CURSO DE CAPACITAÇÃO EM ESTRUTURAS DE BARRAGENS: TERRA, ENROCAMENTO E REJEITOS. Sistemas de vedação e de drenagem interna

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CURSO DE CAPACITAÇÃO EM ESTRUTURAS

DE BARRAGENS: TERRA, ENROCAMENTO E

REJEITOS

PROFESSOR: Dr. Sidnei Helder Cardoso Teixeira

Curitiba 29 de Março de 2017

Sistemas de vedação e de drenagem interna

Sistemas de drenagem interna

Curso de capacitação em estruturas de barragens de Terra, enrocamento e rejeitos. Professor: Dr. Sidnei Helder Cardoso Teixeira

 Atualmente, a solução do controle de percolação é basicamente governado pelo valor

econômico da água percolada através do barramento e pela necessidade de se trabalhar com mais de uma linha de defesa, para a segurança da barragem.

 O sistema de drenagem interna constitui o elemento vital na segurança de uma barragem de terra deve ser dimensionado de modo a atingir os seguintes objetivos:

• Reduzir a pressão neutra na área de jusante da barragem e portanto aumentar a

estabilidade de jusante contra o deslizamento;

• Controlar a percolação da água na face de jusante da barragem de tal modo que a água

não carregue partículas do maciço, isto é, que não se desenvolva o fenômeno de "piping".  A eficiência do dreno depende determinados fatores:

• Comprimento do elemento drenante;

• Espessura do elemento drenante.

• Permeabilidade do material filtrante; • Granulometria do material filtrante;

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Sistemas de drenagem interna – Sequência do fluxo

Filtro Vertical ( Filtro chaminé)

Filtro Horizontal ( tapete drenante)

Dreno de pé

Medidor de vazão

Dispositivos acessórios Trincheiras drenantes

Poços de alívio

Curso d’água a jusante

Instrumentação

Filtro Vertical e Horizontal – Vazão e Permeabilidade

Sugestões de Coef. De Permeabilidade por material

Onde:

qat – vazão captada através do maciço da barragem pelo filtro vertical;

qf - vazão captada através da fundação; q = qat + qf - vazão a ser eliminada pelo dreno.

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Filtro Vertical e Horizontal – Mecanismo

Filtro Vertical e Horizontal – Critério

 O material deve satisfazer, simultaneamente, aos dois requisitos de: • Filtragem da água percolada através da barragem;

• Drenagem da água percolada através da barragem;

 Os vazios devem ser suficientemente pequenos, para evitar que as partículas do aterro sejam carreadas através deles e suficientemente grandes, para proporcionar permeabilidade adequada para o escoamento da água, evitando o desenvolvimento de elevadas forças de percolação e de pressões hidrostáticas.  Em 1922, Terzaghi propôs uma forma de avaliar o filtro, através:

Relação de Permeabilidade Relação de Estabilidade ( “Ratio Piping”) > 4 ou 5 < 4 ou 5

U. S. Bureau of Reclamation limita o tamanho das partículas do material do filtro a 76 mm. para minimizar a segregação e a formação de pontes ("bridging"), das partículas grandes durante a colocação. O U. S. Army Corps of Engineers também requer que seja satisfeita a condição:

< 25 e < 20

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Sistemas de drenagem interna – Filtro vertical

 Também conhecido como “Cortina drenante” ou “Filtro chaminé” é um dispositivo de

drenagem prolongado para jusante através de um tapete drenante horizontal , que tem objetivos de:

• Interceptar todo o fluxo horizontal de água que percolou pelos vazios do aterro ou fissuras de camadas mal compactadas ;

• Atender critérios de estabilidade através da não saturação da zona do espaldar de jusante; Redução do material de aterro

Redução de custos (Economia) Redução de escavação de jazida (M. Ambiente)

 O filtro vertical geralmente é construído com areia grossa, aluvionar, isenta de finos. Especifica-se uma porcentagem máxima de 5%, em peso, passando na peneira # 200, para que o material não apresente coesão, evitando-se assim a propagação de trincas de tração dentro do filtro, eventualmente desenvolvidas no interior do aterro.

Filtro Vertical – Dimensionamento

Solos S Material P Material Q Material R d15 0,04 --- --- ---d85 0,5 --- --- ---D15 --- 0,12 0,7 4,0 D15/d15 --- 3,00 17,50 100,00 D15/d85 --- 0,24 1,40 8,00 Função de Filtro Para dimensionamento da largura do filtro vertical, baseado na formula de Darcy, pode se expressar:

q = = K x x e → BFiltro Vertical=

Onde:

B – Espessura do filtro (m); Q – Vazão absorvida pelo filtro (m³/s); K – Permeabilidade do material do filtro (m²/s); FS – Fator de Segurança, que é igual a 10 (adm); I – Gradiente Hidráulico (adm), pode considerar i igual a 1;

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Filtro Vertical – Geometria

Critérios de escolha da Geometria do filtro:

• Inclinação para montante – Eliminar risos de trincas longitudinais na crista no caso da barragem se apoiar sobre uma fundação rígida;

• Inclinação para jusante – Melhorar condições de estabilidade do talude durante o rebaixamento do reservatório;

• Completamente vertical – Facilitar a sua locação topográfica e a construção, junto às sucessivas camadas do aterro do maciço da barragem.

Sistemas de drenagem interna – Tapete drenante

O tapete drenante tem a função de conduzir para o pé de jusante da barragem as águas

coletadas pelo filtro em chaminé e as que percolam através da fundação;

A estas últimas correspondem vazões geralmente muito maiores que as que percolam através do aterro, pois a permeabilidade dos materiais de fundação é muito menos susceptível de controle;

As incertezas envolvidas na determinação dos coeficientes de permeabilidade e na definição da geometria dos estratos heterogêneos, que compõem a fundação, fazem com que o grau de imprecisão dos resultados das análises seja muito maior, principalmente quando a fundação é em rocha, onde a percolação da água se dá essencialmente através das juntas e fraturas. → Fatores de segurança maiores;

 Para evitar subpressões elevadas na barragem e manter não saturada a zona de jusante,

os tapetes drenantes devem trabalhar com a menor carga hidráulica possível, ou seja, com gradiente hidráulico muito baixo.

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Tapete Drenante - Dimensionamento

 Para dimensionamento do tapete drenante, :

Q – Vazão unitária majorada por FS (m³/s)/m; K – Permeabilidade do material do filtro (m²/s); FS – Fator de Segurança, igual a 10; h – Perda de carga (m.c.a);

Obs: O gradiente hidráulico fica entre 0,005 e 0,15 ( regime Laminar)

O comprimento do dispositivo drenante há aumento da capacidade drenante, o que reduz a linha de saturação gerada pela freática. → Reduz volume de aterro/ Mantém a estabilidade.

Tapete em carga Tapete Livre

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Sistemas de drenagem interna – Transições

Filtro Chaminé

• Não é necessário devido a boa capacidade de drenagem do espaldar; Entre o aterro e o enrocamento

• Inserção de camadas com granulometria intermediária para que exista uma transição gradativa. Na transição de montante

• Não há problema de carreamento de partículas;

• Introdução de uma ou duas camadas de granulometria intermediária → Permitir compactação na faixa de contato dos grãos( Ex: Enrocamento míudo);

 Espessuras de camada de transição • Em função do método construtivo;

• Considerar problemas de segregação das partículas e de contaminação; • Camadas de transição devem ser superdimensionadas.

 Barragens de enrocamento com face de concreto • Utilizar 4m de enrocamento fino;

• Prever faixa de transição com cerca de 4 a 6m de largura de material misturado; • Compactar em camadas com rolo vibratório;

• Objetivo da transição – Proporcionar condições p/ apoio da laje e minimizar as vazões de água que percolem nas fissuras da laje.

Sistemas de drenagem – Dreno de pé

Constitui um dreno longitudinal, paralelo a saia da barragem, que coleta as águas advindas do filtro chaminé e do tapete drenante e transfere para talvegue do rio à jusante da barragem;

Técnica antiga utilizada em barragens homogêneas para evitar a redução de resistência no pé do talude;

Quando as vazões nos drenos de pé são muito grandes, são introduzidos tubos perfurados de concreto no seu interior, para aumentar a área de escoamento e reduzir o volume de materiais drenantes. Para propiciar a sua manutenção, são instalados poços de visita, a cada 50 a 100 metros, onde podem ser feitas medidas de vazão e coletadas amostras de água para análises;

A transição entre os materiais do tapete drenante e o dreno de pé é feita com materiais de granulometria intermediária.→ Relações de estabilidade e de permeabilidade; O dreno de pé também pode ser construído em nível inferior ao do tapete drenante,

escavando-se, para tal, uma trincheira de seção trapezoidal no terreno de fundação, onde a metade inferior do dreno fica embutida.

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Dreno de pé – Dimensionamento ( Hipótese Simples)

Para cálculo de vazão adota-se a vazão unitária da seção intermediária de uma das ombreiras:

A = . _..

Onde:

q – Vazão Unitária da seção intermediária (m³/s/m); L – Comprimento da ombreira (m);

K – Coeficiente de permeabilidade (m/s); I – Gradiente Hidráulico (m.c.a/m); FS – fator de segurança , que é igual a 10;

A – Área do dreno de pé (m²), sendo a largura mínima igual a 4,00m.

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Dreno de pé – Detalhes construtivos

Sistemas de drenagem – Trincheira drenante

A trincheira drenante tem por objetivo a interceptação de fluxos de água através

de camadas permeáveis mais superficiais da fundação;

São particularmente recomendadas quando a permeabilidade na direção

vertical dessas camadas é muito baixa, para garantir o acesso da água ao

tapete drenante ou ao dreno de pé;

Construção semelhante ao dreno de pé;

Tubos perfurados somente devem ser utilizados quando a trincheira situa-se

próxima ao pé da barragem ou quando escavada em rocha de baixa

deformabilidade;

A trincheira também pode ser construída a jusante da barragem, para captar,

reunir e escoar as águas provenientes de surgências que são constatadas

durante e após o enchimento do reservatório;

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Trincheira drenante – Métodos construtivos

Sistemas de drenagem – Poços de Alívio

Poços de alívio são dispositivos utilizados para reduzir as subpressões desenvolvidas pela percolação de água nos estratos permeáveis da fundação;

São geralmente construídos segundo uma linha, sob o dreno de pé, mas podem ocupar posições a montante deste, até a base do filtro em chaminé;

Reduzem com eficiência a subpressão na barragem→ Pressões na vizinhança do poço equivalente a carga hidráulica do topo do mesmo;

Também podem ser construídos a jusante da barragem, quando são detectadas subpressões excessivas durante o enchimento do reservatório;

Apresentam custos relativamente baixos;

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Poços de Alívio – Materiais e Mecanismo

 Tubos perfurados de PVC têm sido atualmente utilizados, pois apresentam menor

rugosidade interna e parede menos espessa, ocupando menor volume dentro do poço;

 O espaço anelar existente entre o tubo e as paredes do poço é preenchido com material

granular (cascalho miúdo ou pedrisco), com granulometria para servir de filtro do material de fundação;

 Os diâmetros mais usuais dos poços de alívio variam entre 75 e 150 mm e dos tubos

perfurados, de 50 a 100 mm;

Obs: Os poços de alívio devem ter o seu topo em cota a mais baixa possível, para proporcionar maior rebaixamento do lençol freático. Quando estes topos não coincidem com o tubo perfurado do dreno de pé, devem ser construídas caixas para a sua proteção.

Sistemas de drenagem – Galeria de drenagem

 Em muitas das grandes barragens de terra e de enrocamento europeias têm sido construído

galerias na sua fundação, com o propósito de permitir a execução de serviços de drenagem e/ou de injeção(tratamento de fundações), durante ou após a construção do aterro(durante e após enchimento do reservatório);

 Essas galerias são muito frequentes nas barragens e outras estruturas de concreto (tomada

d’água. casa de força, vertedouro);→ redução das subpressões na área de jusante e a

garantia da estabilidade do conjunto estrutura-fundação;

 As galerias de drenagem são muito importantes nos maciços fraturados,

particularmente nas rochas sedimentares com estratificação horizontal, onde podem ocorrer subpressões elevadas na área de jusante da barragem;

 A galeria de drenagem, executada juntamente com um sistema de poços de alívio nas

fundações;→ Permite um maior rebaixamento das subpressões ( Ter comprimentos elevados e com dimensões internas que permitam o acesso de equipamentos execução dos furos).

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CURSO DE CAPACITAÇÃO EM ESTRUTURAS DE BARRAGENS: TERRA, ENROCAMENTO E REJEITOS. Sistemas de vedação e de drenagem interna