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Disciplina: Geologia de Engenharia Professor: João Paulo Souza Silva Semestre 2013/
Geologia Aplicada a Barragens
Felipe Barbosa, Guilherme Almeida, Juan Lício, Kalleb Luan, Lavidson Ferreira e Luís
Alexandre.
Acadêmicos do Curso de Engenharia Civil da Universidade Federal do Tocantins, UFT-Brasil.
RESUMO: Este artigo apresenta a definição de barragem como obra de engenharia civil enfatizando a importância dos profissionais de geologia para contemplação de um empreendimento utilizável em sua totalidade e um bem comum para a população. São abordados também o estudo de caso de três barragens, a de Pericumã (Maranhão), a no rio kwanza (Angola) e no rio Farinha (Paraíba), constatando-se que muitos problemas de barragens são resultados de uma má política pública concomitantemente com erros de projetos e execução.
Palavras-Chave: Barragem, Engenharia Civil, Geologia, Problemas das barragens.
1. INTRODUÇÃO:
Importante elemento, indispensável em uma sociedade, as barragens são construções fundamentais ao desenvolvimento da região onde é construída. Uma grande barragem é um tipo de obra que mais influencia o meio ambiente, pois ela modifica o regime do rio, os níveis freáticos e as paisagens próximas, além de que as formações geológicas saturadas pelo represamento passam a ter comportamento diferente. Segundo Seddon (2000 apud LADEIRA, 2007), em 2000 o Brasil contava com cerca de 594 barragens, enquanto China estava em torno de 22.000; EUA, 6.575; Índia, 4.291; Japão, 5.675, porém o Brasil possui um grande potencial hídrico a ser explorado. Esses números ressaltam a importância da segurança em obras de barragem no contexto mundial. Nesse sentido, o presente artigo tem como objetivo apresentar a importância dos estudos geológicos e geotécnicos na construção da uma barragem, assim como a importância dela para a região, os tipos, os fatores condicionantes de projeto, em especial problemas em fundação, alguns dos principais problemas enfrentados no cotidiano e as soluções mais comuns nas barragens. Esses levantamentos são importantes para auxiliar a
compreensão da geologia e da geotecnia no trabalho de construção de uma barragem.
- DEFINIÇÃO E FINALIDADE DE UMA BARRAGEM
Filho (2008) define uma barragem, como sendo um elemento estrutural, construído transversalmente a vales ou depressões com o objetivo de elevar o nível da água dos cursos naturais, ou para formar reservatório destinado à acumulação de água. Este tipo de estrutura, seja ela concebida de materiais rochosos, terrosos ou de concreto, pode ser projetado com múltiplos propósitos, afim de que satisfaça as necessidades de projeto. As finalidades que regem a construção de uma barragem são muitas, podendo ser exploradas individualmente ou em conjunto. As principais são: Geração de energia elétrica nas chamadas Usinas Hidroelétricas; Abastecimento de água nos setores residenciais e industriais e agrícolas; Contenção de enchentes, destinadas a proteger os territórios a jusante da barragem; Irrigação de produtos agrícolas; Contenção de sedimentos; Navegação; Turismo e Lazer; Piscicultura nas comunidades ribeirinhas;
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Dessa forma, em relação à escolha do local para construção de uma barragem deve ser feita segundo um planejamento geral em que interferem as condições geológicas e geotécnicas da região, além de fatores hidráulicos, hidrelétricos, político, econômico, social e ambiental. Além disso, a escolha do local de uma barragem está diretamente ligada à concepção e aos objetivos do empreendimento, por exemplo, para a geração de energia é necessário um maior desnível topográfico e uma maior vazão. A escolha do eixo do barramento está associada a aspectos operacionais e econômicos, pois pretende-se possuir menor o volume de aterro, melhores condições de fundação, menores distâncias de transporte dos materiais de construção, evitando assim menores custos com a obra. A escolha do tipo de barragem está associada a aspectos técnicos diversos, como as condições de acesso, condições de fundação, as condições topográficas, a disponibilidade de matérias de construção no local, dentre outros aspectos que interferem diretamente na escolha do tipo de barragem.
- 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 construção. Com relação a este último aspecto, podemos dividir em dois grandes grupos: Barragem de Concreto; Barragem de Terra e/ou Enroncamento;
As barragens de concreto são aquelas construídas essencialmente com materiais granulares produzidos artificialmente aos quais se adicionam cimento e aditivos químicos. As barragens de terra e/ou enrocamento são aquelas construídas com materiais naturais tais como argilas, siltes e areias ou com materiais produzidos artificialmente tais como britas e enrocamentos.
3.1 BARRAGEM DE CONCRETO
São barragens construídas em sua maioria a partir de materiais artificiais aos quais adicionamos cimento e aditivos químicos. Dentre os modelos mais comuns deste tipo de barragem podemos destacar três: Barragem de concreto gravidade, barragem de concreto em arco e barragem em contraforte, podendo estas ser construídas com a utilização de concreto armado ou rolado.
3.1.1 BARRAGENS DE CONCRETO GRAVIDADE
As Barragens de Gravidade são constituídas por uma parede de concreto que consegue resistir à pressão da água pelo seu próprio peso, distribuindo as tensões para o solo do leito do rio. Esse tipo de barragem apresenta estabilidade devido ao peso e largura da base adequada à resistência da fundação. As principais forças que atuam nela são peso do concreto, pressão da água no paramento de jusante, pressão da água no paramento de montante, peso da água no paramento de jusante e sub-pressão. Para que esse modelo apresente maior eficácia, a barragem deve ser maciça, apresentando material construtivo de alta densidade.
Figura 1– Ilustração de uma Barragem de Concreto Gravidade.
3.1.2 BARRAGEM DE CONCRETO EM ARCO
São barragens que precisam de condições de terreno especiais para ser utilizadas. Seu formato em arco permite que as pressões sejam distribuídas para suas ombreiras, isso faz com que a força aplicada na barragem seja distribuída para as margens e fundo do rio, por isso as margens precisam ser altas e
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demonstram que o fenômeno de piping é regido pela estatística dos extremos, ou seja, a resistência à tração ou coesão é que condicionam a formação desse fenômeno. Nos laboratórios, as condições para determinação do fator de segurança estão sob controle, e os ensaios são submetidos a cenários de estatística das médias, o que não ocorre no ambiente real das barragens. Foster et al. (1998 apud LADEIRA, 2007), afirma que o piping pode se desenvolver por processo degenerativo ou envelhecimento das estruturas. A probabilidade de rupturas em barragens mais antigas é bem maior do que em barragens mais novas, pois a probabilidade de ruptura em barragens construídas antes de 1950 é 7,5 vezes maior que barragens construídas após esse ano. As barragens de terra possuem grande volume, os taludes suaves, devem apresentar bastante inclinação e compatibilidade com a resistência ao cisalhamento do material após compactação. Têm base larga para distribuir o peso e aumentar a seção de percolação. Podem ter seção homogênea ou zonada, dependendo da disponibilidade de materiais de construção nas proximidades do barramento. Nas barragens zonadas há um núcleo de material impermeável e duas zonas externas, em geral construídas com materiais mais permeáveis e mais resistentes aos deslizamentos. Segundo Geraldes (1998 apud VERGARA, 2012) o corpo da barragem de terra e/ou enrocamento é uma estrutura trapezoidal homogênea ou zonada e está constituído por diversos materiais que cumprem funções distintas. As barragens de terra e/ou enrocamento destinadas ao armazenamento permanente de água devem possuir um elevado grau de estanqueidade (presença de um elemento de vedação). Possuem comumente um sistema de drenagem interna eficiente (presença de um elemento drenante) e coeficientes de segurança elevados, tanto para a possibilidade de ocorrência de erosão interna como para possibilidade de ruptura por cisalhamento (presença de um elemento estabilizante). Para Geraldes (2008 apud VERGARA, 2012) a estrutura das barragens de terra deve assegurar: uma impermeabilização tal que impeça a perda de água através do maciço da barragem; o projeto deve garantir a respectiva estabilidade; o talude à
montante deve ser protegido contra ondas; sistemas de drenagem eficazes que protejam as barragens das poro-pressões; controle dos assentamentos da barragem ao longo do tempo. As barragens de terra e/ou enrocamento devem ter sistemas de extravasamento bem dimensionados que lhes confiram elevados coeficientes de segurança contra a possibilidade de galgamento. Segundo Cruz (1996 apud VERGARA, 2012) a escolha do tipo da barragem sempre deve atentar para dois elementos fundamentais: a parte vedante e a parte que confere a estabilidade. O local escolhido para a construção de uma barragem de terra deve: possuir solo estável; não apresentar afloramentos rochosos; ser um estreitamento ou uma garganta do curso d'água; possuir pequena declividade à montante; ter a montante mais espraiada possível; não possuir nascentes; não possuir estratificações salinas no leito da represa; possibilitar o uso de água por gravidade; estar próximo do ponto de extração da terra usada no aterro. Uma das coisas difíceis é a construção do filtro drenante. Ele é formado por diversas camadas, uma de areia fina, outra de areia grossa e outra de brita. A finalidade do filtro é segurar as partículas sólidas que eventualmente sejam carregadas pela água durante a percolação pelo seio da barragem. Caso a água leve embora as partículas sólidas, a barragem vai ficando porosa e um dia pode vir a desmoronar. É possível saber se está havendo ou não carregamento de partículas sólidas olhando a água que sai na forma de minas no pé de jusante da barragem. Se sair com cor de barro é por que está havendo carregamento de material. O filtro é chamado também de Filtro Invertido por que as camadas de areia e pedra estão posicionadas ao contrário do que acontece num filtro para limpeza de água. Qualquer gota de água que consiga penetrar no seio da barragem é captada pelo filtro e este encaminha a água para a galeria de serviço. A face de montante da barragem precisa receber uma boa proteção, pois o local recebe muitas ondas que vêm do reservatório. Além disso, o nível do reservatório não é constante, sendo alto no período das chuvas e baixo durante a estiagem. A principal desvantagem das barragens de terra, é que podem ser afetadas
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pelas condições climáticas, pois a execução dos aterros é paralisada em períodos chuvosos.
3.2.1 BARRAGEM DE TERRA HOMOGÊNEA
Para Marsal & Reséndiz (1975 apud VERGARA, 2012), este tipo de barragem é construída quase exclusivamente com terra compactada, tem pelo menos uma proteção contra a ocorrência de ondas no talude de montante. É a mais comum onde é utilizado um único tipo de solo. Os taludes, a montante e a jusante devem ter inclinações adequadas conforme o tipo de solo. Deve ser construído um dreno vertical ou inclinado de areia selecionada de granulometria ao tipo de solo utilizado, ou por brita confinada em geotêxtil. Deve ter ainda um dreno ou tapete horizontal de areia selecionada ou brita confinada em geotêxtil. Constrói-se também o cut-off que é a parte do aterro que se insere na fundação. Quando a qualidade do solo é boa não é necessário o cut-off. O talude de montante deve ser protegido com enrocamente (rip-rap) ou laje armada ou tapete asfáltico. De acordo com o fetch, que o comprimento maior da superfície da água da barragem e no qual incide o vento. Conforme o comprimento do fetch tem-se a espessura mínima em cm do rip-rap no talude de montante. Constituída praticamente por um único material, com permeabilidade suficientemente reduzida para permitir níveis aceitáveis de percolação. As inclinações dos taludes a montante e jusante são diferentes por regra, tendo em vista adequarem-se aos diversos tipos de ações. No perfil homogêneo é muito provável que na base do talude de jusante ocorram ressurgências, caso o aterro e a fundação não garantam a necessária estanqueidade. Ao verificarem-se ressurgências, haverá forças de percolação que produzirão erosão tubular interna, pelo que é mais frequente recorrer a um perfil homogêneo modificado. (LANÇA, 1997)
3.2.2 BARRAGEM ZONADA
Formada por solos com diferentes características, utilizando-se o solo disponível com o coeficiente de permeabilidade menor no núcleo central com função
vedante, sendo o solo mais permeável ou enrocamento utilizado nos taludes. Esta denominação é usada para barragens nas quais não há um único material predominante no maciço. Geraldes (2002 apud VERGARA, 2012) descreve as funções dos diferentes materiais presentes neste tipo de seção, por exemplo, o material argiloso do núcleo impede a percolação da água, os dois maciços estabilizadores situados a montante e a jusante do núcleo que pretendem garantir a estabilidade da obra, um conjunto de drenos e filtros que visam a captar as águas de infiltração e uma proteção do talude de montante constituído por materiais de enrocamento para diminuir os efeitos da ação da água. Este tipo de barragens não apresenta uma vantagem marcante sobre as barragens de terra homogêneas, pois, a escolha de uma seção típica ou outra depende fundamentalmente do tipo de solo existente no local, da topografia e da geologia, do regime hidrológico, etc. Assis (2003 apud VERGARA, 2012) determina a escolha entre seção homogênea ou zoneada pela presença de materiais de construção disponíveis e seus respectivos custos. Existem também, barragens zonadas que em vez de possuírem um núcleo central são constituídas por um talude a montante de material impermeável e um talude a jusante de material permeável com funções estruturais. É importante a existência de um filtro fazendo a fronteira entre o material impermeável e o talude de jusante para evitar fenômenos de erosão interna provocados por forças de percolação que tendem a arrastar os filtros.
3.3. BARRAGEM 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. (MARANGON, 2004)
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deformação elástica e se o material for terroso espera-se uma deformação plástica. Deve-se ficar atento para a permeabilidade das fundações, já que todo maciço, seja ele rochoso ou terroso, possui certa permeabilidade devido à presença de poros. Segundo Filho (2008), a presença e passagem de água pela fundação podem criar problemas relativos à pressão neutra e a erosão interna (piping). Dessa forma, na construção de uma barragem é fundamental que diminua essa permeabilidade a níveis aceitáveis para segurança da construção. Os métodos utilizados para controlar a percolação de água e a pressão neutra são: tapetes impermeabilizantes; cortinas de impermeabilização seguidas de drenos a jusante em barragens de concreto; trincheiras de vedação; filtros em barragens de terra; diafragma plástico, dentre outros métodos. Para tratamento de maciços terrosos utilizam-se diafragma plástico ou trincheira de vedação. Segundo Ré (1977, apud FILHO, 2008) o diafragma plástico consiste na abertura de uma vala no solo, o qual fica protegido de desabamentos, durante e após a escavação, por uma lama. Esta vala, depois de retirada a lama, recebe o material impermeabilizante. A Trincheira de vedação, também conhecida como “cut-off”, é uma trincheira preenchida com material impermeável, como o solo argiloso, a fim de evitar ou reduzir a percolação da água na fundação ou aumentar-lhe o caminho de percolação. Para tratamento de maciços rochosos fraturados, um dos mais comuns é o de injeção de caldas de cimento que pode ser tipo cortina ou de tapete, com a finalidade de diminuir a permeabilidade do maciço rochoso.
- ESTUDOS DE CASOS – PROBLEMAS E SOLUÇÕES
Para ilustrar melhor o artigo e tratar de problemas que realmente existem no cotidiano da engenharia civil e também da geologia, três barragens serviram de estudo de caso: A primeira se localiza-se em Pinheiro, na baixada Maranhense (Maranhão – Brasil), no rio Pericumã. Já a segunda está localizada na bacia do Rio Kwanza, no município de
Cacuso, ao norte da Angola. E a última está localizada no interior da Paraíba, mais precisamente no município de Patos. Essas 3 barragens são exemplos de que os maiores problemas em barragens são causados principalmente pela não prestação de serviço de reparos, descaso público, e péssima manutenção preventiva. É feita uma análise isolada de cada caso, mostrando os problemas que cada barragem enfrenta atualmente. A barragem de pinheiro, no interior do maranhão, enfrenta sérios problemas na estrutura, em 1982 ela foi inaugurada com a função de represar água doce do Pericumã e impedir a invasão da água salgada. Após 31 anos de inauguração ela nunca passou por uma reforma, e, além disso, ela também sofre sem a falta de manutenção adequada. Com o título de maior obra social da região, deveria tomar melhores providencias para manter a obra de pé por um tempo maior.
Figura 4– Comportas da barragem de Pinheiro.
Alguns problemas podem ser visualmente confirmados, como corrosão das estruturas de ferro da barragem, as comportas apresentam cabos de aço rompidos a mais de anos, e por mais que esses problemas estejam sido comprovados, as peças nunca foram trocadas. Todo o sistema de vedação das comportas, que deveria evitar a passagem da água do mar para o rio está comprometido e em alguns trechos já há vazamentos. Quando foi inaugurada a barragem trabalhava com qualquer desnível de água, hoje já não é possível, devido aos problemas estruturais presentes. Os motores de içamento das comportas trabalham com menos da metade da sua capacidade. Todos esses problemas estão agravados devido a uma má
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administração, e manutenção precária, pois uma obra de engenharia, mesmo que feita para durar anos, em curtos períodos de tempo, é necessário uma avaliação e uma manutenção adequada, essa barragem do interior do Maranhão é uma prova de que falta de cuidados técnicos podem acarretar sérios problemas e prejuízos. A segunda barragem a analisar é na Angola que que também passa por problemas parecidos de descaso do governo público como no Brasil. Essa por sua vez já na inauguração apresentou problemas estruturais que não foram assumidos pelos reais culpados.
Figura 5– Barragem Rio Kwanza.
A barragem apresentou problemas de estabilidade logo no início, isso impedia que a barragem fosse cheia até seu limite. Esse tipo de problema, segundo especialistas, é comum em barragens do tipo enrocamento, sendo essa barragem, localizada em Capanda, uma dos maiores, desse método construtivo, que se conhece a nível mundial. Em dezembro de 2011 houve intervenções de emergência na barragem, e só assim a barragem começou a ser cheia de forma controlada, mas devido a falta de chuvas não foi possível alcançar o limite máximo do nível de água. Mas ainda segundo o Ministro da Energia e Águas Capanda, após a intervenção ela poderá trabalhar normalmente desde que passe pelas manutenções periódicas necessárias. Devido a erros de cálculo já na concepção da obra, problemas foram intensificando-se, e por mais que o governo na região tenha se esforçado para melhorar a situação da barragem, o problema é muito delicado e exige uma atenção maior, se mesmo com isso ela ainda tivesse sido abandonada
pelos responsáveis, problemas sociais e ecológicos teriam proporções bem maiores. A terceira barragem abordada é a Barragem da farinha, localizada em Patos, no interior da Paraíba, que está em estado de quase abandono, com inúmeros problemas estruturais à vista. Os problemas são diversos, fissura na parede do sangrador, além de infiltrações por baixo do mesmo que provoca perda contínua de água, existência de formigueiros no balde que representa perigo, assoreamento que diminui a capacidade de volume do reservatório, o mato toma de conta da estrutura impedindo ainda a visibilidade dos problemas.
Figura 6 – Fissura no Sangrador da Barragem da Farinha.
Segundo relatos, técnicos e engenheiros, ligados ao estado, estiveram no local, prometeram melhorias, mas nada foi feito sobre os problemas encontrados, que segundo a reportagem, da qual esse texto foi baseado, os problemas podem ser ainda maiores se forem feitas análises mais precisas, pois os problemas destacados são apenas visuais. O desperdício de água potável devido a fissuras na estrutura é um dos problemas. O Problema não é nem o vazamento da água em si, mas para onde vai toda essa água desperdiçada, segundo moradores, ela acaba desbocando no rio mais poluído da região, ou seja, é água potável sendo jogada no esgoto. Mas o que fazer para acabar com esse desperdício? Primeiramente uma manutenção técnica deve ser realizada para melhorar as condições de conservação do vazamento, e ver a possível implantação de um açude para armazenar a água que escoa. Outra possível solução seria também o aprofundamento do canal.
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VERGARA, Julieta Echeverri. Aplicabilidade dos rejeitos de mineração de ferro para utilização de filtros de Barragens. 2012. 129 f. Dissertação (Mestrado em Geotecnia) – Faculdade de Tecnologia Departamento de Engenharia Civil e Ambiental. Universidade de Brasília. Brasília, 2012.
ZINGANO, André Cezar. Departamento de Engenharia de Minas – Notas de Aula. Geologia da Engenharia III - UFGRS Universidade Federal do Rio Grande do Sul,
- Disponível em: <http://http://www.lapes.ufrgs.br/discpl_grad/geologia3/b arragens.pdf>. Acesso em: 28 de agosto de 2013.
ZUQUETTE, Lázaro V., KERTZMAN, Fernando F. Geologia aplicada a barragens: uma revisão de procedimentos. Revista brasileira de geologia de engenharia e ambiental , São Paulo, p. 77-91, nov 2011.
