamento reto no paramento de montante. Este tipo de vertedor geralmente possui comportas, com a função de controlar a descarga do mesmo. Como este tipo de vertedor produz altas velocidades, em condições de grandes descargas, existe a necessidade de considerações de projeto para se evitar a cavitação.
A cavitação é a formação de bolhas ou cavidades em um líquido. Em estruturas hidráulicas, o líquido é água e as cavidades estão preenchidas com vapor de água e ar. As cavidades se formam em um local onde a pressão cai até a um valor que fará com que a água se vaporize a temperatura do ambiente. Essas cavidades ao serem transportadas através de regiões com gradientes de pressão positivos eventualmente implodem. Esses colapsos produzem pressões instantâneas muito altas que impactam na superfície sólida do escoamento. É justamente durante esse processo que pode ocorrer a erosão acompanhada de vibrações e ruído (DALFRÉ, 2005).
Vertedor labirinto ainda é pouco difundido no Brasil, por isso pouco utilizado. Sua principal característica é apresentar uma crista formada por uma linha
um aumento do comprimento da crista possibilitando a descarga de maiores vazões do que em um vertedor de soleira retilínea para igual carga. Geralmente apresentam a forma trapezoidal simétrica. A crista pode ter a forma circular ou um perfil extravasor, por exemplo, o de uma soleira tipo WES, EUA- Bureau of Reclamation (1987).
Vertedor tipo sifão é recomendado para descarregar vazões menores. Este tipo de vertedor é indicado quando se quer manter o nível do reservatório e o espaço para a localização da estrutura vertedora está reduzido. O vertedor tipo sifão possui sua estrutura formada por um tubo fechado com o formato de um U invertido. Apresenta em sua composição a seção da entrada, um ramal superior, a garganta ou seção de controle, o ramal inferior e a saída.
Tipo tulipa é usado em casos de barragens de terra ou enrocamento ou em vales estreitos, em que o espaço para a instalação do vertedor seja limitado. No caso de barragens de concreto com comprimento insuficiente para a colocação de outro tipo de vertedor, e ainda em barragens de arco, pode ser uma solução eficaz. A grande vantagem deste vertedor é a economia de concreto em sua construção, por possuir formas reduzidas comparadas as dos outros tipos de vertedores.
Vertedor tipo canal lateral é constituído por uma estrutura de controle localizada de forma paralela ao canal de descarga do vertedor, ideal para situações de pouco espaço e encostas íngremes.
Vertedor tipo canal de descarga sua principal característica é o posicionamento do seu canal perpendicular ao eixo da barragem. Este vertedor é muito utilizado em barragens de material solto, e por apresentar técnicas de projeto e construção simples.
5 VERTEDOR DE EMERGÊNCIA DE TERRA E VEGETAÇÃO
5.1 Introdução
Os vertedores de emergência de vegetação têm sido utilizados em reservatórios de controle de enchentes desde o inicio da década de 1960 nos Estados Unidos da América. Por possuir projeto simplificado, baixo custo de construção e manutenção, comparativamente com estruturas convencionais de vertedores, tornou-se uma boa opção em se tratando de reabilitação de uma barragem (SCS, 1985).
A função deste vertedor é descarregar as vazões não contempladas no valor da vazão de projeto do vertedor principal. Neste caso, a descarga será feita com uma velocidade não erosiva através de um canal adequado, e sem produzir o galgamento da barragem.
O vertedor de emergência de vegetação é formado por um canal aberto revestido com uma vegetação resistente à erosão, geralmente de seção transversal trapezoidal, apresentado na Figura 5.1. Sua estrutura consiste em um canal de entrada, uma seção de controle ou crista em nível, e um ou mais canais de saída.
Figura 5.1 Vista de Jusante do Canal do Vertedor de Emergência de Vegetação Fonte: Adaptado de OHIO DEPARTMENT OF NATURAL RESOURCES, 1999.
Este tipo de vertedor geralmente é dimensionado com somente 1 a 4% de chance de operar em um dado ano (TEMPLE, 1989). Na Foto 5.1 observa-se um vertedor de emergência de vegetação em funcionamento.
De acordo com TEMPLE (1992), dados da FEMA- “FEDERAL EMERGENCY MANAGEMENT AGENCY” indicam que a maioria das aproximadamente 25.600 barragens projetadas e construídas em uma ação conjunta de “UNITED STATES DEPARTMENT OF AGRICULTURE” o USDA e o SCS, possuem vertedores de emergência de vegetação.
Foto 5.1 Vertedor de Emergência de Vegetação Fonte: TEMPLE, 2003.
Dados sobre vertedores de emergência de vegetação em operação nos Estados Unidos foram coletados por uma comissão formada por membros da “AGRICULTURAL RESEARCH SERVICE” (ARS), “NATURAL RESOURCES CONSERVATION SERVICE” (NRCS), “EMERGENCY SPILLWAY FLOW STUDY TASK GROUP” (ESFSTG) e SCS (1997), e estão apresentados na Tabela 5.1.
Tabela 5.1 Total de vertedores (V.E.V.) operando nos EUA, por largura e vazão
Vazão
Largura menos de 18m de 18m a 34m de 34m a 48m de 48m a 100m mais de 100m
menos de 18 m³/s 14 3 0 0 0
de 18m³/s a 34m³/s 15 4 0 0 0
de 34m³/s a 48m³/s 9 5 3 3 0
de 48m³/s a 100m³/s 2 12 3 3 0
mais de 100m³/s 0 3 1 15 1
5.2 Considerações gerais
Os critérios de projeto e construção deste tipo de vertedor até a década de 1970 eram elaborados de forma empírica por USDA e SCS, baseados em dados limitados, adquiridos por meio de levantamentos de campo dos vertedores em operação (TEMPLE, 1989).
Para mudar este panorama, os departamentos da USDA, SCS e ARS elaboraram pesquisas com dados de campo e de laboratório, com a finalidade de quantificar os processos erosivos do vertedor, de maneira a ampliar a compreensão desses processos, e com isso, desenvolver novos critérios de projeto e análise.
Em 1983, SCS formou um grupo de estudo chamado “EMERGENCY SPILLWAY FLOW STUDY TASK GROUP” (ESFSTG), com a intenção de coletar dados de campo de vertedores de emergência que tiveram cargas maiores que 1 metro, relacionando seus possíveis danos. Os dados coletados incluíram vertedores construídos com uma grande variedade de material solto, desde areia até rocha.
Dois anos depois, o SCS elaborou relatórios que forneceriam diretrizes para a adoção deste vertedor. Estas diretrizes levaram em consideração alguns fatores que podem facilitar ou dificultar, tanto o projeto como a construção deste tipo de vertedor. Fatores tais como, disponibilidade de encostas nos arredores do corpo da barragem (para a localização do vertedor), o uso ou não de solo existente no local de implantação desta estrutura (para a construção da seção de controle do vertedor), ou ainda a existência de rodovias sobre a barragem (SCS, 1985). Dependendo das condições, estes fatores podem representar uma limitação para a adoção deste vertedor
Em 1991, foi criado o “DESIGN AND ANALYSIS OF EARTH SPILLWAYS” (DAES) com o objetivo de documentar e desenvolver uma nova tecnologia de projeto e aplicação do vertedor de emergência de vegetação. De acordo com estudos anteriores, resultou em uma classificação do processo erosivo do vertedor em três fases