ARTIGO ORIGINAL
GOMES NETO, Cícero Ferraz [1], MOREIRA, Ícaro Ferreira Leite [2], SOTERO, Camila da Silva [3]
GOMES NETO, Cícero Ferraz. MOREIRA, Ícaro Ferreira Leite. SOTERO, Camila da Silva. Estudo prévio do dimensionamento da barragem do Rio da Caixa para o abastecimento do Município de Rio do Pires – BA e região. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 05, Ed. 12, Vol. 08, pp. 43-75. Dezembro de 2020. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-civil/rio-da-caixa
RESUMO
A necessidade da criação de uma barragem para o abastecimento do município do Rio do Pires e de algumas cidades adjacentes pertencentes ao Sertão Produtivo se deu, por entre outras razões, pelos efeitos adversos causados pelos longos períodos de estiagem. Com o objetivo de fornecer água à população rio-pirence e realizar um reforço no abastecimento de algumas cidades vizinhas, foi aberto em 2020 o edital para a desenvolvimento do projeto executivo para a construção da barragem do Rio da Caixa. Devido à essa necessidade da região por medidas que reduzam os danos causados pela falta de chuva em alguns períodos do ano, o presente artigo tem como objeto realizar um estudo prévio do dimensionamento da barragem para o abastecimento do Rio do Pires-BA e contribuição à cidades adjacentes ao município que precisam de reforços nos volumes de abastecimento. Para isso, foi realizada uma revisão bibliográfica com os principais conceitos para a compreensão do estudo, apresentado um levantamento das características hidrográficas da bacia do Rio da Caixa a partir de um Modelo Digital de Elevação Hidrologicamente Consistente (MDEHC) utilizando o software QGIS e desenvolvido um dimensionamento prévio com base nos modelos teóricos de barragem de terra, caracterizando-se como uma pesquisa de natureza exploratória, abordagem quali-quantitava e estruturada em um estudo de caso. Para a utilização de tais métodos, foi considerando um solo com características genéricas e propícias para a implantação de uma barragem de terra no Rio da Caixa, buscando a viabilidade técnica para a sua execução.
Palavras-chave: Barragem do Rio da Caixa. Rio do Pires, barragem para abastecimento, bacia hidrográfica do Rio Paramirim.
1. INTRODUÇÃO
As barragens são elementos estruturais, muito comuns, implantas transversalmente em direção a um curso d’água que tem como objetivo principal o armazenamento de água, mas também são utilizadas para a contenção de rejeitos e geração de energia elétrica.
Os componentes estruturais desse tipo de obra são o barramento, utilizado como estrutura de retenção; crista, parte superior; borda livre, distância vertical entre o nível máximo e a crista; talude de montante, parte que fica em contato direto com a água; talude de jusante, lado oposto ao de montante; encontro ou ombreiras, partes em que há contato da barragem e o terreno natural; vertedouros, construções hidráulica utilizada para controlar o nível da barragem; fundação, base em que a barragem se apoia.
A classificação das barragens pode ocorrer de forma diferente podendo ser de acordo com o objetivo, o projeto hidráulico ou os materiais utilizados na sua construção. São estruturais multidisciplinares, utilizadas para as mais diversas finalidades, principalmente para o abastecimento de municípios e irrigações de plantações em regiões pouco chuvosas.
Diante do exposto, este artigo tem como objeto a realização de um estudo prévio do dimensionamento de uma barragem de terra para o abastecimento da cidade de Rio do Pires, município baiano pertencente ao Polígono da Seca, e reforço no fornecimento de água em algumas populações de cidades adjacentes que compõem o Sertão Produtivo, castigadas por longos períodos de estiagem na região. Para atender ao que foi proposto, será realizado um estudo de caso, respeitando as características hidrográficas da região através de um levantamento prévio, teórico e estimado do projeto construtivo Barragem do Rio da Caixa, adotando além da população de Rio de Pires, uma quantidade de 40 mil habitantes considerando que cidades vizinhas possam se beneficiar desse reforço no abastecimento de água na região.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
O desenvolvimento de projeto de barragens são bastante complexos, pois requer diversos conhecimentos ligados à hidráulica e hidrologia, como também profissionais da área de topografia, geotécnica, estruturas e materiais e da engenharia civil. Os profissionais ligados ao meio ambiente, como engenheiros ambientais, biólogos e analistas ambientais, são cada vez mais importantes nesse tipo de empreendimento, uma vez que a crescente conscientização das questões ambientais e leis ambientais também devem ser atendidas para que os danos ambientais gerados sejam quanto menos possível (BAPTISTA e LARA, 2016).
2.1 ESCOLHA DA TÉCNICA CONSTRUTIVA
A definição acerca do tipo de técnica construtiva ideal para um projeto de barragem dependerá de um grande número aspectos físicos, econômicos e socioambientais. Assim, pode-se construir barragens dos seguintes tipos: concreto, alvenaria, gabiões, mista, enrocamento e maciço de terra, como também cada um desses tipos pode, por sua vez, ser subdivididos em diversos outros tipos distintos e características próprias.
As barragens de terra e enrocamento podem ser construídas com materiais disponíveis na região, com o mínimo de beneficiamento e pode-se usar equipamentos simples e facilmente disponíveis em sua construção, tornando o custo mais competitivo em relação aos outros tipos. Então, os autores acima afirmam que há uma grande adesão desse tipo de barramento no Brasil.
No tocante às fundações, Baptista e Lara (2016) afirmam que o as grandes implicações na implementação de um projeto de barragens está relacionado à mecânica dos solos, consistindo no dimensionamento de um aterro, com baixa permeabilidade, estável quanto ao corpo e quanto à sua fundação. Contudo, a reduzida carga transmitida aos solos e a significativa capacidade de 4 absorção de recalques tornam viável a sua construção sobre praticamente todo tipo de fundação, excetuando-se os solos orgânicos e muito compressíveis.
Segundo Nogueira (2005), a eficiência e a segurança são dos dois requisitos básicos para decidir o tipo de barragem a ser construída. O rompimento de um barramento trás consequências catastróficas, de difícil mensuração quando envolve a perda de vidas humanas, como ocorrido no rompimento da barragem de rejeitos em Mariana-MG, no ano de 2015. Os danos ambientais, materiais e históricos gerados após a catástrofe de Mariana foram incalculáveis e até hoje as famílias afetadas estão se reestruturando, daí a importância de uma construção bem dimensionada, segura e com monitoramento constante.
De acordo Fonseca (2005), para a elaboração de um projeto de barragem de terra é necessária a atenção aos fatores inicialmente mais importantes, sendo imprescindível após a escolha do local, estudar e conhecer a bacia de contribuição, o volume de água a ser armazenada, o regime do rio, o perfil da barragem, a inclinação dos taludes, folgas e as obras acessórias.
2.2 RECURSOS HÍDRICOS
A Lei das Águas (Lei nº 9.433 de 08 de janeiro de 1997) determina que a água não pode ser privatizada, que deve contar com participação da sociedade e governo em sua gestão, além de que ela deve ser utilizada para abastecimento, irrigação, indústria e afins. Sintetizando, recursos hídricos compõem o estudo e reestruturação das atitudes humanas visando corrigir o gerenciamento e uso para as águas.
A intensa urbanização, a distribuição desigual da água, o aumento da demanda sobre ela, a possibilidade real de escassez de água, a importância da água para a prevenção de doenças, entre outros fatores, só reforça a necessidade de uma abordagem mais ampla na gestão das águas, sem deixar de lado os setores relacionados e os impactos ambientais causados por uma má gestão da mesma.
A gestão integrada de recursos hídricos objetiva-se solucionar os problemas referentes aos recursos hídricos devem estar focada no desenvolvimento de sistemas adequados de gestão e na busca por inovações tecnológicas, além de medidas estruturais e não-estruturais para uma melhoria na gestão das águas, que componha todos os setores da sociedade, além de assegurar sua preservação, uso, recuperação e conservação em condições satisfatórias para os seus múltiplos usuários e de forma compatível com a eficiência e o desenvolvimento equilibrado e sustentável da região.
Os aspectos ambientais são fundamentais para um bom gerenciamento do uso dos recursos hídricos e, como consequência, de extrema importância para os aspectos econômicos e sociais. Para isso, deve-se ter um conhecimento sobre o ciclo da água e como a ação antrópica interfere nesse processo..
Desse modo, cada intervenção antrópica em um local onde há movimento de água ocasiona em mudanças em todo aquele sistema hídrico. Um exemplo disso é a construção de uma barragem num rio, que interfere na dinâmica de escoamento, evaporação e infiltração daquela água, usada para finalidades diversas. Portanto, todos os impactos causados quando há a intervenção no ciclo hidrológico natural deve ser pensado para que os problemas que podem vir a acontecer sejam premeditados e solucionados.
No caso da construção de uma barragem, de uma forma geral, há a intervenção no ciclo hidrológico no sentido de influenciar e modificar a disposição do escoamento superficial que forma a bacia hidrográfica e o lençol freático local, reorganizando a dinâmica natural e, possivelmente, acarretando custos ambientais.
2.3 REGIÃO DE ESTUDO
A cidade do município Rio do Pires é localizada no Estado da Bahia e conta com uma população de aproximadamente 11.700 habitantes, com base na estimativa para 2020 realizada pelo IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística). A cidade é pertencente ao bioma da Caatinga e compõem o Polígono da Secas, território compreendido por Troleis e Da Silva (2018) como a região de condições semiáridas que compões uma área com grande atenção às políticas públicas voltas a gestão dos efeitos prejudiciais causados pelos processos de estiagem.
Figura 1 – Localização do município de Rio do Pires-BA.
De acordo o IBGE, o município corresponde a uma área de 657 km² . Rio do Pires sofre com longos períodos de estiagem, sobre tudo no mês de Julho, caracterizado como o mês mais seco da região, chegando a um índice pluviométrico de até 1mm/mês, como apresentado na Figura 2 do levantamento realizado pelo site CLIMA-DATA.ORG (2020).
Figura 2 – Índice pluviométrico do município de Rio do Pires.
Com relação as temperaturas, de acordo o estudo também realizado pelo CLIMATE-DATA.ORG (2020), o mês de Outubro apresenta-se como o mais quente do ano, chegando à temperaturas de até 32,6ºC, mas permanecendo ameno nos demais meses do ano, como ilustrado na Tabela 1. A região sustenta uma tradicional produção agrícola irrigada pelo rio Zabumbão, voltando os seus recursos também para a agropecuária e industrias de pequeno porte.
Tabela 1 – Clima do município de Rio do Pires.
Além do município de Rio do Pires, é esperado que a criação da nova passagem do Rio da Caixa consiga aliviar o uso da barragem do rio Zambumbão, reduzindo conflitos pelo uso das águas na região. A expectativa é que se atenda também parte das população de algumas cidades como Erico Cardoso, Caturama, Ibipitanga, Boquira, Macaúbas, Botuporã, Tanque Novo e Paramirim. (LIMA, 2017).
Figura 3 – Localização de Rio do Pires e de municípios favorecidos pela construção da Barrada do Rio do Caixa.
Baseado em estudos realizados na região em questão, optou-se pela implantação da Barragem do Rio da Caixa à jusante da barragem já existente do rio Zambumbão.
3. PROCEDIMENTOS METODOLOGICOS
O trabalho se configura como uma pesquisa de abordagem quali-quantitativa, uma vez que foi realizada uma revisão bibliográfica trazendo importantes conceitos a cerca do estudo de viabilidade de barragens, e realiza-se o estudo prévio de dimensionamento da barragem de terra para abastecimento através de métodos matemáticos baseados em características hidrográfica da da região e da bacia, levantadas por meio do Modelo Digital de Elevação Hidrologicamente Consistente (MDEHC). Portanto, uma pesquisa aplicada, caracterizada pelo estudo de caso, e de objetivo exploratório.
Para o levantamento de dados, optou-se por delimitar o município do Rio de Pires por meio do software QGIS, utilizando malhas digitais de shapefile do Estado da Bahia disponível pelo site do IPEAGEO. Para a delimitação do Rio da Caixa, foram utilizadas 3 (três) bandas de rasters de satélite disponíveis do pelo Banco de Dados Geomorfométricos do Brasil -TOPODATA, utilizado para realizar o levantamento morfométrico e determinação das características fisiográficas de toda a bacia, através de curvas de nível, declividade média da bacia, entre outros parâmetros necessários para o dimensionamento de um maciço.
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Para a realização do prévio dimensionamento, será adotado um consumo per capta médio de 220 L/dia considerando a população de projeto para a Barragem do Rio da Caixa igual a 51.700 pessoas, onde 11.700 habitantes pertencem a cidade de Rio de Pires, de acordo a estimativa para 2020 pelo IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística), e 40.000 o número considerado para a população adjacente que por ventura poderá ser atendidas e beneficiadas pela construção do novo barramento. A barragem será projetada para que o seu tempo de retorno seja de 50 anos com o bombeamento de 18 horas diárias.
4.1 DELIMITAÇÃO DOS TERRITÓRIOS E TECHO DE BARRAMENTO
O estudo foi iniciado com a delimitação da área do município do Rio do Pires e cidades adjacentes através das malhas digitais de shapefile disponíveis no site do IPEAGEO e sincronizadas com a extensão do Google satélite disponível no próprio programa (Figura 3).
Figura 4 – Delimitação do território do município de Rio do Pires-BA e de cidades vizinhas.
A partir de então, foi identificado o trecho por onde o Rio da Caixa corta o município do Rio do Pires-BA.
Figura 5 – Identificação do Rio da Caixa cortando o território do Rio do Pires-BA.
4.2 GERAÇÃO DAS CURVAS DE NÍVEL E DEFINIÇÃO DA ÁREA DE CONTRIBUIÇÃO E RELEVO DA BACIA HIDROGRÁFICA
Posteriormente, foram geradas as curvas de nível (Figura 5) a uma equidistância de 100m, assim como as áreas de relevo (Figura 6) para a obtenção das características fisiográficas e a declividade da Bacia Hidrográfica do Rio Paramirim. Definiu-se então que a área de contribuição da bacia seria de 13 km² enquanto que o comprimento do curso de água até o eixo da barragem equivale a 9500 metros para uma declividade média do talvegue correspondente a 4%, apontando na Figura 7 todo o trecho em que o rio percorre pelo território do município associado as elevações da região.
Figura 6 – Curvas de nível da área de contribuição da bacia em Rio do Pires.
Figura 7 – Identificação por raster das elevações da região de estudo pertencente a Bacia do Paramirim.
Figura 8 – Trecho em que o Rio da Caixa percorre pelo território do município de Rio do Pires-BA, associado as elevações da região.
Desse modo, foi localizado o trecho de implantação da barragem e geradas as curvas de nível da área de contribuição da bacia, com distância de 1 metro entre si, onde o nível de água normal (útil) não deve ultrapassar S16 = 896 metros.
O perfil longitudinal das curvas de nível, também equidistantes em 1 metro, está representado conforme a Tabel2. As cotas das curvas de nível da bacia de acumulação em questão e a área entre as curvas de nível também estão expressas abaixo.
Tabela 2 – Cotas das curvas de nível e a área correspondente.
| Tabela 1: Relação entre a cota e a área. | ||
| Nível | Cota (m) | Área (m²) |
| S0 | 880 | 0 |
| S1 | 881 | 15 |
| S2 | 882 | 140 |
| S3 | 883 | 490 |
| S4 | 884 | 1100 |
| S5 | 885 | 2100 |
| 6 | 886 | 3700 |
| S7 | 887 | 4500 |
| S8 | 888 | 7805 |
| S9 | 889 | 12500 |
| S10 | 890 | 14200 |
| S11 | 891 | 19500 |
| S12 | 892 | 22800 |
| S13 | 893 | 24870 |
| S14 | 894 | 29780 |
| S15 | 895 | 32300 |
| S16 | 896 | 34890 |
| S17 | 897 | 35250 |
Fonte: Autoria Própria (2020)
Por definição de projeto, a crista da barragem foi dimensionada com largura suficiente para possibilitar o tráfego de veículos, sendo o comprimento do eixo da barragem de uma extremidade a outra de 25 metros.
4.3 DADOS DE SOLO
O solo do local a ser construído o barramento apresentou composição granulométrica da seguinte forma: 50% de areia, 20% de silte e 30% de argila, com o auxílio do triângulo de classificação textural dos solos, mostrado na Figura 4, permitiu classificar o solo em questão como um solo franco argilo-arenoso heterogêneo, visto que para ser considerado como homogêneo (argiloso) teria que possuir mais de 40% de argila na sua composição. Assim, a composição do solo indicou que é necessário fazer projeção de núcleo no interior da barragem.
Figura 9 – Triângulo de classificação textural dos solos
A vegetação da bacia é composta por 44% de pastagem, 2% de culturas permanentes, 22% de capoeiras e matas, 20% de culturas diversas e 12% de reflorestamento.
4.4 PARÂMETROS LEGAIS
Antes de iniciar o dimensionamento de um barramento é imprescindível a verificação documental junto a legislação pertinente ao tema. No que se refere ao Estado da Bahia, o órgão ambiental permite outorgar (retirar do curso de água) até 30% da vazão Q90%, que corresponde à vazão total do curso de água. Esta vazão é obtida através da curva de permanência do rio, feita através de uma série histórica de vazões disponíveis no site da ANA (Agência Nacional de Águas).
Será considerada como critério para regularização de vazão a seguinte equação:
Onde,
= vazão de regularização em m³/s
= vazão de abastecimento em m³/s
Quanto ao cálculo do volume diário demandado utiliza-se a equação abaixo:
Sendo Vd= volume diário demandado em m³.
4.5 DIMENSIONAMENTO
4.5.1 TRATAMENTO DE DADOS
Inicialmente calculou-se a demanda de vazão de distribuição em marcha de 0,200520833 m³/? de acordo com a Equação 3, utilizando-se dos dados de projeto fornecidos a seguir: q= 120 a 250 L/hab.dia; k1= 1,25; k2= 1,4.
= vazão de distribuição em marcha em ?/?;
? = número de pessoas a serem abastecidas (população do projeto);
?1 = coeficiente relativo ao dia de maior consumo;
?2 = coeficiente relativo à hora de maior consumo; q = cota per capta (L/dia);
4.5.2 CURVA DE PERMANÊNCIA
A curva de permanência consiste na relação entre a vazão e a probabilidade de ocorrer esta determinada vazão. Para encontrar a curva de permanência utiliza-se a série histórica de vazões anteriormente arranjada em ordem decrescente (sendo n = 241). Posteriormente, usando a Equação 4 calculamos a probabilidade de haver uma vazão superior a cada vazão disposta na série histórica, identificando o valor de ?90 = 0,21 m³/s.
? = probabilidade de que haja uma vazão superior;
? = número de ordem associado à vazão;
? = total de elementos da série.
Figura 10 – Curva de Permanência.
4.5.3 VOLUME DE REGULARIZAÇÃO
A vazão de regularização pode ser calculada utilizando Equação 1. Para demanda inferior que a 30% da ?90 observa-se que construção de barramento é dispensável, ou seja, a vazão demandada está dentro da permitida por lei. A partir da vazão de regularização multiplicada pelas horas do mês em questão é possível obter o volume de regularização ou demanda. Para determinação do volume necessário do reservatório, fez- se um balanço hídrico de cada mês. O balanço hídrico é calculado por meio da subtração dos volumes mensais pela demanda. Em caso de balanço hídrico negativo, deve-se fazer o somatório desses valores gerando o volume necessário para o reservatório, enquanto que para valores positivos o dimensionamento de reservatório é desnecessário.
Tabela 3 – Balanço hídrico para determinação do volume do reservatório.
A média pluviométrica encontrada para o período de 19 anos foi igual a 1,332199708 (m³/s), dessa forma a demanda é inferior ao valor da vazão média do rio, logo a construção da barragem é dispensável. Sendo assim, o barramento será construído para a cota S16.
4.5.4 ÁREA INUNDADA E VOLUME DE ÁGUA ÚTIL ACUMULADO
Para o cálculo do tamanho da área inundada, utiliza-se a Equação 5 e a tabela 4 com os valores do volume acumulado do barramento. A cota máxima determinada para dimensionamento deste projeto é de 896 m, sendo que o volume útil armazenado (nível normal) e área inundada serão determinados por esta mesma cota. Ou seja, 16m de altura da lâmina d’agua, com volume útil igual a 193245,0m³ e área inundada de 34890m².
Onde,
? = volume entre cotas em ?3;
?? = área da cota em m²;
? = Distância entre cotas.
Tabela 4 – Cota, área, volume e volume acumulado.
|
Nível |
Cota (m) |
Área (m²) |
Volume armazenado (m³) | Volume acumulado (m³) |
| S0 | 880 | 0 | 0,0 | 0,0 |
| S1 | 881 | 15 | 7,5 | 7,5 |
| S2 | 882 | 140 | 77,5 | 85,0 |
| S3 | 883 | 490 | 315,0 | 400,0 |
| S4 | 884 | 1100 | 795,0 | 1195,0 |
| S5 | 885 | 2100 | 1600,0 | 2795,0 |
| S6 | 886 | 3700 | 2900,0 | 5695,0 |
| S7 | 887 | 4500 | 4100,0 | 9795,0 |
| S8 | 888 | 7805 | 6152,5 | 15947,5 |
| S9 | 889 | 12500 | 10152,5 | 26100,0 |
| S10 | 890 | 14200 | 13350,0 | 39450,0 |
| S11 | 891 | 19500 | 16850,0 | 56300,0 |
| S12 | 892 | 22800 | 21150,0 | 77450,0 |
| S13 | 893 | 24870 | 23835,0 | 101285,0 |
| S14 | 894 | 29780 | 27325,0 | 128610,0 |
| S15 | 895 | 32300 | 31040,0 | 159650,0 |
| S16 | 896 | 34890 | 33595,0 | 193245,0 |
| S17 | 897 | 35250 | 35070,0 | 228315,0 |
Fonte: Autoria Própria (2020)
4.5.5 ALTURA DA BARRAGEM
A altura da barragem foi calculada através da Equação 6:
Onde,
Hbarragem = altura da barragem, em metros;
ℎ = altura do nível de água normal, em metros;
ℎ = altura do extravasor, em metros;
ℎ? = altura da folga, em metros;
ℎ? = altura da onda, em metros;
Em caso de formação de onda (ℎ?), deve-se acrescentar seu valor ao valor da folga.
As ondas poderão se formar sobretudo em casos de reservatórios com espelhos de água extensos, no projeto em questão a altura da onda corresponde a 1,396 metros. A partir da observação da tabela de Lanças et al. (1988) que determina a folga de acordo ao espelho d’água e a profundidade, foi possível determina a folga para esta barragem, sendo adotado 1,50 metros em função do porte pequeno da barragem. Vale ressaltar também que, a altura do extravasor foi adotada no valor de 1,5m para posteriormente ser calculado a sua largura de maneira atender esse requisito.
Foram obtidos os valores de 16m, 1,5m, 1,5m e 1,396m para a altura do nível de água normal, altura do extravasor, altura da folga e altura da onda respectivamente. Aplicando os valores na Equação 7, a altura da barragem calculada foi de 20,396 metros, sendo aproximado a critério do projetista para 20,5 metros.
Como exigência do projeto a crista da barragem deveria ser projetada com largura suficiente para o tráfego de veículos. Para o cálculo da crista (C) da barragem utilizou- se a Equação 8, onde se encontrou o valor de 7,1 metros, adotando o valor aproximado de 7,5 metros a critério do projetista.
Para o cálculo da largura da base da barragem (B) utilizou-se a Equação 8. As inclinações de talude de montante de 3,0 metros e de jusante de 2,25 metros foram adotadas devido ao solo argiloso e homogêneo, encontrando-se o valor de 115,125 metros, conforme ilustrado na Figura 11.
Onde,
????????? = Inclinação de talude de montante, em metro;
???????? = Inclinação de talude de jusante, em metro.
Figura 11 – Croqui ilustrativo do barramento.
4.5.6 VOLUME DO MACIÇO DE TERRA
O maciço de terra é a estrutura do barramento que tem por objetivo reter a água, sua composição depende da altura da barragem (?), comprimento do eixo da barragem (L) que corresponde a 25 metros, e dimensões da crista (C) e base da barragem (B). O cálculo do volume do aterro compactado foi efetuado através da Equação 10, encontrando-se o valor de 31422,656m³.
4.5.7 NÚCLEO DO BARRAMENTO
Para dimensionamento do núcleo do barramento será utilizada a altura do nível de água, que no projeto em questão corresponde a 10 metros. A largura do núcleo varia com os pontos de altura adotados, como pode ser observado na Tabela 6. Os dados da Tabela 6 foram obtidos através da Equação 10.
Onde,
?? = comprimento do núcleo, em metros;
? = profundidade que se deseja calcular, em metros.
Sendo assim, a largura do fundo da vala e a largura na superfície no solo terão 6,83 metros, a largura do topo com 3,50 metros e a altura do núcleo 10,00 metros.
Figura 12 – Dimensões do núcleo impermeável de uma barragem de terra.
Tabela 5 – Valores do dimensionamento do núcleo de acordo com a profundidade.
| Altura acima da superfície (m) | Largura (m) |
| 1 | 6,50 |
| 2 | 6,17 |
| 3 | 5,83 |
| 4 | 5,50 |
| 5 | 5,17 |
| 6 | 4,83 |
| 7 | 4,50 |
| 8 | 4,17 |
| 9 | 3,83 |
| 10 | 3,50 |
Fonte: Autoria Própria (2020)
4.5.8 TEMPO DE CONCENTRAÇÃO DA BACIA
Se refere ao tempo necessário para que bacia hidrográfica contribua para o escoamento superficial na seção do projeto. Para o cálculo do tempo de concentração de áreas maiores que 2500 hectares se utilizou a Equação 12 de Ven te Chow, encontrando o valor de 68,27 minutos.
Onde,
?? = tempo de concentração, em minutos;
?ax = comprimento do curso d’água até o eixo da barragem dado, em quilômetros;
?0= declividade do talvegue.
4.5.9 VAZÃO MÁXIMA E DIMENSIONAMENTO DO EXTRAVASOR
O extravasor da barragem foi dimensionado para ser construído em formato retangular para que possa escoar a água antes que ocorra o transbordamento pela barragem o que ocasionaria o colapso da estrutura e seu rompimento. Para calculá-lo é preciso saber a área de contribuição da bacia, o coeficiente de escoamento, o tempo de concentração, a intensidade de precipitação associada a um tempo de retorno definido no início do projeto de 50 anos e a vazão máxima de enchente que a barragem suportaria. Para calcular a intensidade da chuva, será utilizada a Equação 12, onde os parâmetros k, a, b, c foram encontrados pelo aplicativo PLUVIO 2.1. O tempo de concentração foi calculado anteriormente. Dessa forma, o índice de intensidade de precipitação encontrado foi de 75,47798 mm/h.
Onde,
A= área da bacia de contribuição, em m²;
S = declividade;
C= coeficiente ponderado considerando a vegetação presenta na bacia;
T = tempo de retorno, em anos;
t = tempo de concentração, em minutos.
Em seguida, será calculado o valor do coeficiente de escoamento superficial (C) com o auxílio da Tabela 6, para posteriormente realizar o calculo da vazão máxima.
Tabela 6 – Valores do coeficiente de escoamento.
Considerando uma textura média (argilo-argiloso) com predominância de arenosa o Coeficiente ponderado é dado por:
Tabela 7 – Coeficiente de Escoamento Superficial.
A seguir tem-se os dados utilizados para o cálculo da vazão máxima de enchente. A equação 14 utilizada é obtida pelo método racional modificado para áreas de até 15.000 ha. Sendo Ø o coeficiente de retardamento, que se encontra tabelado de acordo a área da bacia. Sendo assim, após efetuados os cálculos obtivemos Qmax igual a 26,91223874m³/s. Após encontrada a vazão máxima de enchente, utilizou-se as equações 14, 15, 16 e 17 para cálculo do volume que entra no reservatório (VE), posteriormente o volume acumulado no reservatório (VA), o volume escoado da barragem (VolES), e a vazão máxima que escoa pelo mesmo (Qextra), tendo os valores obtidos exibidos na Tabela 8.
Tabela 8 – Resultados dos cálculos.
A largura do extravasor é dada pela equação 19 abaixo, onde He é a altura do extravasor somado a altura da onda formada. Logo, obtemos a largura de 3,0010m. Para o cálculo da velocidade, será calculada inicialmente a área do extravasor, e posteriormente será utilizada a equação 20, obtendo assim 2,6847m/s.
Com essa velocidade, pode-se determinar o revestimento do canal a partir da Tabela 9 abaixo, sendo definido como canal revestido em rocha.
Tabela 9 – Tipo de canal em função da velocidade.
Por fim, calculou-se o raio Hidráulico (RH) dividindo-se o perímetro (P) pela área do extravasor (Ae), para ser aplicado na Fórmula de Manning, onde será determinado a inclinação do canal extravasor (I). Obtendo então um raio hidráulico igual a 0,99978102m. Dessa forma, fazendo uso da Equação 21 teremos uma inclinação I=0,002335912m.
4.5.10 DIMENSIONAMENTO DO DESARENADOR
Para o dimensionamento do desarenador temos que calcular primeiro a vazão de esvaziamento através da Equação 22, obtendo assim um resultado igual a 2,077m³/s. Posteriormente calcula-se o diâmetro da tubulação do desarenador que corresponde a 0,64 metros, aproximadamente 65 centímetros, encontrado através da Equação 23 de Hazen-Williams, considerando-se que inicialmente a estrutura funcionará como um conduto forçado. Outra informação relevante é que foi utilizado um tubo ferro fundido, que tem um coeficiente de rugosidade igual a 130. O tempo de escoamento utilizado refere-se ao período de 3 dias ou 259200 segundos.
Por fim, para dimensionar o diâmetro da tubulação que fará a captação de água, será utilizada a mesma equação do cálculo do diâmetro do desarenador, com a vazão demandada. No entanto, para o cálculo da perda de carga substituiremos o valor da base da barragem em sua equação pelo valor do comprimento da tubulação que é de 20000m, sendo utilizado também o material do tubo em ferro fundido de rugosidade 130. Dessa forma obtivemos D=0,690955104 metros para a tubulação de captação.
Em que:
Fr= Número de Froude.
V1= Velocidade teórica, em m/s;
g= aceleração da gravidade, em m³/s
y1= profundidade conjugada.
4.6 BACIAS DE DISSIPAÇÃO PADRONIZADA USBR TIPO III PARA BACIAS COM LARGURA ENTRE 8 E 12 METROS
A s bacias USBR são classificadas em quatro tipos (l, ll, lll, lV) de acordo com o número de Froude, e atuam dissipando a energia através de um ressalto hidráulico. Dessa forma, para dimensionar a estrutura mais adequada, inicialmente, calcula-se o número de Froude através da equação.
Tabela 10 – Velocidades limites recomendadas em função do material das paredes do canal.
Para a escolha da estrutura dissipadora de energia é necessário determinar o valor da velocidade ao pé da rampa extravasora, o número de Froude e a altura de água no final da rampa (Y1).
| g = | 9,81 | m/s² |
| He = | 1,5 | M |
| Hn = | 16 | M |
O valor da velocidade ao pé da rampa é dado pela seguinte equação:
Para encontrar altura da lâmina d’água ao pé da rampa extravasora (Y1) calculou-se a vazão em marcha pela equação a seguir:
Em que:
V = Velocidade;
Y= Altura da Lâmina d’água
Temos:
Deste modo, para calcular o número de Froude utiliza-se a seguinte fórmula obtendo
Fr = 4,159405165
De acordo com Carvalho (2018):
TIPO IV – Para 2,5 < Fr < 4,5. São as bacias menos eficientes, porque a onda que se forma com o ressalto não pode ser controlada pelos acessórios normalmente empregados. O emprego deste tipo de bacia pode ser evitado pela adoção, para a estrutura, de dimensões que resulte em um número de Froude fora desta faixa de valores.
O comprimento L IV é dado pela equação:
Para o cálculo da altura da soleira, utilizaremos a equação a seguir:
4.7 ESTRUTURA DISSIPADORA DE ENERGIA DO TIPO IMPACTO (BRANDLEY- PETERKA), DESENVOLVIDO PELO USBR
A estrutura dissipadora de energia do tipo impacto é utilizada para vazões pequenas, como obras de drenagem e barragens de baixa queda. Essas obras apresentam dissipadores suportam vazões inferiores que 9,6 m³/s para evitar ondas excessivas a jusante e problemas de cavitação. O presente projeto apresenta o valor superior ao citado, possui uma vazão igual a 24,17 m³/s, esse fator impossibilita o dimensionamento da estrutura.
4.8 ESTRUTURA DISSIPADORA DE ENERGIA DO TIPO RESSALTO HIDRÁULICO
O ressalto hidráulico é uma estrutura utilizada para reduzir a velocidade e mitigar a ação da água e os processos erosivos causados pela mesma.
Para que as circunstâncias de jusante não influenciem no escoamento da soleira, o valor da profundidade de água no canal de fuga (Yf) deve obedecer a seguinte condição. (Equação 29)
Em que,
h = altura da soleira;
Y2 = profundidade de jusante no ressalto.
Utiliza-se a tabela abaixo para calcular a altura da soleira através dos valores de Fr e Y1 obtidos anteriormente.
Sabendo que Fr = 4,159405165 e que Y1= 0,444 através da análise da tabela obtém-se o valor da altura da soleira.
Utiliza-se:
h/Y1 = 1,5
Y1 = 0,444
H= 0,00
Y2 = 2,40066612m
Yf = 1,78439666m
Logo, o comprimento da soleira é dado por:
L = 11,6812719m
4.9 SISTEMA DE DRENAGEM UTILIZADO
O tipo de sistema de drenagem deve ser escolhido baseado na necessidade do barramento e de maneira que satisfaça as condições de percolação. Devem seguir os critérios de filtragem apresentar valores de permeabilidade condizentes com as especificações de projeto (ARAUJO, 2013).
Para o presente projeto, optou-se pela utilização do sistema de drenagem de dreno de pé, onde consiste em região com permeabilidade na base do talude à jusante, sendo a técnica mais comum de drenagem de barramentos, transportando e coletando a água de infiltração para a parte externa da barragem por meio de um tubo canaleta, desaguando no vertedouro (MIRANDA, 2016).
A seguir tem-se sua estrutura feita no autoCAD.
Figura 13 – Corte lateral mostrando dreno de pé feito no CAD.
Figura 14 – Dreno de pé feito no CAD. Fonte: Acervo próprio, 2020.
5. CONSIDERAÇÃO FINAIS
A água é fundamental para o desenvolvimento das sociedades e, acima de tudo, para a sobrevivência humana. E, como visto quando abordado sobre os recursos hídricos, é sabido que a sua disponibilidade na natureza é limitada e tem se mostrado insuficiente para atender a demanda em muitas localidades, principalmente em regiões onde há efeitos adversos causados pelos longos períodos de estiagem. Nessa perspectiva, é necessário que as instalações para abastecimento de água, como é o caso de barragem, sejam eficientes no que diz respeito ao fornecimento de água de forma regular e acessível para a comunidade.
Dado o exposto, o presente projeto permitiu que fosse realizado um estudo prévio do dimensionamento da barragem de terra para o abastecimento de Rio do Pires e parte das comunidades das cidades adjacentes ao município de maneira a reforçar o fornecimento de água da região, comprovando não somente a viabilidade da construção do barramento, mas principalmente a necessidade de que a obra seja executada de maneira a garantir mais qualidade de vida e conforto às essas populações residentes na região da Caatinga e Polígono das Secas.
A partir do estudo de caso, foi possível dimensionar um barragem de abastecimento de uma região com uma estimativa populacional de 51700 habitantes, com um consumo médio de 220L/dia, partindo das análises das características hidrográfica do território de estudo e da Bacia do Paramirim, onde se localiza o Rio do Pires, a partir um levantamento do levantamento de dados por meio de um Modelo Digital de Elevação.
Muito embora o trabalho tenha alcançado com êxito o objetivo proposto do dimensionamento do talute e recursos de uma barragem, é válido frisar que uma obra de desse porte envolve outros estudos muito mais aprofundados do que conseguiria ser explorado em um único artigo. Entretanto, foi possível traçar um perfil estimado da Barragem para Abastecimento do Rio da Caixa.
REFERENCIAS
ARAUJO, Michelle Caroline Nogueira de. Estudo de Equivalência entre Drenos franceses e Tapetes Drenantes em Barragens de Terra. 2013. Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Construção Civil- Universidade Federal do Paraná, Curitiba, 2013.
BAPTISTA, M; LARA M. Fundamentos da Engenharia Hidráulica. Belo Horizonte: UFMG, 2002. 440 p.
CARVALHO, J. A. Dimensionamento de Pequenas Barragens para Irrigação. Editora UFLA, 1ªed. Lavras – MG, 2008.
CARVALHO, Marco Antônio; MONTEIRO, Tânia; MACEDO, Fausto. Causa do rompimento da barragem de Brumadinho pode ser a mesma de Mariana. 2019. Disponível em:
CLIMATE-DATA.ORG. Município de Rio do Pires-BA. Disponível em: https://pt.climate-data.org/america-do-sul/brasil/bahia/rio-do-pires-43253/. Acesso em Novembro de 2020.
COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS. Apresentação. Disponível em: www.cbdb.org.br/5-38/Apresentação%20das%20Barragens. Acesso em: Novembro de 2020.
Engenharia Civil na Internet, Barragens de Terra. Disponível em: Acesso: Novembro de 2020.
FONSECA D. Departamento de Engenharia UFRJ. Pequenas Barragens de Terra. Outubro, 2006.
Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada (IpeaGeo). Malhas. Disponível em: https://www.ipea.gov.br/ipeageo/malhas.html. Acesso eu aviso.
LIMA, Lavínia. Barragem do Rio da Caixa: Apresentando o resultado oficial dos estudos técnicos. Disponível em: https://oecojornal.com.br/barragem-do-rio-da-caixa-apresentado-o-resultado-oficial-dos-estudos-tecnicos/27/. Acesso Novembro de 2020.
MIRANDA, Antonio Nunes de. Inspeção de Barragens de Aterro. Fundação Parque Tecnológico Itaipu – Brasil. 2016.
NOGUEIRA M. Barragens de Terra – Sistemas de Drenagem Interna. São Paulo, 2005. PETERKA, A.J. 1978. Hydraulic design of stilling basins and energy dissipators. United States, Bureau of Reclamation, Denver
TOPODATA – Banco de Dados Morfométricos do Brasil. Acesso. Disponível em: http://www.dsr.inpe.br/topodata/acesso.php. Acesso em Novembro de 2020.
TROLEIS, Adriano Lima. DA SILVA, Bruno Lopes. Do polígono das secas à vulnerabilidade ao colapso hídrico: uma análise do território do rio grande do norte. Disponível em :revistas.ufcg.edu.br/cfp/index.php/geosertoes/article/view/524/pdf. Acesso em Novembro de 2020.
UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA – UFV. Atlas Digital das Águas de Minas, 2011. Disponível em: www.atlasdasaguas.ufv.br/exemplos_aplicativos/roteiro_dimensionamento_barragens.html. Acesso em Novembro de 2020
[1] Bacharelando em Engenharia Civil pela Faculdade Independente do Nordeste – FAINOR.
[2] Bacharelando em Engenharia Civil pela Faculdade Independente do Nordeste – FAINOR.
[3] Orientadora. Especialização em Engenharia em Estruturas. Especialização em Geoprocessamento e Georreferenciamento. Graduação em Engenharia Civil.
Enviado: Novembro, 2020.
Aprovado: Dezembro, 2020.
