Aula 06 - Barragens

Aula 06 Obras Hídricas p/ Perito Polícia Federal (Engenharia Civil) Professor: Marcus Campiteli

Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6

AULA 6: BARRAGENS SUMÁRIO

PÁGINA

CONSIDERAÇÕES PRELIMINARES

1

1.

INTRODUÇÃO

2

2.

CONCEPÇÃO E ÓRGÃOS INTEGRANTES

2

3.

TERMINOLOGIA

4

4.

TIPOS

13

5.

ENSECADEIRAS

40

6.

VERTEDORES

41

7.

DISSIPADORES DE ENERGIA

44

8.

QUESTÕES COMENTADAS

46

9.

QUESTÕES APRESENTADAS NESTA AULA

50

10.

GABARITO

54

Olá pessoal, apresentamos para vocês o assunto Barragens, previsto no nosso edital. Vale a pena focar as partes negritadas. Caso queiram treinar antes mesmo de adentrar à teoria, há os 60917199200

capítulos finais com as questões apresentadas e o gabarito final. Bons estudos e boa sorte !

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 BARRAGENS

1 – Introdução Por vezes, as vazões disponíveis são inferiores às necessidades de água para determinado uso. Ou podem haver situações em que ocorrem vazões extremamente elevadas em uma curso d'água com potencial de dano à sociedade. Em ambos os casos pode-se implantar estruturas hidráulicas de reservação das águas, para posterior uso ou para

descarga

em

um

momento

oportuno.

As

estruturas

de

reservação típicas são as barragens. Há também estruturas auxiliares à barragem, associadas a ela, destinadas à descarga das águas excedentes e controle das vazões de saída denominadas vertedores. Há também os dissipadores de energia, para controle da energia cinética decorrente do escoamento das águas provenientes do vertedouro. As barragens são, então, obras hidráulicas destinadas ao represamento de um curso d'água para o uso mais racional dos recursos hídricos. Desta forma, as barragens podem destinar-se ao aproveitamento energético, ao controle de inundações, à captação de águas para irrigação ou abastecimento d'água, à regularização de níveis para navegação fluvial etc. 60917199200

2 - Concepção e órgãos integrantes De forma geral, uma barragem constitui-se em um órgão integrante de um aproveitamento hidráulico, correspondendo a um corpo ou barramento que, posicionado transversalmente ao curso d'água, cumpre a função de retenção e armazenamento das águas, de forma compatível com a finalidade do empreendimento.

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 Barragens

destinadas

à

geração

de

energia

elétrica

ou

abastecimento d'água são dotadas de tomada d'água, destinada à captação e condução das águas armazenadas até o sistema de geração de energia ou até o sistema de tratamento e distribuição da água. Nos casos de vazões afluentes à barragem superiores àquelas compatíveis com os volumes disponíveis para reservação cabe a evacuação desse excesso de volume de água para proteger a estrutura. Para isso, implanta-se um vertedor, destinado ao deságue das águas excedentes. O corpo da barragem constitui a parte principal da barragem, sendo responsável pela contenção do volume de água a reservar.

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Fonte:

3 – Terminologia Antes de apresentar a terminologia relacionada às barragens, segue uma figura esquemática para facilitar o entendimento das definições subsequentes.

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Fonte: LIMA (1998)

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Fonte: LIMA (1998)

- Altura acima do terreno natural: Altura desde o ponto mais baixo do terreno natural, geralmente no leito do rio, até a crista da barragem. - Altura da barragem: Altura acima do ponto mais baixo da fundação. O mesmo que Altura Estrutural da Barragem.

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 - Altura da trincheira de vedação: Distância entre a parte mais baixa da superfície e o fundo da trincheira, desde que este não tenha menos que 10 metros de largura. O termo "Profundidade da Trincheira" é preferido em muitos países. - Área de drenagem: Em relação a uma barragem, é a área na qual qualquer precipitação nela incidente se dirige ao ponto onde está localizada (O mesmo que Bacia Hidrográfica e Bacia de Drenagem). - Área do reservatório: Área da superfície do reservatório medida em um plano horizontal e em uma elevação correspondente ao nível máximo de armazenamento do reservatório. Não estão incluídas as áreas inundadas referentes a superelevação e remanso. - Bacia de Dissipação: Bacia, canal, reservatório natural ou artificial, formados à jusante da barragem principal, normalmente por meio de uma estrutura submersa ou pequena barragem auxiliar, com o objetivo de proteger o leito do no contra a erosão provocada pelas descargas do vertedor ou de outros dispositivos. - Barragem: Obra artificial construída através de um curso d'água, para acumulação, controle e desvio de água. Designam-se como obras secundárias, as barragens que completam o fechamento de um reservatório nas suas zonas periféricas. 60917199200

- Barragem de Aterro Compactado: Maciço de terra ou rocha, no qual o material é colocado em camadas e compactado com uso de equipamento de compactação apropriado. - Barragem de Terra: Barragem construída basicamente de argila compactada, com seções homogêneas ou zoneadas e contendo mais do que 50% de terra.

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Barragem

de

terra

de

seção

homogênea:

Maciço

construído apenas de material argiloso, mais ou menos uniforme, exceto os drenos internos ou tapetes drenantes e enrocamentos de proteçâo. - Barragem de terra zoneada: Tipo de barragem de terra cuja

seção

transversal

é

constituída

de

zonas

de

materiais

selecionados com diferentes graus de porosidade, permeabilidade e densidade. - Borda livre: Distância vertical entre o nível do coroamento da barragem e cada um dos níveis característicos do armazenamento d'água, tais como nível máximo de cheia e nível normal de retenção, denominados, respectivamente, Borda Livre Mínima e Borda Livre Normal.

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Fonte: LIMA (1998)

- Base da Barragem: Área da fundação da parte mais baixa do corpo principal da barragem, isto é, a área de fundação, excluindo as ombreiras. - Canal de descarga: Dispositivo de passagem de água, através ou em torno de uma barragem. Termo aplicado a um canal de escoamento livre ou calha. Prof. Marcus V. Campiteli

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 - Comprimento de Crista: Distância entre as extremidades da barragem, medida no coroamento. Inclui-se o vertedor, tomada d'água, estruturas para navegação e outras, desde que formem estruturas com a barragem. - Comprimento do reservatório: Distância máxima medida da barragem até a cabeceira do reservatório, aproximadamente horizontal, seguindo a linha de centro do curso do rio principal, considerando-se o reservatório no nível normal de retenção. Para reservatórios que têm cursos d'água com meandros e com margens bastante irregulares, considera-se como comprimento a mais prática e direta distância de barco. - Coroamento da barragem: Termo usado para significar a parte mais alta da barragem, excluindo-se os parapeitos, corrimãos, etc. - Divisor de águas: Linha que limita uma bacia hidrográfica. - Eixo da Barragem: Plano vertical ou superfície curva de referência entre as ombreiras, em tomo do qual a barragem é projetada e locada. A locação deste plano e referência pode diferir entre os projetistas de barragens. - Enrocamento de proteção: Camada de grandes pedras, blocos premoldados ou outro material adequado, colocados nos 60917199200

taludes de montante de um maciço ou ao longo de um curso d'água para proteção contra a ação de ondas ou correntes. - Ensecadeira: Estrutura temporária, isolando ou protegendo toda a parte da área de construção, a fim de que esta possa ser executada a seco. - Estrada da crista: Parte da crista da barragem preparada para tráfego de veículos. Prof. Marcus V. Campiteli

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 - Fetch: É a distância na qual o vento pode atuar sobre as águas. Geralmente é definida pelo ponto mais à montante até a estrutura, na direção do vento.

Fonte: LIMA (1998)

- Filtro: Zona do maciço constituída de material granular adjacente à zona impermeável, para prevenir a migração de material de uma zona para outra. Às vezes as zonas de transição são também providas para agir como drenos. - Fundação de uma barragem: Material natural indeformado abaixo da superfície de escavação sobre o qual a estrutura da barragem é colocada. O termo fundação inclui qualquer tratamento 60917199200

tal como estacas de vedação, cortinas e septos de vedação, excluídas as trincheiras. - Largura da base: Largura máxima de projeto de uma barragem na sua base, medida horizontalmente entre as faces de montante e jusante, perpendicular ao eixo. Excluída qualquer estrutura para dispositivo de descarga ou órgão semelhante.

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 - Largura da Crista: Largura da parte superior da barragem, definida pela distância horizontal entre as faces de montante e jusante, medida perpendicularmente ao eixo. - Margem do reservatório: Área de terreno imediatamente acima e ao longo da linha d'água do reservatório. - Muro contra ondas: Muro colocado no lado de montante ao longo da crista de barragens ou seções de barragem não vertedora, para refletir ondas. - Nível máximo de cheias: Nível mais elevado da superfície de água para o qual a estrutura foi projetada. É geralmente fixado com o nível correspondente a sobrelevação máxima, quando da ocorrência da cheia de projeto. - Nível mínimo de operação: Menor nível para a qual o reservatório pode ser rebaixado mantendo-se as condições de operação para as quais o aproveitamento foi projetado, tais como geração de energia ou irrigação. Abaixo deste nível o reservatório pode

ser

eventualmente

rebaixado

por

outros

dispositivos

de

descarga. -

Nível

normal

de

retenção:

Elevação

máxima

de

armazenamento do nível de água correspondendo ao nível máximo do reservatório para o qual a barragem foi projetada, sem considerar 60917199200

o efeito de superelevação. - Núcleo impermeável: Trecho de uma barragem de terra zoneada ou de enrocamento, construído de material de baixa permeabilidade a fim de limitar a percolação através do maciço. - Ombreira: É o terreno natural situado na encosta do vale e que constitui o apoio para a fundação da barragem.

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 - Ombreira direita: Ombreira situada no lado direito de um observador, quando este está olhando para jusante. - Ombreira esquerda: Ombreira situada no lado esquerdo do rio considerando-se o observador olhando para jusante. É a ombreira situada na margem esquerda. - Pé de jusante: Encontro do paramento de jusante com a superfície da fundação. - Pé de montante: Encontro do paramento de montante com a superfície da fundação. - Percolação: Fluxo ou movimento de água através de uma barragem, de sua fundação ou ombreiras. - Ponto mais baixo da fundação: Parte mais baixa da escavação para a fundação da barragem, incluindo as partes em trincheira, desde que o fundo da trincheira tenha menos que 10 metros de largura. São excluídos os meios de vedação, cortina de estacas

e

poços

isolados

da

escavação,

os

quais

não

são

representativos da fundação da barragem. - Proteção de taludes: Proteção dos taludes da barragem contra ação de ondas ou outros agentes erosivos. Pode ser de várias formas, tal como rip-rap, lajes de concreto, solo estabilizado com 60917199200

cimento, concreto asfáltico, cascalho, malha de ferro ou vegetação. - Superelevação: Volume num reservatório situado entre o nível normal de retenção e o nível máxima de cheia. Pode também ser expresso pela dimensão vertical. O volume de água relativo a sobre-elevação não pode ser retirado no reservatório e escoará pelo vertedor até que o nível normal de retenção seja atingido.

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Fonte: LIMA (1998)

- Trincheira de Vedação: Trincheira escavada abaixo do nível geral da base de uma barragem para ligar a zona impermeável da mesma a uma camada impermeável mais profunda. - Tapete de Montante: Camada de material impermeável colocada no terreno a montante da barragem, para controlar a percolação de água através da fundação ou sobre o parâmetro de montante no caso de uma barragem em vedação por montante. - Vertedor: Soleira, conduto, túnel, canal ou outra estrutura projetada para descarregar água do reservatório, controlando os seus níveis. O vertedor é destinado principalmente a descarregar vazões 60917199200

de enchente mas também pode ser utilizado para descarregar água para outros objetivos. O vertedor pode ser sem ou com comportas. No caso de se usar comportas, o vertedor será denominado Vertedor Controlado. - Vertedor de Tulipa: Vertedor em forma circular ou de tulipa, normalmente

isolado

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no

reservatório,

que

conduz,

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com

forte

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 declividade, as águas que sobem acima do seu topo. É assim chamado pela semelhança de sua forma com uma tulipa. - Volume útil: Parte do volume do reservatório situado acima do nível do mais baixo dispositivo de descarga, propiciando a utilização do reservatório para outras finalidades que a da geração de energia. 4 - Tipos O tipo de material predominante na constituição de uma barragem permite classificá-la nos seguintes tipos: concreto, terra, enrocamento, mistas, alvenaria, gabiões etc. 4.1 - Barragens de Concreto São

construídas

em

concreto

simples

(convencional

ou

compactado) ou em concreto armado. A implantação das barragens de concreto exige, geralmente, a existência de rocha sã ao longo de todo o eixo, tendo em vista que esse tipo de barragem exerce maiores pressões nas fundações e nas paredes dos vales por concentrarem os esforços em uma área relativamente reduzida. Há

quatro

tipos

básicos

de

barragens

de

concreto:

de

gravidade, de gravidade aliviada, em arco e de contrafortes. 60917199200

a) Barragens de gravidade São construídas em concreto simples maciço e indicadas a vales estreitos. A sua estabilidade é garantida pelo peso próprio da estrutura, a ser verificada para a condição de barragem cheia e barragem vazia.

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 Enquadra-se

nesse

tipo

de

barragem

a

decorrente

do

lançamento de concreto em camadas e posterior compactação através de rolo compactador. São as barragens em concreto compactado.

Barragem de concreto de gravidade - Krasnoyarsk, localizada na Rússia Fonte:

b) Barragens de gravidade aliviada São barragens de gravidade em que se procura otimizar a utilização do concreto, conforme a seguir: - execução de paramento de montante inclinado de modo a 60917199200

utilizar-se a componente vertical de pressão hidrostática para o equilíbrio da estrutura; - execução de cavidades junto à fundação de modo a reduzir o volume de concreto e reduzir a subpressão; - execução de juntas de dilatação alargadas, que auxiliam tanto na drenagem como no resfriamento do concreto;

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 - diminuição da espessura dos blocos e aumento da distância entre eles, formando-se pilares de cabeças cilíndricas de forma a otimizar a distribuição de tensões na estrutura; - execução de pilares isolados ou ocos.

A Barragem de Itaipu é do tipo barragem de concreto de gravidade aliviada. Fonte:

c) Barragens em Arco As barragens em arco ou abóboda apresentam curvatura em planta de modo a transferir parte da pressão d'água aos pegões do arco, possibilitando grande redução no volume de concreto. Essa 60917199200

solução exige que as encostas do vale sejam capazes de resistir elevadas tensões. Podem ser de dois tipos: com centro de gravidade constante e com centro de gravidade variável.

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Longtan, localizada na China. É a mais alta barragem em arco do mundo. Fonte:

d) Barragens de Contrafortes Consistem na implantação de placas inclinadas em concreto, que constituem o paramento montante da barragem. Estas placas transmitem a pressão hidrostática a uma série de contrafortes perpendiculares ao eixo da barragem. Podem ser do tipo laje plana ou em arcos múltiplos. Necessitam de volume de concreto bastante inferior ao das barragens de gravidade. 60917199200

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Fonte: < www.touristlink.com.br>

4.2 - Barragens mistas São as barragens constituídas de partes em concreto e partes em terra ou enrocamento. Um exemplo seria a execução do vertedor e tomada d'água em concreto e as ombreiras em terra ou enrocamento. Deve-se tomar cuidado na interface entre o concreto e o material terroso, de modo a evitarem-se problemas de infiltração e a criação de caminhos preferenciais de escoamento da água.

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 Barragem Água Vermelha no estado de São Paulo. Fonte: < www.aestiete.com.br>

4.3 - Barragens de terra e enrocamento Utilizam material disponível na região, com o mínimo de beneficiamento.

Podem

ser

classificadas

de

acordo

com

as

características de seção transversal, conforme a seguir: - barragens de terra homogênea: utilizam somente um tipo de material em sua constituição;

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Fonte:

- barragens de terra zonada: utilizam materiais distintos no corpo de aterro, de acordo com a suas características de resistência e, principalmente, de permeabilidade;

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Fonte: LIMA (1998)

- barragens de enrocamento com núcleo de material impermeável: a maior parte do corpo da obra é constituída de enrocamento e apenas uma parte menor, o corpo vedante, no núcleo central, é construído de outro material;

Fonte: < www.itaipu.gov.br> 60917199200

-

barragens

diafragma:

constituídas

de

solos

ou

enrocamento, destinados exclusivamente à estabilidade da obra, sendo implantada uma cortina de vedação na zona central. No tocante às fundações, as barragens de terra e enrocamentos são relativamente pouco exigentes, tendo em vista a reduzida carga transmitida aos solos locais e a significativa capacidade de absorção de recalques devido à flexibilidade do corpo da obra.

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 Um problema de grande importância refere-se à percolação, pois podem ocorrer fenômenos que colocam em risco a estabilidade da barragem, com destaque para o piping. Com isso, torna-se necessário traçar as redes de fluxo, para a determinação da largura da barragem, de tal forma que evite que a linha de fluxo superior intercepte o talude a jusante quando o reservatório estiver cheio. O traçado das redes de fluxo permite também definir o posicionamento adequado de drenos e de camadas impermeáveis, limitando a perda d'água por percolação e controlando os efeitos nocivos que podem comprometer a estabilidade e segurança da barragem. No

caso

da fundação

apresentar elevada capacidade

de

percolação, executa-se um cutoff, ou seja, uma trincheira ou um diafragma vedante ligando o corpo da obra à uma camada de solo ou rocha com baixa permeabilidade. a – Segurança ao Transbordamento Uma barragem de terra ou enrocamento é incapaz de trabalhar como estrutura vertedora sem um alto risco de colapso por erosão. Devido às implicações catastróficas de uma rotura deste tipo, a probabilidade de sua ocorrência deve manter-se muito baixa. Nessas condições, a descarga de cheia para o projeto de uma 60917199200

barragem de terra deve ser maior do que o adotado em uma barragem de concreto. A segurança contra o transbordamento durante uma máxima cheia é obtida através de um balanceamento entre o volume do reservatório e a capacidade do vertedouro. Por outro lado, quando o vento começa a soprar sobre uma superfície de águas calmas, ocorre uma transferência de energia do vento para a superfície da água e há a formação de ondas. Prof. Marcus V. Campiteli

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 A elevação da água contra a barragem dependerá então da altura de onda formada pelo vento, da profundidade da água em frente à barragem e da geometria e material da face de montante da barragem. Assim, além da atenção especial no dimensionamento dos órgãos extravasores de cheias, há que se adotar uma folga ou borda livre conveniente. Para a fixação da borda livre de uma barragem, considerase o nível máximo de operação da barragem e tem-se como objetivo, ao determinar esse valor: - evitar o transbordamento pela ação das ondas, que pode coincidir com a máxima enchente; - fornecer um fator de segurança contra imprevistos tais como recalque da barragem, ocorrência de uma cheia maior do que a prevista

no

projeto

ou

mau

funcionamento

do

vertedouro,

acarretando um nível d'água mais alto do que o previsto. A determinação do valor da borda livre baseia-se na previsão da altura e ação das ondas. Essa previsão, entretanto, não é baseada em

processos

matemáticos

precisos.

Os

melhores

recursos

disponíveis apoiam-se em experiências passadas, extrapoladas por vários processos matemáticos e estatísticos. 60917199200

A borda livre pode ser dada pela expressão: B = 0,75.Ho + (Vo2/2.g) Onde: - Ho é a altura da onda, e - Vo é a velocidade de propagação da onda.

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 A altura das ondas Ho é geralmente estimada através fórmulas empíricas em função da velocidade do vento e do fetch. Pode-se adotar as fórmulas de Stevenson, modificadas por Molitor: Ho = 0,032.(U.F)1/2 + 0,76 – 0,26.(F)1/4 Onde: - F: Fetch (km) - U – velocidade do vento, segundo o fetch (km/h) Quando o fetch excede 20 km a fórmula pode ser simplificada para: Ho = 0,032.(U.F) Recomenda-se a instalação de um anemômetro no local da obra, colocado a uma altura de 10 m acima do futuro nível do reservatório e exposto ao máximo fetch. Só se deve levar em conta os ventos com ocorrência provável durante o período de águas máximas no reservatório. A direção do vento e do fetch adotado também devem se correlacionar. 60917199200

Para ondas com altura de 0,3 a 2m, a velocidade de propagação pode ser determinada pela fórmula de Gaillard: V = 1,5 + 2.Ho em que V é expressa e m/s e Ho em metro b – Coroamento

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 A largura do coroamento de uma barragem depende de vários fatores tais como: - características dos solos utilizados no maciço; - comprimento mínimo da linha de percolação através o aterro, para o nível de retenção normal do reservatório; - altura e importância da obra; - facilidade de construção; Além desses fatores, muitas vezes a largura depende das características de uma estrada que passa sobre a barragem. Por razões construtivas, a largura do coroamento não deve ser inferior a 5m. O estabelecimento da largura é baseado em casos precedentes, recorrendo-se as fórmulas empíricas, entre as quais a recomendada pelo Bureau of Reclamation: b = (H/5) + 3 (metros) onde H altura da barragem em metros. A fim de se facilitar a drenagem superficial, deve-se dar ao coroamento, transversalmente, uma ligeira sobrelevação (pelo menos 10 cm) ao longo do eixo ou incliná-lo totalmente para montante. 60917199200

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Fonte: LIMA (1998)

c – Inclinação dos Taludes Em princípio, praticamente, qualquer material ou conjunto de materiais pode servir para a construção de uma barragem de terra. Entretanto, o projeto do aterro deve ser elaborado de acordo com o tipo de fundação em causa que, juntamente com as características mecânicas de resistência, compressibilidade e permeabilidade dos 60917199200

materiais terrosos disponíveis, governarão a geometria do maciço. Não há regras específicas para a seleção da inclinação dos taludes externos. O processo geral é fazer uma escolha com base na experiência pessoal com barragens semelhantes e modificá-la de acordo com os resultados da análise de estabilidade. O Bureau of Reclamation elaborou tabelas que podem orientar a escolha inicial da inclinação dos taludes de pequenas barragens de

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 terra compactada, considerando-se como tal aquelas cuja altura máxima não exceder 15 metros. Reproduzimos a seguir algumas das tabelas do Bureau of Reclamation.

Nesta

tabela,

apresentam-se

as

inclinações

dos

paramentos de montante e de jusante para o caso de barragens homogêneas, sobre fundações estáveis.

Nesta tabela consideram-se os casos do reservatório poder ou não ser sujeito a esvaziamentos rápidos, admitindo-se como tal os que apresentam velocidades de descida do nível maiores ou igual a 15 cm por dia. O

projeto

de

uma

60917199200

barragem

do

tipo

zoneado

torna-se

econômico quando há uma variedade de solos disponíveis, pois permitem o uso de taludes mais íngremes, com uma consequente redução no volume total do material a ser empregado no maciço. O esquema de zoneamento pode dividir a barragem em três ou mais seções, dependendo do intervalo de variação das características e gradação dos materiais de construção disponíveis. Prof. Marcus V. Campiteli

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 Os materiais permeáveis e portanto com melhores condições de estabilidade são colocados nas faces de montante e jusante, permitindo a dissipação de pressões no abaixamento rápido e evitando o aumento das pressões de percolação e abaixamento da linha de saturação, mantendo-a no interior do maciço. As inclinações necessárias para a estabilidade de uma barragem zoneada são funções das dimensões relativas do núcleo impermeável e das abas permeáveis. A figura seguinte mostra o esquema de zoneamento de uma barragem para as seguintes situações: a)

barragem

permeável

construída

completamente

sobre

fundação

atravessada

por

impermeável

uma

trincheira

ou de

vedação. Neste caso temos um núcleo denominado de núcleo mínimo com largura na base 1-1. b) barragem construída sobre fundação permeável sem "cutoff". A largura 2-2 representa a dimensão de um núcleo mínimo para esta situação. c) o núcleo máximo para uma barragem do tipo zoneado (3-3).

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Fonte: LIMA (1998)

Se o núcleo for menor do que o mínimo indicado em cada condição, a barragem é considerada do tipo diafragma, se o núcleo é mais largo do que o valor indicado como máximo, as zonas permeáveis não colaboram na estabilidade do aterro e a barragem será considerada homogênea. No caso de fundações constituídas por solos finos saturados, com espessuras maiores que a altura do aterro, podem seguir-se as recomendações contidas na figura abaixo. 60917199200

Fonte: LIMA (1998)

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 d – Drenagem Interna O sistema de drenagem interna constitui o elemento vital na segurança de uma barragem de terra e deve ser dimensionado de modo a atingir os seguintes objetivos: a) reduzir a pressão neutra na área de jusante da barragem e portanto aumentar a estabilidade de jusante contra o deslizamento; b) controlar a percolação da água na face de jusante da barragem de tal modo que a água não carregue qualquer partícula do maciço, isto é, que não se desenvolva o fenômeno de "piping". A eficiência do dreno ou filtro na redução das pressões neutras depende em princípio da sua localização e extensão. Por outro lado, o "piping" ou entubamento é controlado construindo-se

os

drenos

com

um

material

de

granulometria

adequada a funcionar como filtro do solo constituinte do maciço. Existem numerosos tipos de sistemas de drenagem interna em barragens de terra, sendo que o tipo a ser adotado para uma obra determinada

dependerá

permeabilidades características

do dos

de

maciço

diversos e

materiais

da

fatores

fundação

drenantes

relativos

bem

como

disponíveis.

às das

Serão

apresentados, a seguir, em termos muito sucintos, os principais tipos 60917199200

geralmente adotados. d.1 – Drenos de Pé As barragens homogêneas mais antigas apresentam esse tipo de drenagem para evitar a diminuição de resistência do material no pé do talude. Empregam-se apenas em barragens de pequena altura, constituídas de solos homogêneos de baixa permeabilidade. Podem ser dos tipos: Prof. Marcus V. Campiteli

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Fonte: LIMA (1998)

Recomenda-se que o dreno de pé penetre um pouco no terreno de fundação porque o contato da barragem com a fundação é um caminho preferencial. O dreno de pé pode ser utilizado associado no trecho final de um tapete drenante como mostrado na figura a seguir. 60917199200

Fonte: LIMA (1998)

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 d.2 - Drenos Longitudinais e Tapetes Drenantes O mais econômico tipo de dreno para uma barragem é o constituído por um conduto perfurado envolvido por filtros de transição, posicionado longitudinalmente com relação ao eixo da barragem, a meia distância entre o eixo e o pé de jusante. Esse sistema somente deve ser adotado no caso da barragem ser apoiada sobre uma fundação relativamente uniforme e do maciço compactado ser constituído por solos de mesma permeabilidade vertical e horizontal.

Fonte: LIMA (1998)

Quanto mais elevado o grau de estratificação do maciço, 60917199200

representado pela relação entre a permeabilidade horizontal kH, e a permeabilidade vertical kV, mais extenso deve ser o dreno, chegandose no limite do tapete drenante que se estende até ao pé do talude de jusante da barragem. O comprimento do tapete filtrante basear-se-á na posição que se pretende para a linha freática, no interior do maciço, devendo-se notar que a descarga percolada aumenta com o comprimento do tapete. Esse aumento, entretanto, é recompensado pela melhoria na Prof. Marcus V. Campiteli

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 estabilidade, pois mantém-se seco grande parte do paramento de jusante da barragem. A tentativa inicial na escolha da posição do tapete drenante poderá ser a recomendada por Creager, adotando um comprimento de 0,3 a 0,5 L, sendo L é a distância do eixo da barragem ao pé do talude de jusante.

Fonte: LIMA (1998)

Uma das principais desvantagens do tapete drenante horizontal resulta do fato de que o maciço de uma barragem de terra tende a ser estratificada, com kH > kV. Pode ainda, ocasionalmente, acontecer que camadas horizontais muito mais permeáveis do que a média do material empregado sejam colocadas no maciço, de modo que, a 60917199200

despeito do dreno horizontal, a água percola horizontalmente na superfície de uma camada relativamente impermeável e surge no talude a jusante. d.3 – Cortina Drenante Este tipo de drenagem é constituído por um dreno vertical posicionado ligeiramente a jusante do eixo da barragem e prolongado para jusante por um tapete drenante horizontal. Prof. Marcus V. Campiteli

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 O dreno vertical tem a grande vantagem de interceptar qualquer fissuração do maciço e de coletar os fluxos eventualmente percolados por essas fissuras. São geralmente projetados com uma espessura variando de 0,9 a 2,0 m, sendo que, na maioria dos casos, essas espessuras são fixadas por motivos de ordem construtiva. Em várias barragens mais recentes de maiores alturas, a cortina drenante tem forte inclinação para montante ou para jusante. Com a inclinação para montante, tem-se a vantagem de eliminar riscos de trincas longitudinais na crista no caso da barragem ser apoiada sobre uma fundação rígida. Por outro lado um dreno inclinado para jusante apresenta a vantagem de melhorar as condições de estabilidade do talude de montante durante o rebaixamento rápido do reservatório. Tipos de sistemas de drenagem interna de barragens com cortinas drenantes:

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Fonte: LIMA (1998)

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Fonte: LIMA (1998)

e – Filtros

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 A água que percola através de uma barragem de terra e suas fundações pode carregar partículas que estejam livres e não ofereçam resistência ao carreamento.

Fonte: LIMA (1998)

Nas seguintes situações ocorreram danos ou o colapso de uma barragem de terra por carreamento de material e a ocorrência do fenômeno do piping ou entubamento regressivo. A

água

emergindo

do

talude

de

jusante

saturará,

progressivamente, a zona de jusante da barragem, causando o amolecimento e o enfraquecimento da mesma e poderá dar início ao fenômeno da erosão interna ou piping. As partículas da face do paramento de jusante são as primeiras deslocadas, deixando sem proteção as partículas internas adjacentes que também serão deslocadas a seguir. 60917199200

Forma-se, acompanhando a linha de saturação, um tubo que pode levar a barragem a ruptura. As forças de percolação nas faces de descarga AB e BC tendem a mover as partículas de solo erodíveis para a zona 2, se tiverem valor suficientemente elevado e a zona 2, vazios largos o bastante para deixar passar as partículas de solo da zona 1 e do terreno de fundação.

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Fonte: LIMA (1998)

O aparecimento frequente de água borbulhando e abatimentos do terreno, junto ao pé de uma barragem, levaram a colocação de um filtro de pedras da ordem de 7,5 cm de diâmetro. Não obstante, após um período de 6 anos a barragem, subitamente, rompeu-se provavelmente devido ao desenvolvimento progressivo de um tubo subterrâneo que, finalmente, atingiu o fundo do reservatório.

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Fonte: LIMA (1998)

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 Esta ruptura poderia ter sido evitada se, no local do filtro de pedra que não foi eficaz na retenção das partículas erodíveis da fundação, tivesse sido colocado um filtro com a graduação adequada. O fenômeno do piping pode ser evitado pela introdução de filtros. Eles constituem zonas relativamente delgadas, o que exige que

sejam

perfeitamente

dimensionados,

geométrica

e

granulometricamente na fase de projeto com a construção bem controlada. A granulometria dos filtros deve atender a duas exigências principais quanto a: - Erosão Interna: Os vazios existentes nos filtros em contato com solos erodíveis devem ser suficientemente pequenos para evitar que as partículas desses solos sejam carreadas através do filtro. - Permeabilidade: Os vazios existentes nos filtros, em contato com solos a serem protegidos, devem ser suficientemente grandes para que a permeabilidade do filtro seja maior que a do o material protegido ou material de base, a fim de permitir o livre escoamento das águas infiltradas. Segue o mecanismo de funcionamento do filtro:

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f - Proteção dos taludes das barragens O talude de montante das barragens de terra e de enrocamento deve ser protegido contra a ação erosiva das ondas que se formam no reservatório. Tais proteções podem ser de vários tipos colocando-se desde o coroamento até pelo menos 2,5 a 3,0 m abaixo do nível mínimo de retenção, terminando numa berma de suporte. Se for previsto o esvaziamento total do reservatório, a proteção deve ir até ao pé do talude. Os tipos usuais de proteção são: -

Enrocamento

lançado

(rip-rap):

proteção

de

talude

constituída por enrocamentos bem graduados de rocha sã, de dimensões adequadas, que são descarregados da borda superior do talude por caminhões basculantes, eventualmente espalhados na espessura projetada por tratores de lâmina e, por fim, arrumados mecanicamente ou manualmente de modo a obter-se uma superfície estável e rugosa. Na maioria dos casos, deve-se prever materiais filtrantes entre 60917199200

o rip-rap e a superfície do talude do maciço de terra compactada (cascalho, rocha britada ou enrocamento miúdo), a fim de ser evitar que as ondas venham erodir os solos do maciço compactado. Deve-se evitar filtros de com grande percentagem de areia fina (0,06 a 0,2 mm), a qual seria facilmente lavada e carreada pela ação das ondas do reservatório.

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Fonte: LIMA (1998)

- Empedramento manual: constituído por uma camada de pedras colocadas umas junto as outras (análogo a alvenaria de pedras com juntas secas) e assentadas sobre uma camada de areia ou pedrisco. A espessura deste tipo pode ser a metade da usada no enrocamento lançado, com um mínimo de 30 cm, devendo dispor-se também de uma zona filtrante de apoio. A experiência demonstrou que mesmo para espessuras iguais, o empedramento manual é menos eficiente que o rip-rap. - Solo-cimento:

Quando, no local de uma barragem, não

existe rocha adequada para a execução de rip-rap, ou quando ela somente

pode

ser

obtida

a

60917199200

custos

muito

elevados,

torna-se

indispensável estudar outras soluções para proteção de taludes de montante. Uma solução é a proteção constituída por camadas horizontais de solo-cimento compactada, de 2,0 a 3,0 m de largura e de 15 cm de espessura. Essas camadas horizontais formam assim uma camada inclinada de solo-cimento de 0,60 m de espessura, aproximadamente,

medidos

perpendicularmente

a

superfície

do

talude.

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 - Concreto: consiste na construção de lajes monolíticas, armadas em duas direções (com uma seção de aço da ordem de 0,5% da seção da laje). Usa-se também um conjunto de lajes armadas, de grandes dimensões, com juntas estanques, a fim de constituir-se num recobrimento estanque e total, do talude de montante. Esse sistema é cada vez mais utilizado como elemento de estanqueidade de barragens de enrocamento. - Concreto betuminoso: Da mesma forma que se pode proteger taludes de montante de barragens com face de con- creto armado, pode-se recorrer também ao concreto betuminoso. O talude de jusante de uma barragem de terra deve ser adequadamente protegido contra a ação erosiva das chuvas e dos ventos, principalmente quando os solos expostos são constituídos por areias finas e siltes muito erodíveis. A eficiência do sistema de proteção do talude de jusante depende da conjugação dos seguintes elementos: plantio de grama ou empedramento do talude; e drenagem superficial do talude e no contato do mesmo com o terreno natural nas ombreiras.

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Fonte: LIMA (1998)

5 - Ensecadeiras São desvios temporários dos cursos d'água necessários para a construção das barragens. Esses desvios podem ser feitos pela obstrução completa do leito fluvial, implicando desvio total, através de canais, galerias ou túneis. Podem também ser efetuados desvios parciais, que permitem a execução da obra por etapas. 60917199200

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Usina Hidrelétrica de Jirau no rio Madeira em Porto Velho. Fonte:

6 - Vertedores São estruturas hidráulicas destinadas a efetuar a descarga das águas excedentes dos reservatórios sem ocasionar danos à barragem ou às outras estruturas hidráulicas adjacentes. Os vertedores são também utilizados para controlar o fluxo à entrada de canais.

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Fonte: < www.panoramio.com>

O

tipo

e

a

localização

dos

vertedores

podem

variar

significativamente, conforme as condições geotécnicas e topográficas locais e o arranjo geral da obra. Essencialmente, os vertedores constituem-se de uma tomada d'água associada a uma soleira. A água coletada dirige-se, em seguida, a uma estrutura de descarga (geralmente, um disspador de energia). Quando

60917199200

as

condições

do

arranjo

hidráulico

exigirem,

principalmente para se vencer desníveis significativos, devem ser previstas estruturas de descarga implantadas com declividades acentuadas associadas a vertedores. Elas podem ser tubulações, túneis ou canais rápidos. Os vertedores podem ser implantados no próprio corpo da barragem ou de forma independente desta (canal, tubulação ou Prof. Marcus V. Campiteli

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 túnel). O primeiro caso corresponde às barragens de concreto e o segundo às barragens de terra ou enrocamento, face à possibilidade de recalques. Quanto à operação, os vertedores podem ser de serviço ou de emergência. Em geral, adota-se somente um vertedor. Mas em alguns casos, adota-se mais de um vertedor, sendo o vertedor de serviço destinado a descarregar as vazões mais frequentes e o vertedor de emergência destinado às grandes cheias. Os vertedores podem ser classificados também como com controle (com comportas) e sem controle. Os vertedores tipo tulipa e tipo sifão são tipos particulares de vertedor. O primeiro, tubular, adota-se em barragens de terra ou enrocamento.

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Fonte:

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Vertedor tipo Tulipa Fonte:

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Vertedor tipo Sifão Fonte:

7 - Dissipadores de Energia Destinam-se a compatibilizar a velocidade do escoamento com as características de resistência do meio físico a jusante.

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 As estruturas dissipadoras de energia podem ser classificadas nos seguintes tipos: - Bacias de dissipação: dissipam a energia através de ressalto hidráulico. - Dissipadores de jato: consiste na execução na extremidade a jusante da estrutura de condução da água de uma concha cilíndrica, que projeta um jato d'água em direção ascendente.

Fonte: Batista & Coelho (2010)

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Fonte: < eletrowiki.espbs.net>

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 - Dissipadores de impacto: dissipam a energia através do impacto do fluxo em alta velocidade contra uma estrutura rígida. - Dissipadores contínuos: dissipam a energia de forma distribuída, ao longo da própria estrutura de condução (escadas ou descidas d'água em degraus e calhas dissipadoras ou rampas).

8 - QUESTÕES COMENTADAS

1)

(47

–

–

TCE-RS/2014

FCC)

Entre

os

elementos

encontrados no conjunto de obras que compõe uma barragem, a estrutura destinada a desviar as águas do leito do rio, total ou parcialmente, com o objetivo de permitir o tratamento das fundações, possibilitando a construção a seco dos diques de terra ou das estruturas de concreto, é (A) a tomada d’água. Conjunto de obras que permite a retirada, do reservatório, da água a ser utilizada, seja para a obtenção de energia ou para outros fins. (B) o túnel de adução. 60917199200

Túnel destinado a transportar as águas do reservatório para a casa das máquinas. (C) a ensecadeira. Estrutura temporária, isolando ou protegendo toda a parte da área de construção, a fim de que esta possa ser executada a seco. (D) o vertedor.

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 Estrutura projetada para descarregar água do reservatório, controlando os seus níveis. O vertedor é destinado principalmente a descarregar vazões de enchente mas também pode ser utilizado para descarregar água para outros objetivos. (E) o túnel de desvio. Possui a mesma finalidade das ensecadeiras, sendo porém, construídos em cursos d’água com vales íngremes, e quando possível, nos locais onde existam curvas. Em muitos casos, o túnel de desvio

é

usado

posteriormente

como

túnel

de

adução,

para

transportar as águas do reservatório para a casa das máquinas. Gabarito: C

2)

(41 – CNMP/2015 – FCC) Considere a barragem a seguir

construída sobre uma camada de areia fina sobreposta a um sedimento de areia grossa.

60917199200

A

água

do

reservatório

se

infiltrará

pelas

fundações,

preferencialmente percorrendo na horizontal pela areia grossa

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 e emergirá a jusante pela areia fina. Caso o gradiente hidráulico

atinja

o

valor

crítico

durante

o

movimento

ascendente da água, a areia (A) grossa perderá resistência, mas a areia fina não, evitando assim o tombamento da barragem. (B) fina ganhará resistência e a barragem nada irá sofrer. (C) fina perderá resistência e a barragem tombará. (D)

fina perderá resistência, porém não suficiente para a

barragem tombar. (E)

grossa ganhará resistência, evitando o tombamento da

barragem. Nesse caso, a areia se torna movediça, ou seja, perde a sua resistência fazendo com que o talude à jusante desestabilize, podendo levar a barragem de terra ao colapso. Gabarito: C

3)

(57 – Assembleia BA/2014 – FGV) As barragens

de

terra são estruturas construídas em vales e destinadas a fechá los

transversalmente,

represamento de água. finalidades

das

proporcionando

As opções 60917199200

barragens

a

seguir

assim

um

apresentam

de terra, à exceção de uma.

Assinale a. (A) Abastecer cidades (B) Suprir irrigações (C) Produzir energia elétrica (D) Ajudar na criação de peixes Prof. Marcus V. Campiteli

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 (E)

Evitar o transbordamento de água para terrenos mais

baixos De acordo com Caputo (1979), barragens são estruturas construídas para se represar água de um vale; não se deve confundir com diques, que são obras executadas ao longo de um curso d'água com a finalidade de se evitar o transbordamento para terrenos mais baixos. Gabarito: E

4)

(32 – TJ-GO/2014 – FGV) Com relação a uma barragem

de terra, analise as afirmativas a seguir. I. É uma estrutura construída longitudinalmente à direção de escoamento de um curso d’água, destinada à criação de um reservatório artificial de acumulação de água. A barragem de terra é construída transversalmente à direção do curso d'água. Gabarito: Errada II. A barragem de terra do tipo homogêneo contém um núcleo central

impermeável,

consideravelmente

envolvido

mais

por

permeáveis, 60917199200

zonas

de

que

materiais

suportam

e

protegem o núcleo. A barragem de terra de seção homogênea é um maciço construído uniforme,

apenas

exceto

os

de

material

drenos

argiloso,

internos

ou

mais

tapetes

ou

menos

drenantes

e

enrocamentos de proteção. E a barragem de terra zoneada é um tipo de barragem de terra cuja seção transversal é constituída de zonas de materiais Prof. Marcus V. Campiteli

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 selecionados

com

diferentes

graus

de

porosidade,

permeabilidade e densidade. Gabarito: Errada III. Uma das finalidades das barragens de terra é armazenar água para irrigação. Conforme vimos na questão anterior, as barragens de terra podem servir para abastecer cidades, suprir irrigações, produzir energia elétrica, assim como ajudar na criação de peixes. Gabarito: Correta Assinale se somente: (A) I estiver correta; (B) II estiver correta; (C) I e II estiverem corretas; (D) I e III estiverem corretas; (E) III estiver correta.

Gabarito: E 60917199200

9 - QUESTÕES APRESENTADAS NESSA AULA

1)

(47

–

TCE-RS/2014

–

FCC)

Entre

os

elementos

encontrados no conjunto de obras que compõe uma barragem, a estrutura destinada a desviar as águas do leito do rio, total ou parcialmente, com o objetivo de permitir o tratamento das

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 fundações, possibilitando a construção a seco dos diques de terra ou das estruturas de concreto, é (A) a tomada d’água. (B) o túnel de adução. (C) a ensecadeira. (D) o vertedor. (E) o túnel de desvio.

2)

(41 – CNMP/2015 – FCC) Considere a barragem a seguir

construída sobre uma camada de areia fina sobreposta a um sedimento de areia grossa.

60917199200

A

água

do

reservatório

se

infiltrará

pelas

fundações,

preferencialmente percorrendo na horizontal pela areia grossa e emergirá a jusante pela areia fina. Caso o gradiente hidráulico

atinja

o

valor

crítico

durante

o

movimento

ascendente da água, a areia

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 (A) grossa perderá resistência, mas a areia fina não, evitando assim o tombamento da barragem. (B) fina ganhará resistência e a barragem nada irá sofrer. (C) fina perderá resistência e a barragem tombará. (D)

fina perderá resistência, porém não suficiente para a

barragem tombar. (E)

grossa ganhará resistência, evitando o tombamento da

barragem.

3)

(57 – Assembleia BA/2014 – FGV) As barragens

de

terra são estruturas construídas em vales e destinadas a fechá los

transversalmente,

represamento de água. finalidades

das

proporcionando

As opções

barragens

a

seguir

assim

um

apresentam

de terra, à exceção de uma.

Assinale a. (A) Abastecer cidades (B) Suprir irrigações (C) Produzir energia elétrica (D) Ajudar na criação de peixes 60917199200

(E)

Evitar o transbordamento de água para terrenos mais

baixos

4)

(32 – TJ-GO/2014 – FGV) Com relação a uma barragem

de terra, analise as afirmativas a seguir.

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Obras Hídricas PF/2016 Teoria e Questões Prof. Marcus Campiteli Aula 6 I. É uma estrutura construída longitudinalmente à direção de escoamento de um curso d’água, destinada à criação de um reservatório artificial de acumulação de água. II. A barragem de terra do tipo homogêneo contém um núcleo central

impermeável,

consideravelmente

envolvido

mais

por

permeáveis,

zonas que

de

materiais

suportam

e

protegem o núcleo. III. Uma das finalidades das barragens de terra é armazenar água para irrigação. Assinale se somente: (A) I estiver correta; (B) II estiver correta; (C) I e II estiverem corretas; (D) I e III estiverem corretas; (E) III estiver correta.

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10 - GABARITO

1) C

2) C

3) E

4) E

BIBLIOGRAFIA - BAPTISTA, Márcio Benedito & COELHO, Márcia Maria Lara Pinto. Fundamento da Engenharia Hidráulica. 3a Ed. Belo Horizonte. Editora UFMG: 2010. - CAPUTO, Homero P.. Mecânica dos Solos e suas aplicações. Rio de Janeiro. LTC: 1979. - LIMA, Maria José C. Porto de. Apostila de Obras de Terra - Vol. II. IME. Curso de Fortificação e Construção. Rio de Janeiro: 1998.

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