ARTIGO ORIGINAL
LIMA, Caroline Oliveira [1], PEREIRA FILHO, Joilson Jonas Caires [2], LIMA, Lívia Ramos [3]
LIMA, Caroline Oliveira. PEREIRA FILHO, Joilson Jonas Caires. LIMA, Lívia Ramos. Estudo de construção de barragem no Rio do Algodão para abastecimento em São Desidério- BA. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 05, Ed. 11, Vol. 25, pp. 117-148. Novembro de 2020. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-civil/barragem-no-rio
RESUMO
O presente artigo tem como objetivo realizar um estudo de viabilidade da construção de uma barragem de terra no Rio do Algodão, para o abastecimento do município de São Desidério-BA. Para isso, foi realizado um levantamento da Bacia Hidrográfica do rio por meio de um Modelo Digital de Elevação Hidrologicamente Consistente (MDEHC), onde verificou-se os caminhos preferenciais da água, o relevo da bacia e a sua declividade média, determinando assim os parâmetros para o dimensionamento do talude do maciço, obedecendo as características do Rio do Algodão e a metodologia proposta para a elaboração do projeto. A partir dos estudos realizados, foi constatada a viabilidade da construção do barramento de terra, não somente devido ao grande consumo de água na região pelo setor agrícola, mas também por conta do Rio do Algodão apresentar condições hidrográficas favoráveis para a construção de uma barragem de terra na localidade. Além disso, o artigo conta também com uma revisão bibliográfica onde aborda os principais conceitos para o estudo de barragens, os elementos que as compõem e o seu papel social e econômico que esse tipo de construção desempenha na sociedade.
Palavras-chave: Barragem de Terra, Bacia Hidrográfica, Rio do Algodão.
1. INTRODUÇÃO
Desde o início da civilização, as barragens foram fundamentais para o desenvolvimento da vida humana. A presença de água em determinados territórios tornou-se um fator decisivo para que as populações criassem raízes, não só para atender as necessidades básicas, como também para o desenvolvimento da agricultura, uma vez que construções coletam e armazenam água durante as cheias e usam em períodos secos.
Muitos anos se passaram e com eles vierem o aperfeiçoamento das técnicas de projeto e construção. Hoje os barramentos podem ser construídos com diversos tipos de matérias e para diferentes finalidades, não apenas abastecimento doméstico, industrial, e irrigação, mas também voltada à navegação, recreação, controle de sedimentação, controle de cheias e produção de energia elétrica, como informa o Comitê Brasileiro de Barragens (CBDB).
Apesar na necessidade da sua implantação na maioria dos casos, atualmente a sociedade tem tido um olhar muito mais crítico em relação aos pontos negativos gerados com a construção de um barramento. Isso ocorre devido aos impactos ambientais e sociais gerados às áreas inundadas e às populações adjacentes que são deslocadas para a dar lugar ao reservatório. Apesar disso, embora haja prejuízos ocasionados por essas grandes construções, muitos são os benefícios que as barragens podem proporcionar a uma determinada região, como a possibilidade de dispor de uma reserva hídrica em ambientes populosos e castigados pela seca, para a utilização na irrigação de agriculturas, além de desempenhar um papel importante no abastecimento dos aquíferos.
Segundo o Atlas Digital das Águas de Minas Gerais (2011), para a elaboração de um projeto seguro de uma barragem é imprescindível a realização de estudos hidrológicos da bacia (para determinar a vazão máxima de cheia e o volume de armazenamento necessário a regularização da vazão), e os estudos hidráulicos utilizados principalmente no dimensionamento de sistemas de extravasor, desarenador e da tomada de água.
Dado o exposto, o presente trabalho consiste em apresentar, através de uma revisão bibliográfica, a importância das barragens, os elementos à compõem, os principais parâmetros hidrográficos para a caracterização de uma bacia, os cálculos matemáticos para o alcance da estabilidade dos taludes, além desenvolver um estudo da viabilidade da implantação de uma barragem de terra de pequeno porte na região do Rio do Algodão para o abastecimento da cidade de São Desidério, localizada no Oeste da Bahia. Para isso, foi realizado um estudo da Bacia Hidrográfica em questão através de um Modelo Digital de Elevação, onde delimitou-se o rio, gerando os caminhos preferenciais das águas, os perfis de relevo da bacia e a sua declividade média, para então dimensionar o talude de terra, obedecendo as características do rio em questão e as metodologias normativas para a sua elaboração.
O desenvolvimento de estudos como este é de extrema importância durante a graduação de Engenharia Civil, pois possibilita o estudante banhar-se de diversos conhecimentos adquiridos ao longo do curso, como modelos construtivos, cálculos estruturais, estabilidade, geotécnica, percolação, entre tantas outras esferas, tornando um exercício multidisciplinar o desenvolvimento de uma obra hidráulica como os barramentos, sendo está de grande responsabilidade uma vez que interfere nos cursos d’água de um rio e em todo ambiente em seu entorno.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Para que consigam suportar o empuxo da água, a escolha do tipo de barramento é de suma importância. De acordo Maragon (2004), para uma escolha adequada da barragem leva-se em conta primeiramente à segurança da obra, a qual está ligada a característica inerente do local, sendo elas a topografia e as condições para a fundação (espessura e as características físicas, químicas e mineralógicas da rocha que suportará o peso da barragem), como também o custo da obra em função do tipo de material disponível na localidade, tonando-se muitas vezes fator decisivo na hora da escolha do barramento, sobrepondo-se até mesmo ao que constam as análises geológicas.
2.1 BARRAGENS DE TERRA
Lopes e De Lima (2005) dizem que uma barragem de terra refere-se uma construção feita, basicamente com terra compactada, formando um maciço, em um local estratégico, geralmente transversal a um curso d’água, perene, intermitente, ou efêmero, para permitir o represamento (represas) ou o acúmulo (açudes) de um volume de água. Para cada situação, deve ser dimensionado o maciço de terra determinando comprimento, largura da base, largura do topo, altura total e inclinações. De acordo Marangon (2004), quando composta por núcleo impermeável, apresentam uma região central predominantemente rochosa e com núcleo argiloso vedante, protegendo da passagem de água no interior e garantindo a impermeabilidade à montante com utilização de uma cobertura de asfalto ou outro material que impeça o fluxo.
Segundo o Atlas Digital das Águas de Minas (2011), da Universidade Federal de Viçosa, os principais elementos de uma barragem de terra são: Maciço ou Aterro; Talude do Maciço; Crista do Maciço; Base do Maciço; Espelho d’água; Borda Livre ou Folga; Núcleo Central; Fundação; Drenos; Desarenador; Altura da Barragem; Extravasor e Tomada de Água. Além desses, ABREU (2015) acrescenta também a essa lista o Dissipador de Energia. Tais elementos são ilustrados na figura abaixo:
Figura 1 – Elementos básicos de uma Barragem de Terra.
O barramento propriamente dito em uma barragem de terra é chamado de Talude, transversal ao curso d’água, atuando na retenção do volume, composto por face à montante, em contato com a água e mais inclinado, e face à jusante, sem contato com água e menos inclinado, garantindo a estabilidade do aterro devido à componente horizontal da força que tende a empurrar o barramento de terra, de acordo o Atlas Digital das Águas de Minas (2011).
2.2 ESTABILIDADE DOS TALUDES
Quando se trata de estabilidade de taludes de barragem, é de suma importância se atentar às situações em que o talude tem uma tendência maior de se romper. Para o talude de montante, essas situações são a com o reservatório cheio (situação onde o material fica submerso) e após um esvaziamento rápido (situação onde o peso da água que ajudava na sustentação do talude desaparecerá e o solo ainda vai estar saturado, mas com uma menor resistência ao cisalhamento. Já para o talude de jusante, é necessário se atentar aos efeitos das pressões decorrentes da percolação.
Os métodos utilizados para verificar a estabilidade de taludes são muitos, porém a forma teórica empregada é semelhante. Dentre esses, há o Método das Fatias, em que fundamenta em dividir a superfície vulnerável à ruptura em fatias.
Abaixo vão ser apresentados dois dos métodos de fatias utilizados com mais frequência nos estudos de estabilidade de taludes, são eles o Método de Fellenius e o Método de Bishop Modificado.
2.2.1 MÉTODO DE FELLENIUS
Por esse método é calculado o fator de segurança do talude excepcionalmente por meio do equilíbrio de momento em relação ao centro O, não levando em consideração as forças tangenciais e normais às paredes das fatias, como mostra a Figura 2 a seguir.
Figura 2 – Forças atuantes em uma fatia pelo Método de Fellenius.
A partir dela, pode-se determinar o fator de segurança (FS) através da Equação 1 descrita abaixo:
Onde:
O erro nesse método pode chegar a 60% em casos em que há a presença de poropressões elevadas. Caso não haja a presença de poropressões, o erro pode chegar a 10%.
2.2.2 MÉTODO DE BISHOP MODIFICADO
Esse método é considerado um aperfeiçoamento do método de Fellenius. Ele tem como hipótese que as resultantes das forças entre as fatias estão na horizontal. Considera também que a força normal age no centro da base da fatia e é calculado a partir do somatório das forças na vertical desprezando o somatório das forças horizontais.
O fator de segurança (FS) é obtido a partir da Equação 2 e 3 a seguir:
Onde:
A solução resulta de um processo iterativo, no qual é arbitrado o valor do fator de segurança ??? da equação acima e calcula-se o fator ??. O processo se repete até que o valor calculado (??) se iguale ao valor arbitrado (???). Há problemas nesse método quando a superfície de ruptura demonstra uma inclinação acentuada próxima ao pé do talude.
Há problemas nesse método quando a superfície de ruptura demonstra uma
inclinação acentuada próxima ao pé do talude.
2.3 REGIÃO DE ESTUDO
O município escolhido para a elaboração do trabalho foi o de São Desidério – BA, localizada a 869 km de Salvador. De acordo o Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), a cidade encontra-se situada na região Oeste da Bahia e na mesorregião do Extremo Oeste Baiano. A Figura 3 abaixo evidencia a localidade de São Desidério no mapa da Bahia.
Figura 3 – Localização do município de São Desidério no Estado da Bahia.
Conforme os dados do IBGE, São Desidério possui uma população estimada em 2020 de 34.266 habitantes e sua densidade demográfica é de 1,82 hab/km². Sua área total é de 15.156,712 km² (2019), dispondo de um PIB per capita de R$69.979,13.
A cidade é cortada pelo Rio do Algodão, que desempenha o papel fundamental para a próspera produção agrícola da região. Se destaca principalmente pelo cultivo da soja, chegando a uma produção de 1,6 milhão de toneladas em 2018, tendo valor de produção atingindo a marca de 1,8 bilhão, sendo a terceira maior produtora do grão no País, de acordo Daniela Amorim do site Terra.
Segundo o CODEVASF (2018), o município de São Desidério conta com uma barragem de irrigação feita de concreto desde a década de 70, tendo como manancial utilizado o Rio São Desidério. Entretanto, a escolha da região para o estudo do dimensionamento de uma pequena barragem de abastecimento se deu pelas características hidrográficas favoráveis da região, pela simplicidade em delimitar o Rio do Algodão, como também pela presença de um solo interessante para a construção de uma barragem de terra, sendo predominantemente composto pelo Latossolo Vermelho.
3. PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
A presente estudo se configura como uma pesquisa quali-quantitativa, onde, em um primeiro momento, é realizado um estudo e análise de dados hidrográficos do Rio do Algodão, para posterior dimensionamento e escolha da tecnologia construtiva mais viável para a execução do barramento na região, garantindo a estabilidade do talude de acordo os métodos matemáticos de Bishop e Fellenius, assim como a compreensão dos conceitos fundamentais para o estudo de barragens por meio da revisão bibliográfica apresentada, caracterizando-se como uma pesquisa experimental do ponto de vista dos procedimentos técnicos.
Para a delimitação do Rio do Algodão optou-se para utilização da plataforma OpenStreetMap, o que possibilitou posteriormente o levantamento morfométrico – estudo das formas – para determinar as características fisiografias de toda a bacia. Para tal, foi adotado o software ARCMAP, um sistema de informações geográficas de onde foram obtidos os parâmetros básicos para realização dos cálculos hidrográficos, juntamente com o desenvolvimento do Modelo Digital de Elevação Hidrologicamente Consistente (MDEHC). Através da camada raster, verificou-se os caminhos preferenciais da água, o relevo da bacia e a declividade média da mesma, definindo assim os parâmetros necessários para o dimensionamento da barragem de terra na região em questão.
4. ANÁLISE DOS RESULTADOS
4.1 DADOS DO PROJETO
O presente projeto foi elaborado para a construção de uma barragem de abastecimento, do tipo barragem de terra, localizada no município de São Desidério/BA, na Bacia do Rio do Algodão. A área foi localizada no mapa e posteriormente levantada as coordenadas do local através do site OpenStreetMap.
Figura 4 – Delimitação do trecho e levantamento das coordenadas do Rio do Algodão, no município de São Desidério-BA.
Para delimitar o Rio do Algodão, fez-se necessário um levantamento morfométrico – estudo das formas – no qual foi possível determinar as características fisiografias de toda a bacia. Para tal, utilizou-se o software ARCMAP, um sistema de informações geográficas de onde foram obtidos os parâmetros básicos para realizar os cálculos hidrográficos e determinar as principais características do Rio do Algodão, sendo estas utilizadas posteriormente no dimensionamento da barragem de terra para a região.
4.2 DELIMITAÇÃO DA BACIA
Para a realização dessa etapa do estudo, foram seguidos os seguintes passos: a preparação do Modelo Digital de Elevação Hidrologicamente Consistente (MDEHC) a partir das imagens raster SRTM (Shuttle Radar Topography Mission), a delimitação da bacia hidrográfica com o uso do software ArcGis 10.5 e Archydro, e a determinação dos valores dos atributos morfométricos através do ArcGis 10.5 e Excel.
O uso de imagens SRMT para tratar dos estudos cartográficos em qualquer campo, como na ecologia, hidrologia e geomorfologia, é bastante recorrente. Desse modo, para estudos do relevo, em aspectos quantitativos e qualitativos, essas imagens são essenciais para a criação de mapas de hipsometria, declividade e topografia.
Para verificar a bacia hidrográfica e a partir disso calcular a sua área e seu perímetro é necessário saber os seus limites. A partir da delimitação da bacia hidrográfica, a área e o perímetro podem ser obtidos, os rios organizados e devidamente classificado. Essa delimitação é feita com as imagens SRTM baixadas do satélite da Nasa e com o ArcGis 10.5, e para os cálculos dos atributos morfométricos as unidades de medidas foram convertidas para metros. Sendo assim, a área da bacia hidrográfica trata-se da área total plana delimitada a partir dos divisores topográficos da bacia hidrográfica.
4.3 MODELO DIGITAL DE ELEVAÇÃO HIDROLOGICAMENTE CONSISTENTE
O Modelo Digital de Elevação Hidrologicamente Consistente (MDEHC) é o Modelo de Elevação que tem a melhor caracterização do caminho preferencial da água. O MDEHC é bastante usado por causa da sua precisão para encontrar as características físicas da região de uma bacia hidrográfica. O MDEHC foi criado para a Bacia do Rio do Algodão através do programa de geoprocessamento (ARCGIS). Para tanto, foram agrupadas as bandas das camadas raster, para criar uma só imagem, posteriormente ajustamos no formato da bacia, extraímos e por fim filtramos para concluir essa imagem.
Figura 5 – MDEHC do Rio do Algodão, no ARCGIS.
Desse modo, foi feito o tratamento do MDE para fazê-lo ser hidrologicamente consistente (MDEHG). Começou-se o processo usando a ferramenta Spacial Analist Extraction, depois usamos a ferramenta Fill, assim houve a necessidade de saber a direção do escoamento e o número de células que contribuem para o escoamento de cada pixel do curso d’água.
Figura 6 – Direção do fluxo do Rio do Algodão, no ARCGIS.
Seguidamente, com a direção do curso d’água, usamos a ferramenta Flow Acummulation e o comprimento dos cursos d’água pelo Lenght.
Figura 7 – Pontos de acumulação de fluxo do Rio do Algodão, no ARCGIS.
Por fim, usamos outros tratamentos no shape da bacia para conseguir o Modelo de Elevação Digital (MEDHC) segundo a ordem de Strahler e assim conseguimos o Modelo de Elevação Digital Hidrologicamente Consistente.
Figura 8 – Delimitação da bacia em estudo, sobre a layer da altitude do MDEHC, no ARCGIS.
Figura 9 – Microbacias da região do Rio do Algodão, no ARCGIS, delimitada pela bacia em estudo.
Figura 10 – Pontos de drenagem, delimitado pela bacia, no ARCGIS.
Figura 11 – Linhas de drenagem, delimitada pela bacia, no ARCGIS.
A área da bacia foi encontrada através dos seus limites (basin). Usamos o programa ARCGIS e encontramos uma área aproximadamente de 543076200 m2 ou 543,076200 ?m2.
O perímetro da bacia foi encontrado através dos seus limites (baisn). Usamos o programa ARCGIS e encontramos o perímetro de 326280 metros ou 326,280 quilômetros.
Figura 12 – Tabela, gerada no ARCGIS, com os valores de perímetro (Shape Length) e área (Shape Area) da bacia em estudo.
4.4 RELEVO DA BACIA
Nesse tópico será abordado as características do relevo da bacia do Rio do Algodão. Em se tratando de uma barragem de abastecimento e como não barraremos toda a bacia, apenas um trecho do rio, é imprescindível que se faça uma análise geral de toda a extensão hidrográfica, para a partir de então, considerarmos apenas a parcela interessada a qual será barrada, no caso o trecho do Rio do Algodão próximo ao município de São Desidério-BA.
Desse modo, serão calculadas na sequência os dados de Declividade Média e Elevação Média da bacia. Essas características interferem nos fatores hidrológicos e meteorológicos, uma vez que a declividade do terreno determina a velocidade do escoamento superficial da bacia e altitude influencia na precipitação, na evaporação e na temperatura. A partir das médias dos índices, é possível traçar o perfil geral da bacia e adotar tais características ao Rio do Algodão.
4.5 DECLIVIDADE MÉDIA DA BACIA
A declividade média da bacia é um aspecto que auxilia na hora de determinar na a velocidade do escoamento superficial. Com isso, a velocidade do escoamento superficial que estabelece o período de concentração da bacia, faz a definição da amplitude dos picos de enchente e, além disso, a velocidade do escoamento possibilita a maior ou menor chance de infiltração da água. Desta forma, afeta também a probabilidade para erosão dos solos.
De uma forma mais clara, quanto maior for a declividade do terreno, maior a rapidez de escoamento e menor será o tempo de concentração. Acarretando assim, em maiores perspectivas de picos de enchentes.
A declividade média da bacia, o tipo de terreno, o solo e o seu uso estão diretamente relacionados as enchentes e infiltração da água, calculada a partir da Equação 4.
Onde,
Para a bacia do Rio do Algodão temos,
Figura 13 – Delimitação da bacia do Rio do Algodão e Altitude da bacia(m), cota superior e inferior.
Figura 14 – Comprimento (m) e área (m) da bacia do Rio do Algodão.
A diferença entre as altitudes é determinada a partir da Equação 5.
Cota superior – Cota inferior = 237 metros (5)
A equidistância entre as cotas de nível adota é de 30 metros. Logo,
? = 30 ?
? = 543076200 ?²
Nesse sentido, o comprimento total é fornecido a partir da Equação 6.
Logo, a declividade média da bacia é de 1.80%.
4.6 ELEVAÇÃO MÉDIA DA BACIA
A elevação média da bacia representa o estudo da variação da elevação dos vários terrenos da bacia com referência ao nível médio do mar. Ela influencia a precipitação e as perdas por evaporação e transpiração e, consequentemente, influencia o deflúvio médio. Essa elevação pode ser calculada a partir da Equação 7.
O Quadro 1 representa os dados coletados para a bacia em questão.
Quadro 1 – Tabela utilizada para o cálculo da elevação média da bacia.
| Curvas | ??(?) | ??(??2) | ?? ∙ ?? |
| 696 – 726 | 711 | 14663.05 | 10425428.55 |
| 726 – 756 | 741 | 45075.32 | 33400812.12 |
| 756 – 786 | 771 | 67884.52 | 52338964.92 |
| 786 – 816 | 801 | 89064.49 | 71340656.49 |
| 816 – 846 | 831 | 103184.48 | 85746302.88 |
| 846 – 876 | 861 | 127079.83 | 109415733.6 |
| 876 – 906 | 891 | 64082.99 | 57097944.09 |
| 906 – 933 | 919,5 | 32041.52 | 29462177.64 |
| ∑ | 543076.2 | 449228020.3 |
Fonte: Arquivo próprio, 2020.
Logo, a elevação média da bacia do Rio do Algodão é 827.2 metros.
4.7 DETERMINAÇÃO DA BARRAGEM
Depois de encontrada a elevação média da bacia igual à 827,2m, fora adotada
neste trabalho como cotas para as curvas de nível o intervalo entre 810m a 822m,
considerando um valor um pouco inferior à média de toda a extensão hidrológica
devido à localização a qual se deseja alocar o barramento.
Com isso, foi realizado o mapeamento da bacia de contribuição do barramento e gerado suas curvas de nível estimadas. No trabalho em questão, as curvas de nível foram traçadas com distancias equidistantes correspondentes a um metro. Após isso, foi possível relacionar as cotas de cada nível com suas respectivas áreas como pode ser observado no Quadro 2, onde S13 representa o nível máximo de água, onde dá- se a diferença entre S12 e S13 por 0,487m devido à altura do vertedouro, como calculado posteriormente.
Quadro 2 – Relação entra cota e área.
| Nível | Cota (m) | Área (m²) |
| S0 | 810 | 0 |
| S1 | 811 | 130 |
| S2 | 812 | 1500 |
| S3 | 813 | 4800 |
| S4 | 814 | 9920 |
| S5 | 815 | 31120 |
| S6 | 816 | 47250 |
| S7 | 817 | 65500 |
| S8 | 818 | 118090 |
| S9 | 819 | 189020 |
| S10 | 820 | 261980 |
| S11 | 821 | 294980 |
| S12 | 822 | 324980 |
| S13 | 822,487 | 353400 |
Fonte: Arquivo próprio, 2020.
4.8 DIMENSIONAMENTO E BARRAGEM
A altura da Barragem foi definida utilizando os seguintes parâmetros: a altura normal (ℎ?), acrescida da altura da folga (?), altura do extravasor (ℎ?) e altura da onda que se pode formar na barragem (ℎ?).
De acordo com o Quadro 2, a altura normal da barragem foi determinada pela diferença da cota do nível da água (822) e a cota de fundo da barragem (810), sendo ℎ? = 12m.
4.9 CÁLCULO DA BORDA LIVRE (f) E A ALTURA DA ONDA (ho)
Sabendo que o comprimento do curso de água até o eixo da barragem em questão é de 11 km, foi possível determinar a altura da onda a partir da Equação 8.
Com a altura da onda encontrada, pode-se verificar a altura necessária de borda livre (?) contida na Equação 12.
4.10 ALTURA DA BARRAGEM
A altura da barragem pode ser determinada a partir da Equação 10, tendo como embasamento as seguintes informações previamente identificadas.
Sendo,
Temos,
4.11 CÁLCULO DA CRISTA DA BARRAGEM
Uma das exigências do projeto é que a crista da barragem deve ser projetada com largura suficiente para o tráfego de veículos. Então, calculou-se a crista da barragem por meio da Equação (11) recomendada pelo “U.S. Baureau of Reclamation (CARVALHO, 2008)”.
4.12 CÁLCULO DO VERTEDOURO
Como válvula de escape para as cheias programadas, são utilizados os vertedouros. Para dimensiona-los com segurança, foi realizado o cálculo da vazão por ele passada para uma precipitação com a duração de 24 horas seguida. A vazão para tal precipitação é dada pela Equação 12, onde s é dado pela área da bacia hidráulica (Km²), p a precipitação máxima de 24 horas seguidas (mm) e r o coeficiente de deflúvio.
A precipitação máxima de 24 horas seguidas (p) naquela região é de 233mm, tendo 0 mm de precipitação do mês julho, o mais seco, e dezembro sendo o mês mais úmido, como representado no gráfico abaixo (Figura 15).
Figura 15 – Precipitações Médias em São Desidério-BA.
Sendo a área da bacia hidráulica é igual à 1702670m², e o coeficiente de deflúvio 0,8 devido à ocupação do solo e à declividade da bacia, é possível identificar a vazão a partir da Equação 13.
Encontrada a vazão para a precipitação de 24 horas, é possível calcular a Largura do Vertedouro (L) para dado valor de escoamento (Equação 14), sendo g a aceleração da gravidade (m/s²) e h o valor de 1/3 da borda livre, portanto 0,487m.
Tendo a vazão e a largura determinadas, foi possível calcular a velocidade de escoamento de vertedouro (Equação 15), levou-se em consideração a área do vertedouro.
Onde A é a área (m²), L a largura(m), h a altura(m) e Ø a inclinação em graus do talude do vertedouro, onde adotou-se 45º, achando A igual à aproximadamente 3,7m².
Com a área determinada, calculou-se a velocidade de escoamento (Equação 16) dada em m/s a partir da relação vazão para precipitação de 24 horas (Q) sobre a área do vertedouro (A).
Sendo assim, compatível com as dimensões hidráulicas calculadas.
4.13 DETERMINAÇÃO DAS LINHAS DE INFILTRAÇÃO
Para tal definição e construção gráfica de Casagrande utilizaram-se as Equações 17 e 18 a partir da parábola de Kozeny.
Onde,
? = Altura na qual a água saíra à jusante do barramento, valor fixo para x = 47,07m (metros);
ℎ = altura do nível normal da barragem (metros);
? = distância horizontal da linha de influência.
Onde,
x = distância horizontal arbitrada, até encontrar o valor do nível normal de água (metros).
Sendo assim, temos que,
E a partir disso, foi possível com as equações utilizadas, considerando M = 47,07 metros, alterar o valor de “x’ na Equação 19 e construir então o Quadro 3, o qual consta os valores encontrados.
Quadro 3 – Valores encontrados a partir da parábola de Kozeny.
| x (metros) | y (metros) |
| 0 | 1,20 |
| 5 | 3,98 |
| 10 | 5,50 |
| 15 | 6,68 |
| 20 | 7,68 |
| 25 | 8,57 |
| 30 | 9,37 |
| 35 | 10,11 |
| 40 | 10,80 |
| 45 | 11,45 |
| 47,07 | 11,70 |
Fonte: Acervo Pessoal, 2019
4.14 INCLINAÇÃO DOS TALUDES
Para o próximo passo, foi determinado a inclinação inicial usual do talude de montante e o de jusante de acordo a recomendação da Eletrobrás (2000 apud LOPES e DE LIMA, 2005).
Quadro 4 – Inclinação dos Taludes de Barragens
A classificação da barragem em questão se deu a partir do estudo do solo e topografia do mesmo. A análise textural (granulométrica) apresentou solo com 40% de areia, 10% de silte e 50% de argila, conforme mostrado na Figura 16 abaixo. Como o solo é classificado como argiloso não é necessário construir o núcleo, caso contrário, o solo é heterogêneo e precisa construir o núcleo.
Figura16 – Classificação do Solo
Considerou-se para a inclinação dos taludes o exposto na classificação Unificada, onde, como é um solo argiloso, para o talude de montante adotou a inclinação de 1 na vertical para 3 na horizontal (Montante: 1:3) e para o talude de jusante a inclinação de 1 na vertical para 2,5 na horizontal (Jusante: 1:2,5).
4.15 BASE DA BARRAGEM
Levando em consideração que o solo da barragem em questão é classificado como argiloso, a altura da barragem (HBarragem) ser de 16,96 m, a largura da crista (C) ser de 6,4 m e a projeção horizontal da montante (m) e da jusante (j) adotados serem, respectivamente, de 3 m e 2,5 m, pode-se calcular a base da barragem (B) por meio da Equação 22.
Com isso, temos que
Na Figura 17, é possível identificar a seção transversal do maciço.
Figura 17 – Seção transversal do maciço.
4.16 ESTABILIDADE DE TALUDE DE ATERRO
A estabilidade dos taludes varia de acordo cada situação e particularidade, uma vez que o terreno pode, por inúmeros motivos, sofrer esforços tangenciais que tendem a mover o solo fazendo-o ceder ou escorregar.
Meirelles (2012) afirma que escorregamentos de taludes são ocasionamos na maioria das vezes por conta da ação da água, resultando na saturação do solo e a perda da sua resistência, gerando uma força atuante na direção do deslizamento. A linha de infiltração por ter sua cota final no talude de jusante, torna-se o ponto mais crítico para análise. Segundo ABREU (2015), devem ser analisadas as seguintes situações referentes ao posicionamento da linha de saturação em um talude.
A) Análise com a linha de infiltração presente com filtro de pé no talude de jusante e de montante por Fellenius. 55 B) Análise com a linha de infiltração presente com filtro de pé no talude de jusante e de montante por Bishop Simplificado. C) Análise com a linha de infiltração presente sem filtro de pé no talude de jusante e montante por Fellenius. D) Análise com a linha de infiltração presente sem filtro de pé no talude de jusante e montante por Bishop Simplificado. (ABREU, 2015)
Com a determinação das linhas freáticas e compreendida a atuação e localização no talude das seções hipotéticas saturadas, parte-se para a análise da estabilidade do talude. Para isso são utilizados os métodos de Fellenius e Bishop, onde são estudadas superfícies hipotéticas correspondentes às condições de solicitação de final de construção, operação com o reservatório cheio e seu rebaixamento rápido (CARVALHO, 2004).
Quadro 5 – Fatores de segurança mínimos utilizados nas análises de estabilidade.
Fellenius a partir do seu cálculo do Fator de Segurança (FS) para a garantia do não rompimento da Barragem, realiza uma comparação entre os momentos atuantes no taludes do barramento e procura assegurar a estabilidade do maciço por meio do equilíbrio de momento em relação ao centro O, não levando em consideração as forças tangenciais e normais às paredes das fatias, como apresentado anteriormente.
Já com o método de Bishop, é realizado um aperfeiçoamento dos cálculos do Fator de Segurança de Fellenius em que traz como hipótese que as resultantes das forças entre as fatias estão na horizontal, como já também já apresentado pela Equação 2.
Levando em conta das desastrosas consequências que os escorregamentos acarretam, ocasionando o rompimento na barragem, o processo de estabilização dos taludes é imprescindível para garantir a segurança do barramento, tendo a Engenharia um papel importante de assegurar que o estudo seja realizado com exatidão e precisão.
4.16.1 ESTABILIDADE DOS TALUDES DO ATERRO SEM A PRESENÇA DO FILTRO E LINHA DE INFILTRAÇÃO PRESENTE
Abreu (2015) em seu estudo de estabilidade de taludes analisa um maciço como a linha de infiltração e sem a presença do filtro, obtendo o seguinte resultado (Figura 19).
Figura 18 – Talude do aterro sem a presença do filtro e linha de infiltração presente.
É perceptível na imagem acima a linha de infiltração do solo sem a presença do filtro de pé, resultando na percolação na água pelo maciço e tendo como caminho final o talude a jusante. Esse fenômeno é extremamente prejudicial à segurança do barramento uma vez que a saída da água pelo interior pode ocorrer carreamento de finos e consequentemente provocar erosões e deslizamentos de terra. Para Abreu (2008), a diferença entre os métodos de Bishop Simplificado e Fellenius se dá pela interposição entre as partes mais próximas, ocasionando no aumento de segurança do fator global.
4.16.2 ESTABILIDADES DOS TALUDES DO ATERRO COM A PRESENÇA DO FILTRO E LINHA DE INFILTRAÇÃO PRESENTE
Com a presença do filtro de pé, a água percola por dentro do maciço por um caminho controlado e seguro (filtro de pé), de maneira que a linha de infiltração não secciona o maciço por completo, reduzindo as chances de carreamento do material e consequentemente de deslizamento do maciço (Figura 20).
Figura 19 – Talude do aterro com a presença do filtro e linha de infiltração presente.
Segundo Abreu (2015), esta análise difere um pouco das demais por possuir um filtro de pé, no qual apresenta um material que funciona como um dreno, sendo este considerado material de 3ª categoria e que atua como um filtro, tornando-se o ponto final para linha de ruptura.
Dado os exemplos, é perceptível que a ausência de água em um talude acarreta em acréscimo do FS, uma vez que as chances de deslizamentos reduzem significativamente. Tais situações foram apresentadas e comparadas com o intuito de comprovar a eficiência dos filtros de pé, garantindo maior segurança a estabilidade do barramento.
5. CONSIDEÇÕES FINAIS
Dado o exposto, concluiu-se que as barragens são de extrema importância para o progresso da vida humana, e as vantagens em construí-las dependem de sua finalidade, que são diversas. Para a sua concepção, é necessário se atentar a vários aspectos relacionados à segurança de barragens, sendo fundamentais os estudos hidrológicos desenvolvidos na bacia e no correto dimensionamento dos vários elementos de uma barragem (borda livre, orla de segurança, largura da crista, vertedouro, linha freática), dando a devida atenção a cada um deles para que a construção funcione plenamente e seus riscos sejam sanados o máximo possível.
Além disso, no presente artigo foi analisado os fatores sociais, ambientais e hidrológicos que viabilizaram a realização de projeto de barramento de terra no Rio do Algodão, uma vez que a região tem um grande consumo de água devido a atividade agrícola da região, e o rio apresenta condições que garantem a sua execução.
Com a realização desse projeto, fomos capazes de desempenhar o dimensionamento de uma barragem de terra para abastecimento, colocando em prática temas pouco abordados em sala de aula, conhecimentos diversos adquiridos ao longo da graduação e buscando através de pesquisas bibliográficas o maior entendimento acerca desse processo de construção, se mostrando de extrema importância para o engenheiro civil, ao analisar todos os aspectos referentes a construção segura de um barramento.
REFERÊNCIAS
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CARVALHO, David de. Barragens: Uma introdução para graduandos, 2001.
Disponível em: <professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/15030/material/barrag
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MEIRELLES, Fernando Setembrino Cruz. Curso de Segurança de Barragens.
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SILVA, Antônio Luiz de Oliveira Correia, 2020. CONDEVASF. Companhia de Desenvolvimento dos Vales do São Francisco e do Parnaíba São Francisco. Disponível em: <https://www.codevasf.gov.br/linhas-de-negocio/irrigacao/projetos-publicos-de-irrigacao/elenco-de-projetos/em-producao/sao-desiderio-barreiras-sul>. Acesso em: Novembro de 2020.
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<www.atlasdasaguas.ufv.br/exemplos_aplicativos/roteiro_dimensionamento_barragen
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[1] Graduanda em Engenharia Civil.
[2] Graduando em Engenharia Civil.
[3] Orientadora. Especialização em Engenharia Rodoviária: Do Estudo De Viabilidade Ao Projeto Executivo. Graduação em Engenharia Civil. Graduação em Engenharia Civil.
Enviado: Novembro, 2020.
Aprovado: Novembro, 2020.
