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Até o final da década de 1940, as barragens de terra construídas no Brasil, eram projetadas em bases puramente empíricas, sem critérios apoiados na então emergente ciência da mecânica dos solos (Carin, 2007). A inexistência de um sistema de drenagem interna com implantação do filtro vertical e tapete drenante horizontal, face ao caráter isotrópico dos materiais constituintes do aterro, fazia com que fosse elevada a relação entre os coeficientes de permeabilidade "kx"(horizontal) / ky" (vertical) ou que estes fossem praticamente os mesmos, ocasionando erosão no talude de jusante com aumento do fluxo e das poropressões e, consequentemente, acidentes.

Diante disso, os projetos de barragens desse tipo passaram a contar com instalação de um sistema de drenagem horizontal, junto à fundação, capaz de dissipar o fluxo de água estabelecido internamente no aterro, até então sem controle.

No entanto, com o surgimento de barragens de maior altura, (50 a 100m), acidentes novamente foram registrados, sendo as causas mais adequadamente entendidas a partir da aplicação do conceito da rede de fluxo. Passou-se então a considerar a elevação da linha freática devido ao processo de compactação, que criava elevada anisotropia nos materiais do aterro (kx > ky) (Felippe, 2008).

Karl Terzaghi solucionou este problema, quando no ano de 1947, implantou os filtros vertical e horizontal no corpo do aterro, na barragem e dique do Vigário, localizada no Estado do Rio de Janeiro a qual atualmente leva o seu nome (Felippe, 2008).

A Figura 2.2, apresenta de forma esquemática a barragem de Vigário (atual Karl Terzaghi). Apesar de possuir drenagens internas, "rip-rap" de proteção e ensecadeira incorporada, é considerada uma barragem homogênea.

Neste projeto, pela primeira vez, o dreno vertical foi conectado ao tapete drenante horizontal, diretamente em contato com a fundação e interligado a um dreno de pé, localizado a jusante.

No projeto do dique, houve a concepção de um dreno vertical, construído com material arenoso, deslocado para jusante, em cota inferior ao nível de montante. Poços de alívio foram executados em espaçamento de 2 a 3m até atingir a cota da fundação em rocha.

A barragem e dique do Vigário foi construída pela empresa Light, próxima a cidade de Piraí no Estado do Rio de Janeiro entre os anos de 1949 e 1951, possuindo um volume de aterro da ordem de 2 milhões de metros cúbicos (Vargas, 1962).

A concepção deste sistema de drenagem interna representou uma grande inovação e influenciou muitos projetos de barragem de terra com filtro vertical e horizontal. (Cruz, apud Carin, 2007).

Figura 2.2: Seção típica da barragem do Vigário, atual Karl Terzaghi, de acordo com Assis et al. (2003),

A adoção de um sistema de drenagem interna de um maciço compactado se constitui no elemento fundamental para a segurança de uma barragem de terra e por esse motivo deve ser dimensionado de maneira conservadora, de modo a estender sua atuação a todas as possíveis águas de infiltração, tanto do maciço como da fundação, discipliná-las e conduzi- las para jusante de maneira controlada.

Mello e Galoto (1958), apresentaram em um estudo comparativo sobre a influência exercida sobre a rede de fluxo de um rebaixamento rápido sobre o talude de montante de uma barragem homogênea, a relação dos coeficientes de permeabilidade horizontal e vertical. Estes autores verificaram sensível aumento do fator de segurança com o aumento dessa relação.

Vários outros autores apresentam as razões técnicas que elevam a importância da adoção dos sistemas de drenagem interna de uma barragem de terra, destacando-se três:

• necessidade de se manter as subpressões na fundação com níveis compatíveis à estrutura;

• evitar a eventual perda de resistência dos solos compactados da porção de jusante do maciço, e

• eliminar riscos de carreamentos de partículas e consequentemente reduzir a possibilidade de se provocar a instabilização do aterro por erosões internas ocasionadas por fluxos de água descontrolados.

Bourdeaux (1979) destaca que, no final dos anos quarenta, o engenheiro Karl Terzaghi escrevia: "As rupturas realmente catastróficas são aquelas causadas por erosões internas já que elas ocorrem muito rapidamente, quase sem aviso prévio, com o reservatório cheio e, às vezes, alguns anos após o primeiro enchimento do reservatório".

Na Figura 2.3, , Assis et al. (2003), apresentam seções típicas de barragens de terra e a evolução conceitual dos respectivos sistemas de drenagem.

Figura 2.3: Seções típicas de barragens de terra e a evolução do sistema de drenagem interno, de acordo

com Assis et al. (2003), modificado.

A evolução do sistema de drenagem, inicia-se a partir da concepção de obras projetadas com ausência total desse sistema, com a implementação de tapetes drenantes horizontais apenas, o qual solucionou apenas parcialmente o problema de "piping" no talude de jusante (pois o comportamento anisotrópico do solo compactado ainda ameaçava tal solução), até a solução definitiva e consagrada, apresentada por Terzaghi, com a combinação entre o filtro vertical e horizontal que intercepta o fluxo de água antes que o mesmo atinja o talude de jusante, além de desempenhar importante papel na dissipação das poropressões quer de jusante (carregamento em regime permanente), quer de montante, em situações de rebaixamento rápido (Massad, 2003).

De acordo ainda com Assis et al. (2003), o estágio atual de projeto impõe a necessidade de septo drenante total, a fim de evitar fluxo emergente no talude de jusante. Ainda, chamam a atenção para o fato de que as condições ideais de percolação, obtidas na fase de projeto

através das redes de fluxo, nem sempre são obtidas nas condições reais de construção, pois fatores associados a camadas mal compactadas, ao estado de tensões e zonas fissuradas no maciço introduzem elementos novos ao conjunto e dificilmente podem ser previstos durante as fases de projeto.

O capítulo 10 do documento "Critérios de Projeto Civil de Usinas Hidrelétricas", publicado pela ELETROBRÁS, enfatiza os principais fatores a serem observados para o dimensionamento dos sistemas de drenagens para barragens de terra, de modo a preservar a segurança e o desempenho da estrutura de modo satisfatório, com destaque para os seguintes conceitos e critérios:

• para barragens de terra homogênea, o sistema de drenagem deverá ser constituído por filtro vertical ou inclinado e subhorizontais conjugados, além de dreno de "pé". O filtro vertical ou inclinado deverá ter sua elevação superior à cota correspondente ao nível de água máximo "maximorum" do reservatório;

• os sistemas de drenagem junto à fundação, consistirão de trincheiras drenantes e poços de alívio espaçados regularmente a jusante, além do próprio filtro/dreno subhorizontal do maciço, com o objetivo de controlar gradientes hidráulicos de saída a jusante da barragem e de reduzir as subpressões;

• as espessuras e distribuição das camadas drenantes deverão ser verificadas para a vazão obtida nas análises de percolação, considerando um coeficiente de segurança de no mínimo 10 (dez);

• a vazão a ser considerada para o tapete drenante subhorizontal junto à fundação, deverá incluir a contribuição dos fluxos pelo maciço do aterro compactado e pela fundação.

Os valores que podem ser considerados como mínimos para os dispositivos de drenagem, por razões construtivas, encontram-se na Tabela 2.1.

Tabela 2.1: Dimensões mínimas recomendadas para os dispositivos de drenagem em Barragens de

Terra (ELETROBRAS, 2003).

Tipos de Dispositivo de Drenagem Dimensões mínimas recomendadas (m)

Filtro vertical ou inclinado Largura de 0,60

Filtro subhorizontal junto à fundação Espessura de 0,25 Trincheira drenante junto à fundação Largura de 0,60

Poços de Alívio a jusante Diâmetro de 0,10

Transições em drenos de "pé" Largura de 0,40

Dimensionamento dos Filtros

Com o objetivo de se evitar problemas de instabilização do talude de jusante dos aterros compactados, uma vez que na prática não se tem como evitar a passagem da água, a adoção dos filtros no interior de tais estruturas é fundamental e basicamente exerce três funções principais:

(a) Disciplinar a vazão, forçando o fluxo para uma direção determinada e com isso há aumento do controle das poropressões.

A Figura 2.4, apresenta a ação do filtro vertical interceptando o fluxo estabelecido no talude de montante de uma barragem.

Figura 2.4: Interceptação do fluxo pelo filtro vertical (Felippe, 2008).

(b) Impedir remoção de partículas sólidas do material do aterro (base) e/ou das fundações e com isso prevenir o processo de erosão interna.

A Figura 2.5, apresenta a ação do filtro na retenção de partículas sólidas transportadas pelo fluxo de água a partir do aterro compactado ou fundação.

Figura 2.5: Ação do filtro na retenção de partículas sólidas do material de base -

aterro ou fundação (Felippe, 2008).

(c) Exercer a função de dreno, disciplinando a água interceptada e a conduzindo para fora do aterro, podendo, desse modo, ser medida e analisada.

A Figura 2.6 apresenta o sistema de funcionamento dos filtros vertical e horizontal com função também de drenagem. (Felippe, 2008).

Figura 2.6: Funcionamento dos filtros vertical e horizontal com condução da

vazão para jusante (Felippe, 2008).

De acordo com estas três premissas, o projeto dos filtros de uma barragem de terra deverá estar concentrado em três aspectos principais:

• forma e localização: este aspecto está intimamente relacionado com os critérios de estabilidade dos taludes;

• granulometria: este aspecto está relacionado com as características granulométricas do material a ser protegido, tanto do aterro como da fundação;

• dimensões: este aspecto relaciona-se com a vazão percolada, estimada através da rede de fluxo e, neste caso, os filtros operam também como drenos.

Dimensionamento Granulométrico

De acordo com Craig (2007), os poros devem ser suficientemente pequenos para evitar que partículas do material da base sejam transportadas. Ainda de acordo com este autor, com base em uma grande quantidade de ensaios realizados por Sherard et al. (1984) e experiências em projetos, foi demonstrado que a eficiência dos filtros pode estar relacionada ao tamanho D15 obtido a partir das curvas granulométricas do material do

filtro. Dessa forma, um filtro/dreno deve ao mesmo tempo reter os finos e possuir alto coeficiente de permeabilidade para diminuir o gradiente hidráulico.

Partindo-se da definição que a granulometria de um filtro é função da granulometria do material a ser protegido e ainda possuir autoestabilidade, isto é, ser filtro de si mesmo, alguns critérios para o seu dimensionamento devem ser observados:

Adotando-se a notação "Df" para representar o diâmetro das partículas dos filtros e "Db"

para representar o diâmetro das partículas do material da base, e ainda adotando-se os índices 15 e 85 para representar os percentuais em peso das partículas menores que 15% e 85% respectivamente, apresenta-se a seguir as regras para dimensionamento que atendem as exigências de erosão interna e permeabilidade, respectivamente.