BARRAGENS DE TERRA Estudos Básicos Necessários ao Projeto de uma Barragem 1 - Topográficos 2 - Hidrológicos 3 - Climáticos 4 - Geológicos 5 - Geotécnicos 6 - Sócio – Econômicos 7 – Ecológicos 8 - Agrológicos Estes estudos são iniciados de forma muito sumária e vão sendo aprofundados e detalhados ao longo das diversas etapas que normalmente compõem o projeto da barragem. a) Planejamento b) Viabilidade técnico-econômica c) Anteprojeto d) Projeto Básico e) Projeto Executivo
1 - ESTUDOS TOPOGRÁFICOS a) Objetivo: -
Locação do eixo barrável, boqueirão e interpretação de curvas de nível.
-
Determinação das bacias hidrográfica e hidráulica (áreas). 1
Área da bacia hidrográfica, A Pré-dimensionamento de barragens: - Vazão Regularizável: Q90 = f 1 x QAfl f 1 ≅ 0,35 - Vazão Afluente Média: QAfl = CR x H x A CR ≅ 0,10 Daí: A = (Q90 / f 1) / (CR x H) H ≅ 0,850 m/ano - Vazão demandada (Agenda BNB) Irrigação: -
banana 20.000 m3/ano/ha
-
feijão
5.000 m3/ano/ha
-
milho
6.000 m3/ano/há
Uso humano: -
alto
-
médio 200 l/hab/dia
-
baixo
-
muito baixo (reprimido) 13 l/hab/dia
350 l/hab/dia 100 l/hab/dia
Bacia hidráulica Curva cota – área – volume Vol ≅ α . ∆h³ ∆Vol0 ≅ ∆Voli ≅
A . ∆h/3
(Ai + Ai +1) / ∆h
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Vol j ≅ Σ∆ Voli
(i = 0 ... j)
Pré-dimensionamento de barragens: Vol = f K x QAfl f K varia de 0,50 a 2,0 -
Se f K for muito pequeno, haverá muita sangria e pouco aproveitamento.
-
Se f K for muito grande, haverá pouca sangria e riscos à qualidade da água.
Daí o Pré-dimensionamento fica: Q90 QAfl ABACIA cota – volume Vol ∆h b) Generalidades: Topografia: determina o contorno, dimensão e posição relativa de uma porção limitada da superfície terrestre, sem levar em conta a curvatura resultante da esfericidade terrestre. Projeção ortogonal cotada de todos os detalhes da configuração do solo. Topometria: conjunto de métodos empregados para colher dados necessários ao traçado da planta.
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Planimetria: representação em projeção horizontal dos detalhes existentes na superfície. Emprego de Teodolitos, Estação Total. Altimetria: determinação das cotas ou distâncias verticais de um certo número de pontos referidos ao plano horizontal de projeção ou referência de nível. Fotogrametria: principalmente
de
determinação grandes
do
relevo
extensões,
através
do de
terreno, máquinas
fotográficas. Aerofotogrametria = fotografia aérea. Estereoscópio escala 1:20.000. Satélites. Coordenadas Geográficas: são a latitude, a longitude e a altitude que caracterizam bem a posição de um ponto na superfície terrestre. Medidas sobre a carta: métodos mecânicos: - Curvímetros - instrumento empregado para a medida de distâncias gráficas. -
Planímetros - instrumento que serve para medir as áreas das figuras irregulares traçadas no desenho.
-
Programas de computador.
c) Fatores topográficos que influenciam no projeto de barragens: c.1) Declividades das ombreiras: -
Muito suaves e regulares: sem problemas
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-
Íngremes e irregulares: problemas de ocorrência de recalques diferenciais do maciço compactado causando riscos potenciais de fissuramento do corpo.
Providência: sobredimensionamento dos drenos para interceptar qualquer fluxo d'água ao longo das fissuras, sem sobrecarga. c.2) Distância e relevo das jazidas de materiais de construção e seus acessos: Fator econômico determinante do tipo de barragem. c.3) Geometria longitudinal das encostas: c.3.1) no sentido paralelo ao rio: - Vales alongados: permitem qualquer tipo de seção transversal de barragem. -
Vales curtos: limitam a escolha à barragem de terra e enrocamento com núcleo argiloso ou com face de concreto.
c.3.2) no sentido transversal ao rio: -
Vales estreitos: propiciam a construção de barragens arqueadas de eixo curvo, aproveitando a contribuição das pressões hidrostáticas transmitidas pelo reservatório para manter sempre tensões de compressão ao longo da seção longitudinal da barragem, fechando eventuais trincas devido aos recalques diferenciais.
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-
Vales largos: o eixo deverá ser reto ou alinhado ao longo do traçado de menor volume.
c.4) Depressões no fundo rochoso do rio: influencia na posição do eixo do maciço principal e da ensecadeiras. d) Mapeamento geral: É a primeira avaliação das características da bacia hidrográfica, locações, explorações, situações dos empréstimos, pedreiras, rede viária e elétrica. Disponibilidade de mapas: - Órgãos Federais - IBGE - SUDENE - Órgãos Estaduais e Municipais -
Fotografias Aéreas (esterescópio)
-
Fotografias de Satélites
Levantamentos complementares: apoio terrestre (teodolito) No caso de não existirem mapas topográficos disponíveis, podem ser utilizados mapas de reconhecimento aproximados, definidos por um mínimo de pontos de controle ou um esboço de seções transversais. As plantas devem estar em escalas convenientes e em coordenadas geográficas e os pontos de referência devem ser monumentados.
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e) Plantas Topográficas necessárias para o Projeto de Barragens: TIPO ESCALA USUAL CURVAS DE NÍVEL ______________________________________________________________________________ 1- Planta plani-altimétrica da bacia hidrográfica
1 : 20.000
de 5 em 5 metros
2- Planta plani-altimétrica da bacia hidráulica
1 : 5.000
de 1 em 1 metro
3- Planta plani-altimétrica das áreas de empréstimos 1 : 5.000
de 1 em 1 metro
4- Planta plani-altimétrica do local do boqueirão com nivelamento das seções de 20 em 20 metros 1 : 2.000 5- Perfil do Boqueirão
1 : 2.000 ( H )
de 1 em 1 metro de 1 em 1 metro
1 : 200 ( V ) 6- Perfil do Sangradouro
1 : 2.000 ( H )
de 1 em 1 metro
1 : 200 ( V ) ______________________________________________________________________________
Bacia Hidrográfica
Bacia Hidráulica
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Perfil do Boqueirão
Planta da Barragem
2 - ESTUDOS HIDROLÓGICOS 1) Objetivo: Definição das características hidráulicas da obra. 2) Investigações Hidrológicas: a) O rendimento hídrico do rio b) A capacidade do reservatório (evaporação, perdas eventuais, evapotranspiração, infiltração, etc) c) A quantidade d'água necessária para as finalidades da obra d) A taxa anual de deposição de sedimentos no reservatório e) A intensidade e freqüência das cheias (capacidade do sangradouro) f) As condições da água subterrânea (tipo de fundação) Bacia hidráulica = bacia de acumulação
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Bacia hidrográfica = bacia de contribuição Bacia hidrogeológica = fornecimento d´água para a bacia através de infiltração. 3) Fases de um Estudo Hidrológico: a) Coleta e reconhecimento de dados existentes b) Verificação dos dados existentes e obtenção de novos dados c) Estudos
metodológicos,
estatístico-probabilísticos
para
a
definição das leis que regem a participação dos fenômenos hidrológicos no projeto. 4) Métodos Hidrológicos para Dimensionamento das Obras: -
Racional: Leis hidrológicas deduzidas dos dados disponíveis (Rippl, Aguiar) – modelo determinístico.
-
Correlação: Utilização de dados de uma região semelhante.
-
Empírico: Específico do local.
-
Modelos Estocásticos: Séries sintéticas (geração), Simulação do balanço hídrico, Estimativa de vazões regularizadas, sangradas e evaporadas, Diagrama triangular de regularização.
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5) Determinação da Capacidade do Reservatório: Método Racional: Segundo o Engenheiro Francisco Aguiar (IFOCS): O rendimento pluvial da bacia, R%, pode ser dado por:
R % =
H
2
− 400 H +
230.000
55.000
Para precipitação entre 500 e 1.000 mm/ano (H em mm), ou R % = 0,285 − 1,13 H + 3,52 H
2
− 1,19 H
3
Para H > 1.000 mm /ano (H em m) E o volume afluente: V A
= R % HUA
onde: R% = rendimento, em percentagem H = altura de chuva, em m U = coeficiente de correção do rendimento superficial médio que é função do tipo da bacia A = área da bacia hidrográfica a partir do barramento (m2) Assim, a capacidade do reservatório será: V C
=
2V A
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6) Determinação da cheia máxima de projeto:
Q
1.150 xA
=
LC (120 + KLC )
onde: A = área da bacia hidrográfica, km 2 L = linha de fundo, em km, do riacho ou rio K = coeficiente que leva em conta a ordem dos rios que existem na bacia (tabela) C = fator de variação da velocidade média do escoamento superficial (tabela) TIPO BACIA HIDROGRÁFICA U K C _______________________________________________________________________________ 1
Pequena, íngreme e rochosa
1,3 a 1,4
0,123
0,85
2
Bem acidentada, sem depressões evaporativas
1,40
0,156
0,95
3
Média
1,00
0,204
1,00
4
Ligeiramente acidentada
0,80
0,278
1,05
5
Ligeiramente acidentada, com depressões evaporativas
0,70
0,400
1,15
6
Quase plana, terreno argiloso
0,65
0,625
1,30
7
Quase plana, terreno variável ou ordinário
0,60
1,111
1,45
Quase plana, terreno arenoso
0,50
2,500
1,60
8
_______________________________________________________________________________
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Exemplo: Orós: A = 25.000 km2; H = 860 mm/ano Tipo: 5
L = 280
km. Q
=
1.150 x 25.000 280 x1,15 (120 + 1,15 x 280 x0,4)
Q PROJ
=
=
6.440m 3 / s
5.200m 3 / s
7) Dimensionamento do sangradouro:
L
QS
=
C 0 H 0 H 0
onde: L = largura do sangradouro (m) QS
descarga máxima secular (m3/s)
H0
lâmina de sangria (m)
C0
coeficiente de descarga, função da altura do paramento de
montante e da lâmina de sangria
Exercício: Dados: -
Área da bacia hidrográfica = 50 km2
-
Precipitação média anual = 800 mm
-
Tipo da bacia: 3 (média) U = 1,0; K = 0,204 e C = 1,00
-
Tipo do sangradouro: corte em rocha
-
Linha de fundo = 10 km
-
Lâmina de sangria = 1,00 m 12
Calcular: 1. Rendimento superficial da bacia 2. Volume afluente 3. Volume acumulável 4. Cheia máxima secular 5. Largura do sangradouro Solução: 1. R % =
R % =
H
2
− 400 H +
230.000
55.000
800 2
− 400 x800 +
230.000
55.000 R % = 10
2. = R % HUA
V A V A
=
0,10 x 0,80 x1,0 x50.000.000 V A
=
4 x10 6 m 3
3. V C
=
2V A
V C
=
6
8 x10 m
3
Consulta ao diagrama cota x área x volume para determinação da cota do vertedouro. 4. QS
=
1.150 A LC (120 + KLC )
13
QS
1.150 x50
=
10 x1,0 (120 + 0,204 x10 x1,0) QS
= 148,99m
3
/ s
5. L
QS
=
C 0 H 0 H 0
corte em rocha, Co = 1,77 L
L
=
=
148,99 1,77 x1,00 1,00
84,18m......... ≅ 85,00m
3 - ESTUDOS CLIMÁTICOS As condições climáticas influem decisivamente na escolha do tipo de barragem a ser construída. Os fatores mais importantes são: a) Vento - duração, intensidade e direção b) Umidade do ar - variações c) Temperatura - máximas, médias e mínimas d) Pressão - variações Influência da umidade do ar e dos ventos nas barragens: Possibilidades de redução, por evaporação, de umidades excessivas de materiais argilosos de jazidas e conseqüentemente sobre as pressões neutras construtivas e as declividades dos taludes.
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Influência dos ventos no dimensionamento das barragens: Provocam
ondas
na
superfície
do
reservatório
que,
conseqüentemente definiram as dimensões da borda livre e a cota da crista da barragem. Influência das chuvas: Nos dias trabalháveis para as máquinas de terraplenagem e conseqüentemente sobre os prazos construtivos. Barragens de concreto: As modificações climáticas afetam as estruturas, portanto, são necessários dispositivos técnicos adequados para contornar os problemas principalmente de dilatação e contração.
4 - ESTUDOS GEOLÓGICOS OBJETIVOS: 1) Identificar os conjuntos contínuos e homogêneos, bem como determinar as suas fronteiras e as propriedades dos materiais pertencentes aos mesmos. 2)
Tentar
identificar
e
caracterizar
o
melhor
possível
as
descontinuidades eventuais.
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ÁREAS INFLUENCIADAS: 1) Fundações e ombreiras: os estudos geológicos deverão prosseguir até profundidades em que as solicitações hidráulicas e geomecânicas transmitidas pelo reservatório não tenham mais efeito. 2) Jazidas de materiais de construção: os estudos geológicos deverão fornecer todas as informações necessárias sobre as potencialidades das áreas adjacentes e próximas do local da barragem. Identificando todos os materiais disponíveis desde os solos finos argilosos até as areias e cascalhos naturais e os materiais rochosos, FASES DOS ESTUDOS GEOLÓGICOS: 1) Coleta de dados, reconhecimento de mapas geológicos e relatórios técnicos sobre a região, fotografias aéreas, pesquisas geofísicas, etc. 2) Elaboração de cartas geológicas com relatórios técnicos descrevendo os tipos de rocha e solos, falhas constatadas, os níveis da água, etc. 3) Sondagens ao longo do eixo da barragem, sangradouro e locais de empréstimos e pedreiras.
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5 - ESTUDOS GEOTÉCNICOS OBJETIVO: Os estudos geotécnicos consistem das caracterizações dos solos e rochas, ou seja, são classificados quanto às propriedades geomecânicas e hidráulicas. O meio de obter-se essas características é através de ensaios de campo e laboratório realizados em amostras dos solos e rochas. ENSAIOS: Para os solos:
Para as rochas:
Granulometria
Resistência às intempéries
Limites físicos de Atterberg
Massa específica
Densidade de campo
Abrasão, etc.
Umidade Permeabilidade Proctor Resistência à penetração Adensamento Cisalhamento Expansibilidade Dispersividade, etc Materiais: Ocorrência, usos de disponibilidade. Locação da barragem do vertedouro e da tomada d´água.
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6 - ESTUDOS SÓCIO-ECONÔMICOS Consiste na elaboração de um quadro de fatores sócio econômicos que serão influenciados pela construção da barragem. A análise dos fatores vantajosos e prejudiciais definirão quanto a viabilidade da obra.
7 - ESTUDOS ECOLÓGICOS Os estudos de projeto devem limitar ou até eliminar os riscos de danos temporários ou permanentes ao meio ambiente. Os principais cuidados são: 1- As jazidas devem ser exploradas sem causar erosão e transporte de sedimentos para os rios. 2- As modificações introduzidas na paisagem (impactos ambientais) pela obra (ações) devem ser suavizadas e cicatrizadas através de tratamentos corretivos (medidas mitigadoras) que também devem ser compatibilizados com a segurança e desempenho da barragem. 3- As lamas especiais deveram ser conduzidas de forma a evitar o despejo de resíduos dentro do rio usando-se tanques de decantação.
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8 - ESTUDOS AGROLÓGICOS Tipos de culturas que podem ser desenvolvidas na região. Demanda d´água para o cultivo.
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