DIMENSIONAMENTO DE FILTROS
“Até o meio da barragem faço tudo para a água não chegar. A partir daí faço tudo para a água sair da maneira que quero” “Arthur Casagrande”
IV .8- DIMENSIONAMENTO DE FILTROS
IV.8.1- FILTROS EM GERAL O projeto de um filtro deve ter como base fundamental a granulometria do material a ser empregado. Esta granulometria deve ser tal que: a) As partículas menores se acomodem nos vazios entre as partículas maiores, de modo que o conjunto atue sempre como camada filtrante, ou seja, o material sólido deve ser retido e a água consiga percolar com facilidade. Quando tal ocorre, a água que surge a jusante do filtro se apresenta límpida e isenta de material sólido; b) O material mais fino seja retido pelo filtro, evitando o carreamento de partículas sólidas e, conseqüentemente, a formação de erosão regresssiva (“piping”); c) Os vazios do material do filtro devem ser suficientemente pequenos, de forma que impeçam a passagem das partículas do solo a ser protegido; d) os vazios do filtro devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre drenagem das águas e o controle de forças de percolação, impedindo o desenvolvimento de altas pressões hidrostáticas, isto é, a carga dissipada no filtro.
IV.8.2- CRITÉRIOS PARA O DIMENSIONAMEN DIMENSIONAMENTO TO DE FILTROS Com o objetivo de atender aos requisitos citados em IV.8.1, com base na sua experiência profissional, Terzaghi Terzaghi propôs, em 1922, relações entre os diâmetros d15 e d85 do material de base, com o diâmetro D D15, do material de filtro, expressas pelas duas inequações:
IV .8- DIMENSIONAMENTO DE FILTROS
IV.8.1- FILTROS EM GERAL O projeto de um filtro deve ter como base fundamental a granulometria do material a ser empregado. Esta granulometria deve ser tal que: a) As partículas menores se acomodem nos vazios entre as partículas maiores, de modo que o conjunto atue sempre como camada filtrante, ou seja, o material sólido deve ser retido e a água consiga percolar com facilidade. Quando tal ocorre, a água que surge a jusante do filtro se apresenta límpida e isenta de material sólido; b) O material mais fino seja retido pelo filtro, evitando o carreamento de partículas sólidas e, conseqüentemente, a formação de erosão regresssiva (“piping”); c) Os vazios do material do filtro devem ser suficientemente pequenos, de forma que impeçam a passagem das partículas do solo a ser protegido; d) os vazios do filtro devem ser suficientemente grandes de forma que propiciem a livre drenagem das águas e o controle de forças de percolação, impedindo o desenvolvimento de altas pressões hidrostáticas, isto é, a carga dissipada no filtro.
IV.8.2- CRITÉRIOS PARA O DIMENSIONAMEN DIMENSIONAMENTO TO DE FILTROS Com o objetivo de atender aos requisitos citados em IV.8.1, com base na sua experiência profissional, Terzaghi Terzaghi propôs, em 1922, relações entre os diâmetros d15 e d85 do material de base, com o diâmetro D D15, do material de filtro, expressas pelas duas inequações:
D15 // d15 > 4 4a5
4 a 5, e D15 // d85 < 4
Denominadas, respectivamente, de relação relação de de permeabilidade permeabilidade e relação de de estabilidade (“piping ratio”). Outros requisitos foram posteriormente acrescentados aos critérios de Terzaghi. Por exemplo, o 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:
D50 filtro filtro / d50 solo < 25 25, Para se evitar o movimento de partículas do solo dentro do filtro, e um coeficiente de uniformidade do filtro não superior a 20, para assegurar que não haja segregação. Sherard et al (1976) citam outras regras comumente utilizadas: - a curva granulométrica do filtro deve apresentar, aproximadamente, a mesma forma da curva do solo protegido; - quando um solo a ser protegido contém uma grande porcentagem de pedregulhos, o filtro deve ser projetado com base na curva granulométrica da porção do material que é mais fino que a peneira de 25,4 mm de abertura. (Gaito, 2003)” D(ij) e d(ij) correspondem às ordenadas “ij”% do material que passa nas peneiras. Isso significa que o material possui ij% dos grãos mais finos. Para pequenas barragens, Bureau of of Reclamation Reclamation (2002) recomenda:
“a) D(15) do filtro / D(15) da base maior ou igual a 5. ( O filtro não deve ter mais de 5% de grãos passando na peneira N o 200 – diâmetro igual a 0,075 mm.); b) D(15) do filtro / D(85) da base menor ou igual a 5; c) D(85) do filtro / diâmetro dos furos no tubo de drenagem ( ou da malha do poço de alívio) maior ou igual a 2; No anterior, D(ij) corresponde à ordenada “ij”% do material que passa nas peneiras. Isso significa que o material possui ij% dos grãos mais finos.” Apresenta-se na Figura IV.8.1 e Figura IV.8.2, detalhes de filtros de proteção contra “piping”.
Figura IV.8.1- Detalhes de filtros de proteção contra “piping” (in Bordeaux, 1980).
Figura IV.8.2- Detalhes de filtros de proteção contra “piping” (in Vargas, 1977). Detalhes sobre a curva granulométrica de um solo são apresentados no Capítulo XX. Na Figura IV.8.3 apresenta-se um detalhe da faixa de variação granulométrica de um filtro, adotando-se:
- D15-Filtro < 4 a 5 D85-Solo e -
D15-Filtro > 4 a 5 D15-Solo
Figura IV.8.3- Escolha da faixa de variação granulométrica do filtro (a partir dos pontos A e B determinados, são traçadas curvas paralelas à curva granulométrica do solo)
Pinto (2000), utilizando:
- D15-Filtro > 5 D15-Solo e, - D15-Filtro < D85-Solo, apresenta a Figura IV.8.4 e faz as seguintes considerações: “No exemplo indicado na Figura, o material P não é um bom filtro para o solo S, porque não é muito mais permeável do que ele, enquanto que o material R não é adequado por ser muito mais grosso e, eventualmente, permitir a passagem de finos do solo S pelos seus vazios. O material Q é o que satisfaz as duas condições.”
Figura IV.8.4- Materiais para filtros de proteção (in Pinto, 2000).
FILTRO VERTICAL
“Karl
Terzaghi na obra da Barragem de Vigário, em Piraí-RJ, no início da década de 1950, por conta das peculiaridades regionais do solo, idealizou o dreno vertical, ou filtro chaminé, como elemento de drenagem interna de barragens de terra homogêneas. (....) Desde então, sua solução pioneira tem sido bastante difundida e muitas barragens foram construídas com o dreno chaminé, tanto no Brasil como no exterior. “Historia da Engenharia Geotécnica no Brasil, ABMS, 2010”
IV.9- FILTRO VERTICAL
Os filtros em chaminé podem ser verticais ou inclinados, Figura IV.9.1, devendo a escolha por um desses tipos ser feita criteriosamente no desenvolvimento do projeto da barragem.
O filtro vertical foi utilizado pela primeira vez no Brasil na barragem do Vigário em 1948 (Figura IV.9.2), tendo sido projetado por K. Terzaghi.
O filtro vertical representou no Brasil uma evolução no conceito de drenagem, e a barragem de seção homogênea com dreno vertical e horizontal constitui um modelo de “Barragem Brasileira” seguido por um grande número de projetos de barragens em outros paises. Só mais recentemente é que os drenos inclinados (Figura IV.9.1) vem sendo introduzidos em barragens de maior altura (Cruz, 1995).
Drenos verticais do tipo chaminé somente são recomendados para barragens até 25 a 30m de altura. Para maiores alturas, o dreno inclinado propicia uma melhor distribuição de tensões no maciço, evitando a inclusão de uma parede vertical de areia, de rigidez sempre muito superior a do maciço adjacente, mesmo em se tratando de enrocamentos (Cruz, 1995).
Figura IV.9.1 – Exemplo de filtro vertical e filtros inclinados.
Os filtros verticais geralmente são projetados em uma espessura variando de 0,9 a 2,0m, sendo que na maioria dos casos, essas espessuras são fixadas por motivos de ordem construtiva, ou seja, de acordo com as dimensões mínimas dos equipamentos de construção.
A altura dos filtros verticais geralmente é a altura do nível d’água no reservatório, podendo ser construídos com alturas menores, isto dependendo das especificações do projeto, após criteriosa análise das linhas de percolação no maciço e de sua estabilidade.
Figura IV.9.2- Barragem do Vigário (Sherard et al.,1963) (in Cruz, 1996).
Os filtros devem ser construídos com areia de granulometria previamente estabelecida, a qual deve ser devidamente compactada durante a execução. Apresenta-se na Figura IV.9.3 o contato entre o solo de um aterro compactado e a areia do filtro. Na Figura IV.9.4 apresenta-se um aterro e filtro vertical em construção.
Figura IV.9.3- Contato entre o solo do aterro e o filtro de areia.
Figura IV.9.4- Aterro e filtro vertical em construção O filtro em chaminé 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. Este material deve satisfazer, simultaneamente, aos dois requisitos de filtragem e drenagem da água percolada através da barragem, ou seja, os seus 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 (Gaioto, 2003). Os métodos executivos dos drenos verticais podem ser de duas maneiras:
1- Lançamento e compactação de areia acompanhando o avanço da barragem de terra. Partindo-se da base, sobre o filtro horizontal já construído, executa-se o filtro vertical com areia até certa altura, na largura
especificada pelo projeto, e após constrói-se o aterro lateralmente, até a altura do filtro. Repete-se o processo até atingir-se a altura final do filtro, especificada pelo projeto. Apresenta-se na Figura IV.9.5 (1) e Figuras IV.9.6 a IV.9., detalhes da construção deste filtro.
2- Partindo-se da base, sobre o filtro horizontal já construído, constróise algumas camadas de aterro, e depois, no local do filtro, procede-se à retroescavação de uma vala no aterro, com a largura especificada para o filtro, até encontrar-se a camada de areia do dreno horizontal. Dentro da vala, procede-se a limpeza da areia contaminada com solo no dreno horizontal e, após isto, procede-se o enchimento da vala com a areia do filtro e executa-se sua compactação. Repete-se o processo até atingir-se a altura de filtro, especificada no projeto. Na Figura IV.9.5 (2), Figura IV.9.6 e Figuras IV.9.10 a IV.9.18, são apresentados detalhes da construção do filtro vertical de uma barragem, através deste procedimento. Na Figura IV.9.19 apresentase um filtro vertical construído junto ao núcleo impermeável. Rosa, 1983, apresenta a seguinte seqüência para construção do filtro vertical: a) lançamento da última camada de areia sem compactação; b) cobertura da areia com material terroso e compactação das duas primeiras camadas com rolo liso; c) avanço normal do aterro até a altura pré-determinada (H), com acompanhamento topográfico deste limite; d) escavação do aterro com retroescavadeira até chegar no material arenoso. Normalmente perde-se 20 cm de areia devido a mistura com terra, que é provocada pelos dentes da caçamba da retro, durante a escavação; e) e finalmente, o preenchimento do dreno vertical em camadas préestabelecidas, espalhadas manualmente ou mecanicamente, compactadas com vibradores e jatos d’água. Quando são necessários grandes volumes de produção diária, o método da retroescavação do aterro é mais vantajoso, pela sua alta produtividade e maior eficiência no controle de tráfego dentro da barragem.
Em cada corte do aterro para construção do filtro, obrigatoriamente, uma camada de areia ( ≅ 20 cm) é perdida devido ao revolvimento e mistura do material. Quanto maior o número de cortes, tanto maior serão as perdas em volume de material. Por exemplo, para cada 100m de comprimento de barragem, para filtro de 1m de largura, 20m 3 de areia serão perdidos por corte. Em termos de quantas camadas se compactar antes de proceder a retroescavação para construção do filtro vertical, o que se sugere nestes casos específicos (Rosa, 1983) são testes, efetuados durante o início da obra, a fim de determinar a altura de corte em função de: tipo de material terroso, umidade ótima deste material e tipo de equipamento disponível ou a ser adquirido pelo empreiteiro, para efetuar a retroescavação. Por exemplo, durante a execução da barragem de terra da usina hidroelétrica de Itumbiara, chegou-se à conclusão que a altura ideal de corte para o filtro vertical era em torno de 4,00m. Nesta barragem a largura do filtro vertical foi de 1,50m. Quanto à compactação das camadas de areia (Rosa, 1983), a experiência mostra que, o grau de compactação requerido é alcançado mais depressa, com um número menor de passadas do compactador, por causa do confinamento a que o material (areia) esta submetido. Dessa maneira, testes para determinação da altura das camadas e do número de passadas dos compactadores (e seus tipos disponíveis pelo empreiteiro) devem ser feitos. No próprio aterro experimental, normalmente executado para determinar os equipamentos e grau de compactação das argilas e siltes, poderia ser feito o mesmo para as areias, nas valas.
Figura IV.9.5- Detalhes da construção de filtros verticais (Rosa, 1983)
Figura IV.9.6 – Detalhes da construção de filtro vertical (Rosa, 1983)
Figura IV.9.6- Filtro vertical em construção. Lançamento de areira (k ≥ 1 x 10 2)
Figura IV.9.7- Filtro vertical em construção. Lançamento de areira (k ≥ 1 x 10 2)
Figura IV.9.8- Execução de filtro inclinado entre o núcleo impermeável e o espaldar de jusante (k ≥ 1 x 10-2).
Figura IV.9.9- Filtro vertical em construção. Lançamento de areia (k ≥ 1 x 102).
Figura IV.9.10- Escavação do aterro para a construção do filtro.
Figura IV.9.11- Colocação de areia na vala escavada no aterro.
Figura IV.9.12- Colocação de areia na vala escavada no aterro.
Figura IV.9.13- Areia colocada na vala escavada no aterro.
Figura IV.9.14- Preparação da areia para compactação.
Figura IV.9.15- Compactação da areia.
Figura IV.9.16- Areia compactada.
Figura IV.9.17- Areia Compactada.
Figura IV.9.18- Lançamento de água.
Figura IV.9.19- Filtro vertical de areia construído junto a um núcleo impermeável.
FILTRO HORIZONTAL
“In soil mechanics, no evidence can be considered reasonably adequate until there is sufficient field experience to determine whether the phenomena observed in the laboratory are indeed the same as those that operate in the field” “Ralph Peck”
IV .10- FILTRO HORIZONTAL OU TAPETE DRENANTE
Toda água coletada pelo filtro chaminé e também toda água que percola através da fundação, deve ser conduzida para o pé de jusante da barragem através do filtro horizontal, que tem como finalidade transportar água através da barragem e servir de transição para os materiais mais finos. As vazões que percolam através das fundações geralmente são bem maiores que as que percolam através do aterro, devido ao aterro ser construído com material compactado e a fundação se encontrar em seu estado natural. É necessário que, no dimensionamento dos tapetes drenantes, se trabalhe com coeficientes de segurança ainda maiores que os adotados no projeto dos filtros em chaminé, principalmente levando-se em conta que, no caso de um funcionamento deficiente do filtro em chaminé, o tapete drenante funciona como defesa adicional; por outro lado, no caso de um mal funcionamento do tapete drenante, o filtro chaminé resultará inoperante. 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. Por este motivo, se ele for construído com o mesmo material do filtro em chaminé, deverá apresentar uma espessura excessivamente grande. Para diminuir esta espessura, utiliza-se o chamado filtro sanduíche, com a introdução de uma ou mais camadas internas de materiais drenantes, de maior permeabilidade (Gaioto, 2003). O dreno horizontal deve atender três condições (Rosa, 1983):
1- graduação de materiais, tal que impeça os mais finos, do maciço de jusante (acima dele) e da fundação (caso dela ser em solo), de serem carreados provocando a erosão interna (pipping); 2- capacidade suficiente para absorver e transportar todas as águas provenientes do dreno vertical e fundação; 3- permeabilidade suficiente, para que as águas da fundação percolem livremente, sem provocar altas pressões de baixo para cima no aterro de jusante. Apresenta-se na Figura IV.10.1, exemplos de tapete drenante. Apresenta-se na Figura IV.10.2 exemplo do tapete drenante tipo sanduíche de uma barragem. Apresenta-se na Figura IV.10. 3 detalhes dos tipos de tapete drenante utilizados na barragem de Itumbiara. Apresenta-se nas Figuras IV.10.4 a Figura IV.10. 24, fotos da construção de tapetes drenantes de barragens.
Figura IV.10.1- Exemplos de Tapete Drenante.
Figura IV.10.2 - Tapete drenante tipo sanduíche (Rosa, 1983).
Figura IV.10.3- Tapetes drenantes da barragem de Itumbiara (Rosa, 1983).
Figura IV.10.4– Lançamento de areia para construção do tapete drenante.
Figura IV.10.5– Lançamento de areia para construção do tapete.
Figura IV.10.6– Lançamento de areia para construção do tapete.
Figura IV.10.7– Lançamento de areia para construção do tapete.
Figura IV.10.8– Umedecimento da areia do tapete drenante.
Figura IV.10.9- Vista aérea de um tapete drenante tipo “Francês”.
Figura IV.10.10- Vista aérea de um tapete drenante tipo “Francês”
Figura IV.10.11- Tapete drenate tipo “Francês”.
Figura IV.10.12- Detalhe do dreno para retirada de água captada pela camada de areia.
Figura IV.10.13- Detalhe do dreno para retirada de água captada pela camada de areia.
Figura IV.10.14 –Tapete drenante tipo sanduíche. Camada de brita sendo lançada sobre camada de areia.
Figura IV.10.15- Barragem de terra – Margem direita – Filtro horizontal.
Figura IV.10.16- Filtro horizontal a jusante do eixo – Ao fundo, início do lançamento de Saprolito (micaxisto alterado) – camada solta de 25cm.
Figura IV.10.17- Filtro horizontal tipo sanduíche – Lançamento da primeira camada (k -2 ≥1 x 10 cm/seg).
Figura IV.10.18- Filtro horizontal tipo sanduíche – Lançamento da primeira camada -2 sobre a fundação – Areia (k ≥1 x 10 cm/seg).
Figura IV.10.19- Filtro horizontal tipo sanduíche – Lançamento da camada de camada de cascalho lavado (k > 0,50cm/s) sobre a camada de areia – Espessura de 0,60 metros.
Figura IV-9-20- Filtro horizontal tipo sanduíche – Lançamento da camada superior de -2 areia (k ≥1 x 10 cm/seg).
Figura IV-9-21- Início do lançamento do solo de aterro a ser compactado sobre o filtro horizontal tipo sanduíche já executado.
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Figura IV-9-22- Execução de filtro horizontal – Areia com k ≥1 x 10 cm/seg – Espessura acabada de 1,00 metro.
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Figura IV-9-23- Execução de filtro horizontal – Areia com k ≥1 x 10 cm/seg.
