Unidade 05 - BARRAGENS DE TERRA E ENROCAMENTO · 2018. 12. 3. · A barragem de Passo Severino,...
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Geotercnia de Fundações e Obras de Terra Prof. M. Marangon
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Unidade 05 - BARRAGENS DE TERRA E ENROCAMENTO
INTRODUÇÃO
5.1- Definição e objetivos
Barragem pode ser definida como sendo um elemento estrutural, construída
transversalmente à direção de escoamento de um curso d’água, destinada a criação de um
reservatório artificial de acumulação de água.
Os objetivos que regem a construção de uma barragem são vários e os principais se
resumem em :
a) aproveitamento hidrelétrico
b) regularização das vazões deo curso d’água para fins de navegação
c) abastecimento doméstico e industrial de água
d) controle de inundações
e) irrigação
Os objetivos acima citados poderão ser explorados individualmente ou em conjunto. Se,
por exemplo, uma baragem é implantada com a finalidade imediata de obtenção de energia
elétrica, outras atividades ditas secundárias poderam ser também desenvolvidas correlatamente.
Assim é que os aspectos como recreação, piscicultura, saneamento, etc., são comumente
desenvolvidos. Um exemplo característico pode ser a barragem de Barra Bonita no Rio Tiête (
Estado de São Paulo ), cujos objetivos principais foram a obtenção de energia elétrica ( potência
de 122 000 kW ) e a regularização do rio para fins de navegação. O projeto sugere também uma
reserva de vazão média diária de 4m3/seg.,para fins de irrigação de áreas circunvizinhas.
Posteriormente foi desenvolvido também o turismo, através da recreação em certas áreas do
reservatório, e se resume na prática dos esportes aquáticos, com a implantação de clubes de
campo e hotéis neste locais.
5.2 - Elementos de uma barragem
As definições expostas a seguir tem a
finalidade apenas de orientar e alxiliar a
compreenção da importância da geologia,
nos trabalhos de construção de barragens.
Outros elementos encontrados no conjunto de obras que compõem uma barragem são:
a) ensecadeira - destinada a desviar as águas do leito do rio, total ou parcialmente, com o
objetivo de permitir o tratamento das fundações nessas áreas e, às vezes, nas áreas das planícies
de inundação, possibilitando a comstrução em seco dso diques de terras ou estrutura de concreto.
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As ensecadeiras mais comuns são aquelas construídas com terras e blocos de rocha. Em alguns
casos, é necessária a utilização de chapas metálicas ou diafragmas impermeáveis.
b) túneis de desvio - possuem a mesma finalidade das ensecadeiras, sendo porém,
construídos em cursos d’água com vales íngremes, e quando possível, nos locais onde existam
curvas. Em muitos casos, o túnel de desvio é usado posteiormente como túnel de adução, para
transportar as águas do reservatório para a casa das máquinas.
c) vertedouro - seu objetivo é
funcionar como um dispositvo de segurança,
quando a vazão do curso d’água assumir
valores que tornem a estabilidade da baragem
perigosa, ou impedir que o nível máximo
estabelecido para a barragem cause prejuísos
às propiedades agrícolas ou industrias a
jusante da barragem. A capacidade do vertor
é calculada para permitir o escoamento
máximo ( enchente catastrófica ), que poderia
ocorrer na secção da barragem.
d) tomada d’água - representa o conjunto de obras que permite a retirada, do resevatório,
da água a ser utilizada, seja para a obtenção de energia ou para outros fins. O tipo de tomada
d’água varia com o tipo de barragem. Assim, as barrragens de concreto, a tomada d’água consiste
geralmemte em um conduto que pode se desenvolver através do maciço da barragem ou em sua
proximidade, enquanto na barrragem de terra, aparece nas ombreiras do resevatório.
5.3 Tipos de barragens
As barragens podem ser classificadas em diferentes tipos, de acordo com o seu objetivo,
seu projeto hidráulico e os tipos de materiais empregados na sua construção. Com relação a este
aspecto, as barragens podem ser classificadas em:
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1. Concreto
a) Gravidade
b) Arco
2. Terra
3. Enrocamento
VISTA DE UMA BARRAGEM DE TERRA EM QUE SÃO IDENTIFICADOS OS PRINCIPAIS ELEMENTOS
GEOMÉTRICOS DENTRE ELES ESTRUTURAS DE CONCRETO
5.3.1 - Barragens de Concreto
Uma das mais antigas barragens de concreto foi construída no Egito, em torno do ano
4.000 A.C., sendo a relação largura da base x altura estimada em 4:1. Hoje em dia, tem sido
possível a construção de barragens imensas, como a Hoover Dam nos Estados Unidos, com 221
metros de altura, sendo a relação da largura da base para a altura, considerável, ou seja, menos de
1:1.
- Barragens de Concreto - Gravidade
É o tipo de barragem mais resistente e de menor custo de manutenção. Este tipo pode ser
adaptado para todos os locais, mas a sua altura é limitada pela resistência das fundações. Quando
são constituídas de material de aluvião incoerente, a altura dessas barragens tem sido limitada a
20m. No caso da fundação ser de rocha sã, porém situada a considerável profundidade da
superfície do terreno, é mais adequado e econômico construir-se uma barragem de terra, porque a
mesma não necessita repousar sobre fundação em rocha e assim avita-se uma quantidade de
escavação.
Comparadas com as barragens de terra ou de enrocamento, as de concreto tipo gravidade
são de maior custo.
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- Barragens de concreto - Arcos
São mais raras, uma vez que o comprimento dessas barragens deve ser pequeno em
relação à sua altura, o que exige a presença, nas encostas do vale, de material rochoso adequado e
de grande resistência, capaz de suportar os esforços a elas transmitidos. Essas barragens são mais
comuns na Europa, onde os vales são profundos e fechados.
5.3.2 - Barragens de Terra
Desde os tempos antigos, barragens de terra foram construídas com a finalidade de
armazenar água para irrigação, sendo algumas das estruturas de tamanho considerável, como por
exemplo, uma construída no Ceilão no ano 504 A.C., que possuía 17 quilômetros de
comprimento, 21 metros de altura e contendo cerca de 15 milhões de metros cúbicos de material.
Antigamente todas as barragens de terra eram projetadas por métodos empíricos e a literatura de
engenharia está repleta de registros de ruptura e acidentes dessas barragens. Somente a partir de
1.907, surgiram os primeiros procedimentos racionais para projeto dessas obras. Atualmente tais
procedimentos permitem a construção de barragens de terra com mais de 150 m de altura. No
Estado de São Paulo, a barragem de Xavantes no Rio Paranapanema, atinge 90 m de altura.
A fotografia ilustra um
exemplo de barragem (de
concreto) com finalidade de
geração de energia elétrica
no Rio Paraibuna, próximo
à Juiz de Fora, conhecido
como Usina Quatro.
Local que aproveita a
ocorrência de um grande
desnível no curso do rio.
Abaixo da fotografia vê-
se o barramento de
concreto, ao centro o canal
que conduz água a dois
dutos forçados que chegam
a casa de força para a
produção de energia
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As barragens de terra são as mais elementares obras de barragens e normalmente se
prestam para qualquer tipo de fundação, desde a rocha compacta, até terrenos construídos de
materiais incosolidados. Esses últimos, aliás, são seu campo típico de aplicação. Existe uma certa
variabilidade no tipo de barragem de terra, que poderá ser homogêneo ou zonado.
a) Homogêneo - é aquele composto de uma única espécie de material, excluindo-se a
proteção dos taludes. Nesse caso, o material necessita ser suficientemente impermeável, para
formar uma barreira adequada contra a água, e os taludes precisam ser relativamente suaves, para
uma estabilidade adequada.
b) Zonado - esse tipo é representado por um núcleo central impermeável, envolvido por
zonas de materiais consideravelmente mais permeáveis, zonas essas que suportam e protegem o
núcleo. As zonas permeáveis consistem de areia, cascalho ou fragmentos de rocha, ou uma
mistura desses materiais.
5.3.3 - Barragens de Enrocamento
Esse tipo de barragem é aquele em que são utilizados blocos de rocha de tamanho
variável e uma membrana impermeável na face de montante. O custo para a produção de grandes
quantidades de rocha, para a construção desse tipo de barragem, somente é econômico em áreas
onde o custo do concreto fosse elevado ou onde ocorresse escassez de materiais terrosos e
houvesse, ainda, excesso de rocha dura e resistente. Devemos lembrar que a rocha de fundação
adequada para uma barragem de enrocamento pode não ser aceitável para uma de concreto.
A rocha que deve preencher a maior parte da barragem precisa ser inalterada pelo
intemperismo, não sendo facilmente desintegrada ou quebrada. Rochas que, quando sujeitas à
ação de explosivos, fragmentam-se facilmente em pedaços muito pequenos, com elevada
porcentagem de lascas e pó, são igualmente inadequadas. As rochas para essas barragens,
devendo ter resistência ao intemperismo físico e químico, gnaisse, diabásio, etc. Os blocos de
rocha são colocados de modo a se obter o maior contato entre suas superfícies e os vazios entre
elas, que são preenchidos por material de menor tamanho.
- Exemplo de Barragem de Terra construida
Um exemplo de Barragem de Terra associada a uma de enroncamento citamos:
A barragem de Passo Severino, situa-se na bacia hidrológica do rio Santa Lucia, 70Km ao
norte da cidade de Montevideo, Uruguai,. Destina-se a formar um reservatório de acumulação de
águas no rio Santa Lucia e mater uma vazão mínima regulada em 8m3/s, a jusante, onde está
instalada a toma da de água para abastecimento da cidade de Montevideo e municípios vizinhos.
A obra de barramento consta de uma estrutura vertedora em concreto, com comprimento
de 71,2m implantada no leito natural do rio, uma tomada d’água na sua extremidade direita, dois
maciços de solo e rocha compactados, sendo um de cada lado da estrutura vertedora e uma
estrutura complementar para extravasamento de grades enchentes (Sangradouro), situada numa
sela topográfica da margem direita. O comprimento total das obras de barramento é de 2.300m e
sua altura máxima é de 28m . A Figura 1 mostra a localização geral da obra e as seções típicas de
cada uma das estruturas componentes.
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SEÇÃO TÍPICA DO VERTEDOURO
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5.4 - Seleção do Tipo de Barragem
A escolha do tipo mais adequado de barragem, para um determinado local de um curso
d’água, depende dos seguintes aspectos:
1) Segurança da Obra - ligada às características inerentes do próprio local: condições
geológicas, configuração do vale e dimensões da obra.
2) Custo da obra - em função do preço e disponibilidade do material. A ausência, por
exemplo, de rocha resistente do tipo granito,gnaisse, basalto ou diabásio, para ser usada como
agregado para concreto, “rip-rap” ou enrocamento, ou de cascalho, para os mesmos fins, pode
causar alterações profundas no custo da obra.
Além desse critérios, deve ser considerada uma série de fatores físicos que governam a
seleção do tipo de barragem.
A não ser em condições excepcionais, mesmo o mais experimentado projetista é incapaz
de dizer se um determinado tipo de barragem é adequado ou mais econômico para um dado local.
LEGENDA
1- Argila
2- Saprolito
3- Areia
4a- Pedra Britada Fina
4b- Pedra Britada Grossa
5- Enrocamento ( máx.= 0,60)
5a- Enrocamento Fino ( máx=0,30)
6- Enrocamento Selecinado (Riprap)
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Na seleção do melhor tipo de barragem para um determinado local, devem ser consideradas as
características físicas do local, o objetivo da obra, fatores econômicos, de segurança, etc.
Normalmente, o maior fator individual que determina a escolha final é o custo da construção. Os
fatores físicos, expostos a seguir, são também importantes.
5.4.1 - Topografia
À primeira vista, a topografia determina as primeiras alternativas para o tipo de barragem.
É claro que, se o local estudado estiver localizado num vale estreito com paredes rochasas, a
sugestão será de uma barragem de concreto. É o caso da barragem do Funil, no Rio Paraíba.
Porém, em áreas de topografia aplainada e vales bastante abertos, indica-se normalmente a
barragem de terra. É o exemplo das barragens de Jupiá e Ilha Solteira, no Rio Paraná ou de
Promissão, no Rio Tietê. Existem, é claro, os casos intermediários.
5.4.2 - Geologia e Condições das Fundações
As condições das fundações dependem da espessura e características físicas, químicas e
minerológicas da rocha, que suportará o peso da barragem. Aquelas características incluem a
permeabilidade, a presença ou não de determinadas estruturas, como acamamento, xistosidade,
dobras, fraturas, etc. As condições estão diretamente ligadas com a altura da barragem, isto é, as
considerações diferem para uma barragem baixa e uma alta. Normalmente, são encontradas as
seguintes condições de fundações:
1) - Rocha Sã e Sólida - normalmente aceita qualquer tipo de barragem. Inclui, via de regra, a
escavação da camada superficial quando alterada (mesmo sendo rocha) e tratamento eventual por
injeção, para consolidação.
2) - Sedimentos (Aluviões) - incluem os cascalhos, areias, siltes e argilas. Os cascalhos estão
sujeitos à intensa percolação, os siltes e as areias ocasionam recalques e percolação, e as argilas
sofrem recalques, principalmente quando saturadas de água. Dependendo do tipo de barragem, da
sua altura e com aplicação de tratamentos adequados, qualquer desses materiais poderá ser
utilizado.
5.4.3 - Materiais de Construção
Os materiais necessários para a construção de uma barragem são vários e devem estar
localizados o mais próximo possível do local da barragem. Esses materiais são os seguintes:
a) solos, para os diques de terra.
b) rocha, para do diques de enrocamento e proteção dos taludes.
c) agregado, para concreto, que inclui areia, cascalho natural e pedra britada.
d) areia, para filtros e concretos.
5.5 - Fases Gerais no Estudo de Barragens
A implantação de uma barragem em determinado curso d’água envolve sempre uma
sequencia natural de trabalho. Toda obra de vulto agrupa diferentes turmas especializadas de
técnicos, com a finalidade de seguirem, à medida do possível, os seguintes ítens:
5.5.1 - Levantamento Topográfico
Analisa as características geográficas e topográficas do curso a ser estudado. A função
desse levantamento é a de preparar plantas topográficas que permitam verificar as secções
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transversais mais favoráveis para uma barragem, calcular a área de inundação das secções
escolhidas e obter o perfil longitudinal do curso d’água.
O método mais moderno para a obtenção de mapas topográficos é o uso da
aerofotogrametria, com o levantamento de mapas por meio de fotografias aéreas e de pontos de
controle altimétrico de campo.
5.5.2 - Dados Hidrológicos
Um grupo de técnicos especializados se encarrega de definir as características
hidrológicas da bacia hidrográfica do curso d’água estudado.
Trata da obtenção direta de valores de vazão através de leituras diárias, que permitem
calcular as vazões médias, diárias, mensais e anuais. Lembrando que a potência de uma barragem
é função da vazão do curso na secção da barragem e do seu desnível, pode-se perceber a
importância dos cálculos de vazão. Alguns exemplos típicos de vazões médias são fornecidos
pelo Rio Sapucaí Paulista que, no período de 1931 a 1962, apresentou nas suas cabeceiras (São
Joaquim da Barra), para uma bacia de 3.880 Km2, uma vazão média de 67 m
3/seg. Na sua parte
baixa (São Domingos), a bacia desse rio abrange uma área de 6.070 Km2, e a vazão passa para
100 m3/seg.
O Rio Pardo, messe mesmo período (1931 - 1962), apresentou vazão média nas
cabeceiras (São José do Rio Pardo) de 83 m3 por segundo, para uma bacia de 3.850 Km
2. Na
parte média (portanto, sem receber ainda seu afluente Mogi-Guaçu) e nas proximidades de
Ribeirão Preto, para uma bacia de 10.500 Km2, a vazão é 161 m
3/seg, e na sua parte baixa (São
Bartolomeu, Viradouro), a vazão passa a 420 m3/seg.
No Rio Tietê, para o qual uma série de aproveitamentos hidrelétricos estão sendo
desenvolvidos, podemos considerar como vazões média as seguintes:
5.5.3 - Mapeamento e Estudo Geológico
Este assunto já foi visto na unidade 01 deste curso de “Tópicos em Geotecnia e Obras de
Terra” quando estudamos conceitos de Geologia Aplicada à Engenharia.
Os trabalhos de geologia, realizados numa área onde se pretente implantar uma barragem,
se apóiam no desenvolvimento de ítens fundamentais:
1) - Mapemamento geológico da área
2) - Estudo da rocha de fundação
3) - Estudo dos materiais de construção
Para o esclarecimento desses três ítens, é normal a separação dos trabalhos geológicos em
duas etapas distintas, que se resumem nos trabalhos preliminares e nos de detalhe. No primeiro
caso, os trabalhos são de caráter apenas estimativo, uma vez que a geologia da área, o tipo da
rocha de fundação e os materiais de construção disponíveis são determinados com a finalidade de
reconhecimento apenas. Os dados colhidos nos trabalhos preliminares, e no caso dos mesmos
serem favoráveis para a localização de uma barragem, irão servir apenas de base para os
trabalhos de detalhe.
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5.5.4 - Planejamento
As informações obtidas nos ítens anteriores pelo levantamento topográfico (perfil
longitudinal do rio, secção transversal, área a ser inundada), pela hidrologia (vazão do curso nas
alternativas propostas), pelo mapeamento geológico (mapa dos tipos de rochas e solos existentes
na área, tipo da rocha de fundação, estudo dos materiais de construção, etc.), irão permitir aos
projetistas do setor de planejamento escolherem o tipo de barragem mais adequado e suas
dimensões.
5.5.5 - Orçamento
Este grupo analisa posteriormente os projetos propostos pelo grupo de planejamento.
Estimando a quantidade e respectivo preço dos materiais de construção a serem utilizados na
obra, as escavações de terra e rocha a serem utilizadas, as indenizações das propriedades e terras
a serem inundadas, etc., é possível calcular-se o preço do kw a ser obtido e em função do seu
valor, escolher e aprovar, ou não, os projetos sugeridos.
5.6 - Exemplo de Barragens Brasileiras
Em seguida, são dados alguns exemplos de situações geológicas e características de
algumas barragens brasileiras.
a) Barragem de Barra Bonita, no Rio Tietê, Estado de São Paulo
É uma barragem de concreto, com uma potência de 132 MW.
Sua altura máxima é de 24 m, sua extensão de 483 m e o volume de concreto foi de
200.000 m3.
A geologia local é constituída por derrames de basalto, aparecendo o tipo maciço e o
vesicular. Entre eles, apareceram camadas de arenito.
O fraturamento dos basaltos exigiu trabalhos intensos de injeção nas fundações.
O desenho a seguir esquematiza a barragem e a geologia local.
RRAGEM DE CAPIVARA, RIO PARANAPANEMA. ESTADO DE SÃO PAULO - EM DERRAMES DE
BASALTO
b) Barragem de Jaguará, no Rio Grande, na divisa dos Estados de São Paulo e Minas
Gerais
Geologicamente, a barragem está localizada em quartzitos putos silicificados, com
camadas de xistos intercaladas.
A barragem apresentou interessante problema geológico. Dada a grande vazão do rio,
foram executadas, na fase preliminar, somente duas sondagens no seu leito. Na fase de detalhe,
as sondagens confirmaram a presença de uma camada de xisto decomposto de pequena
resistência. Esse fato exigiu o deslocamento das estruturas de concreto para 50 m a jusante; a fim
de reduzir os custos de escavação da rocha decomposta.
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Nas margens do rio, a decomposição da rocha varia de 10 m a 15 m. No leito do rio, a
rocha está bastante fraturada.
A camada decomposta no local das estruturas citadas mergulhava cerca de 150 em
direção à margem esquerda.
O esquema a seguir resume a posição da camada em relação às condições geológicas.
A camada de xisto não oferecia condições de fundação para as estruturas de concreto.
Porém, a sua remoção total e a do quartzito subjacente exigiram um volume extra de escavação e
concreto.
A solução foi deslocar o eixo da barragem em 50 m na área da tomada d’água e da casa
de força.
Conclusões: o exemplo descrito mostrou os seguintes aspectos importantes para qualquer
estudo geológico de barragens:
1. o número insuficiente de sondagens na fase preliminar.
2. a importância do estudo geológico e, no caso; de se encontrar rocha desfavorável no local de
fundação.
3. o grau de fraturamento excessivo da rocha exigiu grandes trabalhos de injeções.
c) Barragem de Sobragi, no Rio Paraibuna, próximo à Juiz de Fora - MG.
A usina hidroelétrica de Sobragi, está localizada no Rio Paraibuna, entre os municípios de
Belmiro Braga e Simão Pereira, próximo a Juiz de Fora.
Este empreendimento, iniciado em março de 1996, pela empresa de Engenharia
Paranapanema para a Companhia Paraibuna de Metais - CPM - e tem como objetivo a geração de
Energia Elétrica no sentido de diminuir os insumos (custos) da empresa na fabricação de seus
produtos.
Exemplo de Usina em que há aproveitamento de grande desnível entre dois pontos
próximos, sendo executado um túnel ( escavado ) de adução sob a encosta natural (terreno).
Barragens foram também necessárias no caso para fechamento próximo a tomada d’água e no de
fechamento de 8,7m de altura na casa de força.
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5.7 - Dimensionamento de taludes de uma Barragem de Terra
Análise de Estabilidade
O projeto do maciço compactado de uma barragem é principalmente controlado pelas
características dos materiais de contrução disponíveis, pela natureza das fundações, pelos
métodos construtivos especificados e pelo grau de controle de construção previsto.Pelas
considerações relativas aos custos dos materiais de contrução, há um máximo interesse de se
utilizar os solos disponíveis nas proximidades imediatas do local de implantação da barragem;
em função da qualidade e das propriedades destes solos no estado compactado, deve-se
dimensionar as declividades dos taludes em termos econômicos e seguros, o que reverterá em
benefícios substâncias, principalmente quando se trata de barragem de grande altura; para atingir
tais objeivos, será necesssário programar cuidadosamente análises de estabailidade
adequadas, as quais exigem estudos prévios detalhados bem como a fixação de critérios de
projeto compatíveis com as caracteristicas da obra.
Em termos gerais, pode-se afirmar que é possível contruir uma barragem de terra sobre
quase todos os tipos de fundações; desde que ela sejam adequadamente investigadas e desde que
o projeto se adapte convenientemente às condições relevadas. De acordo com o tipo de fundação
existente, os estudos de estabilidade dos taludes de uma barragem podem ser divididas em três
grupos, de acodo com as características predominantes dos materiais presentes do maciço de
fundação:
10 grupo: fundações em rochas, as quais não apresentam, em geral, probemas graves.
20 grupo: fundações em solos permeáveis ( solos arenosos ou com pedregulhos ): nesse caso,
deve-se considerar dois aspectos principais : quantidasde de água perdida por percolação e
grandeza das forças de percolação; esse último aspecto assume especial importância nos casos de
fundações contituídas por areias limpas e saturadas ( geralmente finas e uniformes ) de baixa
compacidade.
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30 grupo : fundações em solos impermeáveis ( solos essencialmente argilosos ), onde os
principais problemas são associdos à estabilidade contra a ruptura por cisalhamento e aos
assentamentos excessivos.
Os solos empregados na construção de uma barragem de terra e enrocamento podem
ser classificados em duas grandes categorias :
* os materiais permeáveis ( areias e cascalhos ), caracterizados por uma resistência ao
cisalhamento elevada;
* os materias pouco permeáveis ( argilas, areis e siltes argilosos ), caracterizados por uma
resistência ao cisalhamento mais fraca.
No caso de se dispor, nas proximidades imediatas da obra, de quantidades importantes de
materiais pouco permeáveis e de pequeno volume de materias permeáveis, a solução
recomendável é de se projetar uma barragem homôgenia utilizando os materias pouco
permeáveis. Ao contrário, se a proporção desses dois tipos de materiais é invertida, deve-se
adotar uma solução de barragem com “ núcleo impermeável ”, o núcleo sendo contruido com
materiais pouco permeáveis e os espaldares com materiais permeáveis. No caso dos espaldares
serem contituidos por materias de permeabilidades sensivelmente diferentes, os materias deverão
ser distribuidos de forma que os menos permeáveis sejam posicionados junto ao núcleo da
barragem ( barragens “zoneadas”); nas barragens com núcleo e nas barragens zoneadas, os
espaldares extenos têm uma função estabilizadora enquanto compete ao núcleo o papel de
elemento ipermeabilizador.
Numa barragem de seção homogênia , a linha freática tem a tendência de emergir no
talude de jusante, o que exige colocação de material permeável, judiciosamente posicionadas.
Nas barragens com núcleo impermeável, a espessura do núcleo dependerá da quantidade
de materiais argilosos disponíveis, das suas características geotécnicas, de seus índices físicos
naturais ( teor de umidasde ) e do condicionamento climático ( índice pluviométrico anual e
distribuição das chuvas ao longo do ano ). A posição do núcleo ( vertical ou inclinada )
dependerá das resistências relativas dos materiais permeáveis e impermeáveis: para uma mesma
declividade do talude de montante, um núcleo construido com materiais pouco permeáveis cuja a
resistência for ligeiramente menor que a dos materiais do contranúcleos, poderá ser mais
inclinado ( mais deitado ) que um núcleo construído com materiais muito argilosos cuja a
resistência for sensivelmente menor que as dos materiais dos contranúcleos, esta posição
dependerá também das caracteísticas de compressibilidade da fundação do núcleo e dos
espaldares.
A programação dos estudos de estabilidade exige obedecer a uma sequência de atividades
cuja impôrtancia individual não pode ser desprezada, lembrando-se que os projetos teoricamente
bem elaborados e apoiados sobre análises de estabilidade detalhadas causaram sérios problemas
por omitir ou subestimar determinados aspectos importantes. Consequentemente, deve-se
escolher criteriosamente:
- as condições de carregamento a analisar
- as seções mais críticas, ( essa escolha exigirá a elaboração prévia de seções geotecnicas
longitudinal e transversáis ).
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- os parâmetros de resistência
- os métodos de análises
- os fatores de segurança mínimos
5.8 - Condições de Carregamento
Durante e após a construção de uma barragem, e durante e após o primeiro enchimento do
reservatório, ema barragem, de terra é submetida a um conjunto de solicitações que variam com o
tempo, sendo portanto necessário verificar, se os fatores de segurança correspondentes à ruptura
por cisalhamento são compatíveis com os valores prefixados. Em linhas gerais, as situações
críticas a considerar são as seguintes.
1o) - fim de construção:
durante a construção de uma barragem de terra, à medida que as camadas vão sendo
colocadas e compactadas, a pressão total num determinado nível vai aumentando, sendo que este
aumento provoca simultaneamente pressões intersticiais, devido à compressibilidade do maciçoc
e ao seu baixo coeficiente de permeabilidade. Assim os esforços solicitantes provém, para uma
determinada declividade do talude, do peso das terras e das consequentes pressões neutras
induzidas, as quais são uma função do tipo de solo, do teor de umidade dos solos colocados e do
rítmo construtivo.
2o) - fluxo em regime permanente com o reservatório cheio:
durante o primeiro enchimento com o reservatório, estabelecem-se fluxos de percolação,
constituindo-se progressivamente uma rede de fluxo permanente. Uma vez que a água percola de
montante para jusante, a pressão de percolação é favorável à estabilidade do talude de montante e
desfavorável à do talude de jusante. esta condição de solicitações é também denominada “a longo
prazo”.
3o) - esvaziamento rápido do reservatório:
a um rebaixamento rápido do nível do reservatório, corresponde uma situação crítica para
o maciço de montante da barragem.
4o) - solicitações dinâmicas:
provocadas por sismos, este tipo de situação é rotineiramente considerado em regiões
sísmicas; nestes últimos anos, tem sido recomendado como indispensável verificar sob tais
solicitações, mesmo em zonas historicamente assísmicas em virtude da possibilidade de
ocorrência de sísmos induzidos pelo enchimento do reservatório da própria barragem.
As características geométricas externas de uma barragem de terra são geralmente
determinadas pelo seu desempenho correspondente ao fim de construção e ao rebaixamento
rápido do reservatório:
— o talude de jusante é dimensionado levando em consideração as pressões neutras que
pode3m se desenvolver no maciço até o fim de sua construção.
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— o talude de montante é dimensionado levando em consideração as condições criadas
pelo rebaixamento instantâneo do reservatório.
Entretanto, no casos de maciços construídos com materiais muito pouco a pouco argilosos
compactados do lado seco com relação à umidade ótima do ensaio de compactação, pode se
tornar necessário modificar a declividade obtida para o talude de jusante e/ou melhorar a
capacidade drenante do sistema de drenagem interna, a fim de garantir a estabilidade da obra para
as condições de operação normal (longo prazo).
5.8.1 - Escolha das seções a serem analisadas
A escolha judiciosas das seções transversais críticas cujas condições de equilíbrio devem
ser verificadas, pressupõe o profundo conhecimento prévio do condicionamento geotécnico dos
meciços de fundações e ombreiras. Torna-se portanto necessário elaborar o perfil longitudianal
pelo eixo da barragem, o que constitui um subsídio substancial para os estudos de projeto. A
montagem deste perfil ajuda também a programação das investigações geotécnicas necessárias, já
que, ao elaborar tal perfil, serão identificadas as zonas pobres em resultados de investigações,
subsidiando assim a equipe de projeto na programação dinâmica e objetiva dos estudos e
investigações de campo e laboratório necessárias à obtenção dos parâmetros condicionantes do
projeto.
As informações necessárias à montagem do modelo geotécnico da fundação da barragem
a ser utilizado para as verificações de estabilidade dos taludes devem abranger todos os dados
atinentes às principais condições de solicitações, isto é, fim de construção, fluxo em regime
permanente e rebaixamento rápido do reservatório. Ressalta-se que a necessidade e/ou a
importância de certos dados só aparecem após a conclusão das primeiras análises de estabilidade,
já que estas análises indicam quais são os parâmetros que devem ser determinados com maior
precisão e com maiores detalhes, por terem maior peso nos resultados destas análises. Em
contrapartida, os estudos esclarecerão também quais são os parâmetros que pouco condicionam o
estado de equilíbrio, pelo fato da adoção de valores conservativos dos referidos parâmetros
resultar em fatores de segurança aceitáveis.
Da mesma forma, a seleção das seções transversais críticas a serem analisadas obedecerá
p processo iterativo, uma vez que os resultados das análises de estabilidade preliminares
realimentarão o processo de identificação das seções mais críticas. Desde já, cabe salientar que a
experiência e o bom senso representam trunfos de grande peso na preseleção das seções críticas
de uma barragem, evitando-se perdas de tempo e gastos inúteis no estudo de seções pouco
perigosas. Lembra-se também que quanto mais complexo o condicionamento geotécnico das
fundações, maior será o número de seções e situações a serem analisadas.
Basicamente, o processo de escolha das seções críticas exige a consideração de vários
fatores condicionantes tais como a altura da barragem, as características de resistência dos solos
de fundação, a espessura das comadas de fundação, a permeabilidade relativa das mesmas, etc...
5.8.2 - Escolha dos parâmetros de resistência ao cisalhamento
Um dos aspectos mais importantes envolvido nas análises de estabilidade, e
provavelmente, um dos mais complexos, é a seleção dos valores dos parâmetros de resistência ao
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cisalhamento. Antes de se proceder à análise deste problema, o qual deve ser estudado
separadamente para cada tipo de solicitações, cabe abrir uma curta parêntese geral sobre as
análises em termos das tensões totais e das tensões efetivas. Antigamente, quando os recursos
tecnológicos não permitiam a medição das pressões neutrtas, quer no campo quer no laboratório,
utilizavam-se apenas as análises em termos das tensões totais. Com o progresso da tecnologia
laboratorial e instrumental, tornou-se gradativamente possível medir as pressões neutras em
corpos de prova ensaiados em laboratório, bem como pressões neutras reais desenvolvidas dentro
de maciços compactados. Tais avanços permitiram utilizar métodos de análises de estabilidade
em termos das tensões efetivas, o que não quer dizer que os métodos em termos das tensões
totais foram abandonados, havendo casos em que estes métodos são ainda considerados como
mais confiáveis e mais recomendáveis.
- Análise por tensões totais
A análise em termos das pressões totais admite que as pressões neutras de cisalhamento
estão levadas implicitamente em consideração no ensaio de determinação da resistência ao
cisalhamento, considerando-se portanto que as condições de carregamento no campo estão
simuladas no ensaio (condições de drenagem, trajetórias de tensões, etc...). O ensaio usualmente
utilizado é o de compressão triaxial. Cabe frisar que o efeito das condições de carregamento
sobre a resistência não drenada, é singnificativo, o que induz grande variabilidade nos resultados
dos ensaios, principalmente para solos parcialmente saturados.
- Análise por tensões efetivas
Nas análises em termos das tensões efetivas, parte-se das hipóteses que a resistência
efetiva dos solos é conhecida e que pode prever as pressões intersticiais.
A primeira hipótese só é válida parcialmente, dependendo da origem das pressões neutras
consideradas.
10 as pressões neutras de percolação podem ser facilmente determinadas através do
traçado de redes de percolação.
20 as pressões neutras de adensamento também podem ser determinadas através de
ensaios de laboratório cujos resultados são facilmente transportáveis nas análises.
3o as pressões neutras de cisalhamento cuja transposição dos valores obtidos de ensaios
laboratoriais para as análises de estabilidade é mais complexa, já que estas pressões neutras estão
relacionadas aos valores das variações das tensões.
Observa-se portanto que as análises de estabilidade em termos das tensões efetivas se
baseiam sobre hipótese aceitáveis a não ser a referente à avaliação das pressões neutras de
cisalhamento que exige hipóteses simplificadores. Uma grande vantagem do uso de análises em
função das tensões efetivas é associada ao fato do que a resistência efetiva dos solos pode ser
determinada com bôa precisão e que as pressões neutras construtivas dentro do maciço podem
ser medidas, conseguindo-se assim verificar as hipóteses de projeto.
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5.9 - Fatores de segurnaça
Os fatores de segurança a serem introduzidos nas análises de estabilidade de taludes de
barragens devem cobrir as incertezas relacionadas com:
- as resistências dos diversos horizontes dos solos de fundações e ombreiras e das
diversas zonas dos solos compactados do maciço da barragem, levando-se em consideração todos
os fatores que influenciam estas resistências tais como representatividade e qualidade das
amostragens, duplicação do carregamento de campo, anistropia, erros de ensaios, etc.
— as pressões neutras construtivas.
— a distribuição das pressões intersticiais de rede de fluxo permanente.
— a grandeza e a distribuição das subpressões nas fundações
— a eficiência de sistemas de vedação.
— a eficiência de sistemas de alívio de subpressões.
— as vazões de percolação.
— a eficiência do sistema de drenagem interna.
— as imprecisões dos métodos de cálculo.
— as eventuais falhas construtivas.
— a configuração geométrica dos taludes internos e externos e dos materiais.
O quadro abaixo reproduz as recomendações do “Corps of Engineers” para os diversos
tipos de solicitações impostos a uma barragem:
Tipo de
Solicitação
Fator de
Segurança
mínimo
Envoltória de
Resistência
Observações
Fim de construção
1,3(2)
Q ou S(3)
Taludes de montante e jusante
Rebaixamento rápido a partir do
N.A. máx.normal
1,0(4)
R, S Talude de montante (usar
envoltória composta).
Reservatório parcialmente cheio
com fluxo permanente.
1,5 (R+S)/2 para
R<S e S para
R>S
Talude de montante (usar
envoltória intermediária)
Reservatório cheio com fluxo
permanente.
1,5 (R+S)/2 para
R<S e S para
R>S
Talude de jusante (usar envoltória
intermediária)
Sismos (5)
1,0 (6) Taludes de montante e jusante
Notas: (1) esses valores não são aplicáveis ao caso de maciços apoiados sobre fundações de
argilito; neste caso, deverão ser adotados fatores de segurança maiores.
(2) para barragens de mais de 15 m de altura apoiadas sobre fundação relativamente
fraca, adotar F.S. mínimo igual a 1,4.
(3) nas zonas onde são previstas pressões neutras elevadas, utilizar a envoltória S.
(4) o fator de segurnaça não deverá ser menor que 1,5 quando as análises de estabilidade
utilizam a velocidade de rebaixamento e as pressões neutras obtidas a partir de
redes de fluxo.
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(5) as verificações de estabilidade sob a ação de sísmos são realizadas para os casos de
fim de construção e de fluxo permanente.
(6) as envoltórias a serem utilizadas são aquelas correspondentes aos casos analisados
sem sismos.
Tendo em vista que um deslizamento eventual durante o período construtivo não causa
danos substanciais (perdas materiais e de vidas humanas) quando comparados com os danos que
seriam provocados pela ruptura de uma barragem com o reservatório cheio, que as pressões
neutras introduzidas nos cálculos de estabilidade são geralmente maiores que as pressões neutras
reais, e que é possível de se medir as pressões neutras construtivas pela instalação de piezômetros
bem posicionados, é justificável a adoção de fator de segurança mínimo mais baixo para este tipo
de condição. No que diz respeito aos valores propostos pelo “Corps of Engineers” (FS = 1,3 a
1,4), recomendam-se alguns cuidados ao se adotar tais valores; considera-se imprescindível fixar
o valor mínimo do fator de segurança em cada projeto específico em função da peculiaridade do
mesmo, de acordo com o grau de conservatismo na fixação das hipóteses de projeto, o grau de
confiança dos resultados das investigações de campo e dos ensaios de laboratório, o método de
análise adotado, etc...
As mesmas considerações se aplicam à condição do reservatório cheio, aconselhando-se
entretanto maior prudência neste caso tendo em vista as gravíssimas consequências que seriam
causadas por um desempenho insatisfatório ou por uma ruptura.
Acredita-se que um fator de segurança mínimo de 1,5 é aceitável uma vez que este valor
já tem sido adotado em inúmeras barragens em operação no Brasil e no Exterior, apesar das
diversas modalidades utilizadas para a determinação da resistência ao cisalhamento dos solos, a
previsão das pressões intersticiais e as análises de estabilidade. De qualquer maneira, convem
pensar no início do projeto a respeito deste assunto, analizando-se cuidadosamente os tipos de
materiais que serão utilizados na construção da barragem e o tipo de fundação em que a
barragem será apoiada.
Por exemplo, se a barragem será construída sobre uma fundação rochosa extremamente
resistente, usando-se materiais permeáveis compactados (cascalho arenoso ou enrocamento de
rocha sã) e um núcleo impermeável delgado inclinado, é praticamente evidente que não há risco
de ruptura do talude de jusante nas condições “a longo prazo”, mesmo se o fator de segurança
calculado parece ser relativamente baixo. Pelo contrário, se a barragem será construída com solos
essencialmente argilosos sobre uma fundação construída por solos altamente plásticos, a
obtenção de um valor mínimo de 1,50 para o fator de segurança deverá exigir cuidados especiais
adicionais a fim de avaliar se os parâmetros de resistência ao cisalhamento utilizados e as
pressões intersticiais determinadas são suficientemente dignos de confiança.
5.10 - Exemplo de análise de estabilidade
São apresentadas como exemplo algumas seções que foram analizadas quanto as suas
condições de estabilidade e a possibilidade de alteamento do dique (barragem - pequeno
tamanho).
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A seção topográfica estudada apresenta os resultados de SPT obtidos em uma prospecção
geotécnica realizada para se caracterizar o sub-solo do local.
Seção Topográfica 12 - Trecho da análise A
Seção analizada: Talude à Juzante do reservatório
Condição do NA na cota atual do reservatório.
Fator de segurança de 1,439.
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Seção analizada: Talude à Montante do reservatório
Condição do NA na cota atual do reservatório.
Fator de segurança de 3,343.
Seção analizada: Talude à Juzante do reservatório
Condição do NA na cota da base do dique do reservatório.
Fator de segurança de 3,343.
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5.11 - Construção do Maciço nos Trechos de Contacto entre Materiais Diferentes
Durante a construção de maciços de barragens são requeridos serviços especiais,
indispensáveis para a garantia do perfeito funcionamento de alguns dispositivos dos quais eles
são dotados. Entre esses serviços destacam-se os relativos à contrução de filtros, transições, rip-
rap, membranas de concreto, etc.
5.11.1 - Filtros
O sistema de drenagem interna de uma barragem de terra é geralmente constituído de um
tapete drenante e um filtro em chaminé.
Os tapetes drenantes, geralmente ficam apoiados sobre a superfície de fundação e são
constituidos de camadas múltiplas de materiais, com elevada permeabilidade, para permitr o
escoamento das águas drenadas através da fundação e do maciço de barragem. Quando a
superfície da fundação é horizontal, ou pouco enclinada, o tapete é construído em camadas e
compactado por meio de rolos vibratórios ou tratores de esteira, imediatamente após intensa
irrigação. Quando a fundação é mais inclinada ( ombreira ) a construção do tapete é conduzida
juntamente com o aterro, em pequenos lances, sendo a sua compactação feita por meio de rolo
pneumático ou placa vibratória.
Os filtros em chaminé podem ser verticais ou inclinados e geralmente são constituídos de
um único material, na maioria das barragens, de areia natural. Sua espessura é da ondem de 1
metro, geralmente estabelecida em função da mínima dimensão requerida para a sua construção.
Pode ser construído em camadas finas, de espessura igual a uma ou duas vezes a espessura do
aterro, lançadas antes e compactadas juntamente com as camadas deste, através do rolo vibratório
ou pneumático; ou pode ser contruído após o aterro ter atingido uma certa espessura ( 1 a 2
metros ) , por escavação deste e substituição por material de filtro, sendo compactado em
camadas por meio de placa vibratória ( figura 6 ). No primeiro caso o consumo do material de
filtro é maior, pois a geometria final do filtro construído fica constituída de seções trapezoidais
superpostas, de altura igual à espessura da camada e a largura no topo igual à dimensão mínima
do projeto. Para a construção dessas camadas são utilizados equipamentos, que preenchidos por
material de filtro e puxados por um trator fazem o lançamento da camada com espessura e
largura desejada. No segundo caso, quando o filtro é inclinado, também há necessidade de maior
consumo de material, para se observar a dimensão mínima do projeto. Quanto maior a espessura
do aterro escavado para substituição, maior o excesso de consumo de material de filtro.
5.11.2 - Transições
As transições entre enrocamento e aterros são construídas com técnicas semelhantes às
utilizadas na execussão dos filtros em chaminé, em camadas concomitantes, apoiadas sobre a
face do aterro ou do enrocamento. Junto as transições é importante que o enrocamento contenha
certo teor de pedras miúdas e finos, e que seja empalhado com a lâmina do trator movimentando-
se no sentido em que se afasta da transição, conduzindo as pedras maiores para longe desta. Os
materiais de transição são compactados com rolos pneumáticos ou vibratórios, tomando-se
cuidado especial para que o aterro adjacente à transição não fique sem compactação.
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5.11.3 - Rip - rap
Os projetos de rip-rap prevêem a inclusão de uma ou mais camadas de transição entre as
pedras e o aterro. As camadas de transição do rip-rap são lançadas depois de uma certa espessura
de aterro. Toda terra solta sobre a face do talude é raspada por um trator de lâmina e espalhada na
superfície do aterro. A seguir são lançadas as camadas de transição do rip-rap. Quando se dispõe
de enrocamento bem graduado pode-se construir o rip- rap sem as camadas de transição,
adotando-se uma técnica de espalhar o enrocamento de cima para baixo, com a lâmina do trator
abaixada, que vai gradativamente sendo levantada, a medida que o tratror vai descendo pela
superfície da latitude. Assim, consegue-se fazer com que o material mais fino fique em contato
com o aterro, que servirá de transição para as pedras grandes a serem lançadas no próximo lance
de construção do rip-rap. Na Barragem de Água Vermelha foi utilizado este processo, sendo o
rip-rap construídos em lances de cerca 3 a 4 metros de altura, aproveitando-se a ocorrência de
material adequado na pedreira, constituído de pedras miúdas, provenientes de uma camada de
basalto denso e colunar, bastante fraturado, sobreposta de um derrame de basalto vesicular são,
que dava origem as pedras graúdas.
a) Filtro de chaminé - construído concomitantemente com o aterro
b) Filtro em chaminé - construído por escavação do aterro
Figura 1 - Métodos Construtivos de Filtro em Chaminé
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5.11.4 - Contacto entre o aterro e as estruturas de concreto
Para a compactação do aterro junto às superfícies de concreto são geralmente utilizados
soquetes manuais. Quando essas superfícies são contínuas pode-se executar a compactação por
meio de rolos pneumáticos, fazendo-se com que os pneus passem o mais próximo possível do
concreto, com o rolo movimentando-se paralelamente à linha de contacto.
Constitui boa prática de projeto prever uma ligeira inclinação da superfície do concreto,
por exemplo 1 : 10 ( H : V ) , o que facilita a compactação do contacto, além de minimizar
problemas de deslocamento do aterro, que seriam provocados por deformações oriundas do
recalque da maciço.
5.11.5 - Construção de membranas de concreto na face de montante do enrocamento
Nos últimos dez anos observou-se um grande progresso nos projetos de barragem de
enrocamento com face de concreto, com acréscimo do uso desse tipo de barramento, que também
passou a ser adotado nas barragens com altura superior a 100 metros. Essa difusão ocorreu graças
ao desenvolvimento das técnicas de construção de enrocamentos conpactados, das trincheiras de
vedação e dos dispositivos de impermeabilização das juntas de lajes. A barragem de Foz do
Areia, da COPEL, recentemente concluída no Rio Iguaçu é um exemplo dos mais importantes
desse tipo de obra.
Para minimizar os problemas de recalques, o enrocamento na zona sobrejacente à laje de
concreto é construído com rocha sã, lançada e compactada em camadas de pequena espessura.
Entre o enrocamento e a laje são constituídas camadas de transição, de granulometria adequada,
que são compactadas por meio de rolos vibratórios, movimentando-se sobre os taludes por meio
de um sistema de cabos e guinchos.
A laje de concreto, com cerca de 30 cm no topo e espessura crescendo na ordem de 0,3 %
com a profundidade, é constituída em painéis, com formas deslizantes, preferencialmente sem
juntas horizontais. A junta que merece maiores atenções é a situada próximo às ombreiras ( junta
perimetral ) , onde são introduzidos vedajuntas duplos e enchimentos especiais, onde os
recalques diferenciais são mais acentuados. Na figura 2 é apresentada uma seção típica da
Barragem de Foz do Areia com indicação dos materiais utilizados e na figura 3 um detalhe da
junta perimetral adotada na construção dessa barragem.
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Seção típica da barragem
TABELA
DE
MATERIAIS
MATERIAL CLASSIFICAÇÃO ZONA MÉTODO DE
COLOCAÇÃO
DADOS DE
COMPACTAÇÃO
I A LANÇADO
BASALTO
MACIÇO
(ATÉ 25% DE
I B
COMPACTADO EM
CAMADAS DE 0,80m
ROLO VIBRATÓRIO 4
PASSADAS 25% DE
ÁGUA ( 10 TON )
ENROCAMENTO
I
BRENCHA
BASÁLTICA)
I C
COMPACTADO EM
CAMADAS DE 1,60m
ROLO VIBRATÓRIO 4
PASSADAS 25% DE
ÁGUA ( 10 TON )
INTERCALAÇÃO
DE BASALTO
MACIÇO E
BASÁLTICA
I D
COMPACTADO EM
CAMADAS DE 0,80m
ROLO VIBRATÓRIO 4
PASSADAS 25% DE
ÁGUA ( 10 TON )
BASALTO
MACIÇO -
ROCHAS SELEC.
DE O,80 m
I E
ROCHA DE FACE
COLADA
TRANSIÇÃO
II
BRITA CORRIDA
DE BASALTO
MACIÇO
II B
GRADUAÇÃO MENOR
QUE Ø 6” COMPACT.
EM CAMADAS - 0,40m
CAMADAS ROLO
VIBR. MIN 4
PASSADAS .
FACE ROLO
VIBR.MIN. 6
PASSADAS ASCEN.
ATERRO
III
MATERIAL
IMPERMEÁVEL
CAPA DE TERRA
III D
MENOR QUE 3 / 4 “
COMPACT. EM
CAMADAS 0.30m
ROLO PNEUMÁTICO
OU EQUPAM. DE
CONSTRUÇÃO
Figura 2 - Zoneamento da barragem de Foz do Areia. ( apud N. S. Pinto et. al. )
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Figura 3 - Detalhe da Junta Perimetral da Barragem de Foz do Areia
( apud N. S. Pinto et. al. )