Unidade 05 - BARRAGENS DE TERRA E ENROCAMENTO · 2018. 12. 3. · A barragem de Passo Severino,...

Geotercnia de Fundações e Obras de Terra Prof. M. Marangon

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Unidade 05 - BARRAGENS DE TERRA E ENROCAMENTO

INTRODUÇÃO

5.1- Definição e objetivos

Barragem pode ser definida como sendo um elemento estrutural, construída

transversalmente à direção de escoamento de um curso d’água, destinada a criação de um

reservatório artificial de acumulação de água.

Os objetivos que regem a construção de uma barragem são vários e os principais se

resumem em :

a) aproveitamento hidrelétrico

b) regularização das vazões deo curso d’água para fins de navegação

c) abastecimento doméstico e industrial de água

d) controle de inundações

e) irrigação

Os objetivos acima citados poderão ser explorados individualmente ou em conjunto. Se,

por exemplo, uma baragem é implantada com a finalidade imediata de obtenção de energia

elétrica, outras atividades ditas secundárias poderam ser também desenvolvidas correlatamente.

Assim é que os aspectos como recreação, piscicultura, saneamento, etc., são comumente

desenvolvidos. Um exemplo característico pode ser a barragem de Barra Bonita no Rio Tiête (

Estado de São Paulo ), cujos objetivos principais foram a obtenção de energia elétrica ( potência

de 122 000 kW ) e a regularização do rio para fins de navegação. O projeto sugere também uma

reserva de vazão média diária de 4m3/seg.,para fins de irrigação de áreas circunvizinhas.

Posteriormente foi desenvolvido também o turismo, através da recreação em certas áreas do

reservatório, e se resume na prática dos esportes aquáticos, com a implantação de clubes de

campo e hotéis neste locais.

5.2 - Elementos de uma barragem

As definições expostas a seguir tem a

finalidade apenas de orientar e alxiliar a

compreenção da importância da geologia,

nos trabalhos de construção de barragens.

Outros elementos encontrados no conjunto de obras que compõem uma barragem são:

a) ensecadeira - destinada a desviar as águas do leito do rio, total ou parcialmente, com o

objetivo de permitir o tratamento das fundações nessas áreas e, às vezes, nas áreas das planícies

de inundação, possibilitando a comstrução em seco dso diques de terras ou estrutura de concreto.


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As ensecadeiras mais comuns são aquelas construídas com terras e blocos de rocha. Em alguns

casos, é necessária a utilização de chapas metálicas ou diafragmas impermeáveis.

b) túneis de desvio - possuem 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 posteiormente como túnel de adução, para

transportar as águas do reservatório para a casa das máquinas.

c) vertedouro - seu objetivo é

funcionar como um dispositvo de segurança,

quando a vazão do curso d’água assumir

valores que tornem a estabilidade da baragem

perigosa, ou impedir que o nível máximo

estabelecido para a barragem cause prejuísos

às propiedades agrícolas ou industrias a

jusante da barragem. A capacidade do vertor

é calculada para permitir o escoamento

máximo ( enchente catastrófica ), que poderia

ocorrer na secção da barragem.

d) tomada d’água - representa o conjunto de obras que permite a retirada, do resevatório,

da água a ser utilizada, seja para a obtenção de energia ou para outros fins. O tipo de tomada

d’água varia com o tipo de barragem. Assim, as barrragens de concreto, a tomada d’água consiste

geralmemte em um conduto que pode se desenvolver através do maciço da barragem ou em sua

proximidade, enquanto na barrragem de terra, aparece nas ombreiras do resevatório.

5.3 Tipos de barragens

As barragens podem ser classificadas em diferentes tipos, de acordo com o seu objetivo,

seu projeto hidráulico e os tipos de materiais empregados na sua construção. Com relação a este

aspecto, as barragens podem ser classificadas em:


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1. Concreto

a) Gravidade

b) Arco

2. Terra

3. Enrocamento

VISTA DE UMA BARRAGEM DE TERRA EM QUE SÃO IDENTIFICADOS OS PRINCIPAIS ELEMENTOS

GEOMÉTRICOS DENTRE ELES ESTRUTURAS DE CONCRETO

5.3.1 - Barragens de Concreto

Uma das mais antigas barragens de concreto foi construída no Egito, em torno do ano

4.000 A.C., sendo a relação largura da base x altura estimada em 4:1. Hoje em dia, tem sido

possível a construção de barragens imensas, como a Hoover Dam nos Estados Unidos, com 221

metros de altura, sendo a relação da largura da base para a altura, considerável, ou seja, menos de

1:1.

- Barragens de Concreto - Gravidade

É o tipo de barragem mais resistente e de menor custo de manutenção. Este tipo pode ser

adaptado para todos os locais, mas a sua altura é limitada pela resistência das fundações. Quando

são constituídas de material de aluvião incoerente, a altura dessas barragens tem sido limitada a

20m. No caso da fundação ser de rocha sã, porém situada a considerável profundidade da

superfície do terreno, é mais adequado e econômico construir-se uma barragem de terra, porque a

mesma não necessita repousar sobre fundação em rocha e assim avita-se uma quantidade de

escavação.

Comparadas com as barragens de terra ou de enrocamento, as de concreto tipo gravidade

são de maior custo.


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- Barragens de concreto - Arcos

São mais raras, uma vez que o comprimento dessas barragens deve ser pequeno em

relação à sua altura, o que exige a presença, nas encostas do vale, de material rochoso adequado e

de grande resistência, capaz de suportar os esforços a elas transmitidos. Essas barragens são mais

comuns na Europa, onde os vales são profundos e fechados.

5.3.2 - Barragens de Terra

Desde os tempos antigos, barragens de terra foram construídas com a finalidade de

armazenar água para irrigação, sendo algumas das estruturas de tamanho considerável, como por

exemplo, uma construída no Ceilão no ano 504 A.C., que possuía 17 quilômetros de

comprimento, 21 metros de altura e contendo cerca de 15 milhões de metros cúbicos de material.

Antigamente todas as barragens de terra eram projetadas por métodos empíricos e a literatura de

engenharia está repleta de registros de ruptura e acidentes dessas barragens. Somente a partir de

1.907, surgiram os primeiros procedimentos racionais para projeto dessas obras. Atualmente tais

procedimentos permitem a construção de barragens de terra com mais de 150 m de altura. No

Estado de São Paulo, a barragem de Xavantes no Rio Paranapanema, atinge 90 m de altura.

A fotografia ilustra um

exemplo de barragem (de

concreto) com finalidade de

geração de energia elétrica

no Rio Paraibuna, próximo

à Juiz de Fora, conhecido

como Usina Quatro.

Local que aproveita a

ocorrência de um grande

desnível no curso do rio.

Abaixo da fotografia vê-

se o barramento de

concreto, ao centro o canal

que conduz água a dois

dutos forçados que chegam

a casa de força para a

produção de energia


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As barragens de terra são as mais elementares obras de barragens e normalmente se

prestam para qualquer tipo de fundação, desde a rocha compacta, até terrenos construídos de

materiais incosolidados. Esses últimos, aliás, são seu campo típico de aplicação. Existe uma certa

variabilidade no tipo de barragem de terra, que poderá ser homogêneo ou zonado.

a) Homogêneo - é aquele composto de uma única espécie de material, excluindo-se a

proteção dos taludes. Nesse caso, o material necessita ser suficientemente impermeável, para

formar uma barreira adequada contra a água, e os taludes precisam ser relativamente suaves, para

uma estabilidade adequada.

b) Zonado - esse tipo é representado por um núcleo central impermeável, envolvido por

zonas de materiais consideravelmente mais permeáveis, zonas essas que suportam e protegem o

núcleo. As zonas permeáveis consistem de areia, cascalho ou fragmentos de rocha, ou uma

mistura desses materiais.

5.3.3 - Barragens de Enrocamento

Esse tipo de barragem é aquele em que são utilizados blocos de rocha de tamanho

variável e uma membrana impermeável na face de montante. O custo para a produção de grandes

quantidades de rocha, para a construção desse tipo de barragem, somente é econômico em áreas

onde o custo do concreto fosse elevado ou onde ocorresse escassez de materiais terrosos e

houvesse, ainda, excesso de rocha dura e resistente. Devemos lembrar que a rocha de fundação

adequada para uma barragem de enrocamento pode não ser aceitável para uma de concreto.

A rocha que deve preencher a maior parte da barragem precisa ser inalterada pelo

intemperismo, não sendo facilmente desintegrada ou quebrada. Rochas que, quando sujeitas à

ação de explosivos, fragmentam-se facilmente em pedaços muito pequenos, com elevada

porcentagem de lascas e pó, são igualmente inadequadas. As rochas para essas barragens,

devendo ter resistência ao intemperismo físico e químico, gnaisse, diabásio, etc. Os blocos de

rocha são colocados de modo a se obter o maior contato entre suas superfícies e os vazios entre

elas, que são preenchidos por material de menor tamanho.

- Exemplo de Barragem de Terra construida

Um exemplo de Barragem de Terra associada a uma de enroncamento citamos:

A barragem de Passo Severino, situa-se na bacia hidrológica do rio Santa Lucia, 70Km ao

norte da cidade de Montevideo, Uruguai,. Destina-se a formar um reservatório de acumulação de

águas no rio Santa Lucia e mater uma vazão mínima regulada em 8m3/s, a jusante, onde está

instalada a toma da de água para abastecimento da cidade de Montevideo e municípios vizinhos.

A obra de barramento consta de uma estrutura vertedora em concreto, com comprimento

de 71,2m implantada no leito natural do rio, uma tomada d’água na sua extremidade direita, dois

maciços de solo e rocha compactados, sendo um de cada lado da estrutura vertedora e uma

estrutura complementar para extravasamento de grades enchentes (Sangradouro), situada numa

sela topográfica da margem direita. O comprimento total das obras de barramento é de 2.300m e

sua altura máxima é de 28m . A Figura 1 mostra a localização geral da obra e as seções típicas de

cada uma das estruturas componentes.


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SEÇÃO TÍPICA DO VERTEDOURO


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5.4 - Seleção do Tipo de Barragem

A escolha do tipo mais adequado de barragem, para um determinado local de um curso

d’água, depende dos seguintes aspectos:

1) Segurança da Obra - ligada às características inerentes do próprio local: condições

geológicas, configuração do vale e dimensões da obra.

2) Custo da obra - em função do preço e disponibilidade do material. A ausência, por

exemplo, de rocha resistente do tipo granito,gnaisse, basalto ou diabásio, para ser usada como

agregado para concreto, “rip-rap” ou enrocamento, ou de cascalho, para os mesmos fins, pode

causar alterações profundas no custo da obra.

Além desse critérios, deve ser considerada uma série de fatores físicos que governam a

seleção do tipo de barragem.

A não ser em condições excepcionais, mesmo o mais experimentado projetista é incapaz

de dizer se um determinado tipo de barragem é adequado ou mais econômico para um dado local.

LEGENDA

1- Argila

2- Saprolito

3- Areia

4a- Pedra Britada Fina

4b- Pedra Britada Grossa

5- Enrocamento ( máx.= 0,60)

5a- Enrocamento Fino ( máx=0,30)

6- Enrocamento Selecinado (Riprap)


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Na seleção do melhor tipo de barragem para um determinado local, devem ser consideradas as

características físicas do local, o objetivo da obra, fatores econômicos, de segurança, etc.

Normalmente, o maior fator individual que determina a escolha final é o custo da construção. Os

fatores físicos, expostos a seguir, são também importantes.

5.4.1 - Topografia

À primeira vista, a topografia determina as primeiras alternativas para o tipo de barragem.

É claro que, se o local estudado estiver localizado num vale estreito com paredes rochasas, a

sugestão será de uma barragem de concreto. É o caso da barragem do Funil, no Rio Paraíba.

Porém, em áreas de topografia aplainada e vales bastante abertos, indica-se normalmente a

barragem de terra. É o exemplo das barragens de Jupiá e Ilha Solteira, no Rio Paraná ou de

Promissão, no Rio Tietê. Existem, é claro, os casos intermediários.

5.4.2 - Geologia e Condições das Fundações

As condições das fundações dependem da espessura e características físicas, químicas e

minerológicas da rocha, que suportará o peso da barragem. Aquelas características incluem a

permeabilidade, a presença ou não de determinadas estruturas, como acamamento, xistosidade,

dobras, fraturas, etc. As condições estão diretamente ligadas com a altura da barragem, isto é, as

considerações diferem para uma barragem baixa e uma alta. Normalmente, são encontradas as

seguintes condições de fundações:

1) - Rocha Sã e Sólida - normalmente aceita qualquer tipo de barragem. Inclui, via de regra, a

escavação da camada superficial quando alterada (mesmo sendo rocha) e tratamento eventual por

injeção, para consolidação.

2) - Sedimentos (Aluviões) - incluem os cascalhos, areias, siltes e argilas. Os cascalhos estão

sujeitos à intensa percolação, os siltes e as areias ocasionam recalques e percolação, e as argilas

sofrem recalques, principalmente quando saturadas de água. Dependendo do tipo de barragem, da

sua altura e com aplicação de tratamentos adequados, qualquer desses materiais poderá ser

utilizado.

5.4.3 - Materiais de Construção

Os materiais necessários para a construção de uma barragem são vários e devem estar

localizados o mais próximo possível do local da barragem. Esses materiais são os seguintes:

a) solos, para os diques de terra.

b) rocha, para do diques de enrocamento e proteção dos taludes.

c) agregado, para concreto, que inclui areia, cascalho natural e pedra britada.

d) areia, para filtros e concretos.

5.5 - Fases Gerais no Estudo de Barragens

A implantação de uma barragem em determinado curso d’água envolve sempre uma

sequencia natural de trabalho. Toda obra de vulto agrupa diferentes turmas especializadas de

técnicos, com a finalidade de seguirem, à medida do possível, os seguintes ítens:

5.5.1 - Levantamento Topográfico

Analisa as características geográficas e topográficas do curso a ser estudado. A função

desse levantamento é a de preparar plantas topográficas que permitam verificar as secções


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transversais mais favoráveis para uma barragem, calcular a área de inundação das secções

escolhidas e obter o perfil longitudinal do curso d’água.

O método mais moderno para a obtenção de mapas topográficos é o uso da

aerofotogrametria, com o levantamento de mapas por meio de fotografias aéreas e de pontos de

controle altimétrico de campo.

5.5.2 - Dados Hidrológicos

Um grupo de técnicos especializados se encarrega de definir as características

hidrológicas da bacia hidrográfica do curso d’água estudado.

Trata da obtenção direta de valores de vazão através de leituras diárias, que permitem

calcular as vazões médias, diárias, mensais e anuais. Lembrando que a potência de uma barragem

é função da vazão do curso na secção da barragem e do seu desnível, pode-se perceber a

importância dos cálculos de vazão. Alguns exemplos típicos de vazões médias são fornecidos

pelo Rio Sapucaí Paulista que, no período de 1931 a 1962, apresentou nas suas cabeceiras (São

Joaquim da Barra), para uma bacia de 3.880 Km2, uma vazão média de 67 m

3/seg. Na sua parte

baixa (São Domingos), a bacia desse rio abrange uma área de 6.070 Km2, e a vazão passa para

100 m3/seg.

O Rio Pardo, messe mesmo período (1931 - 1962), apresentou vazão média nas

cabeceiras (São José do Rio Pardo) de 83 m3 por segundo, para uma bacia de 3.850 Km

2. Na

parte média (portanto, sem receber ainda seu afluente Mogi-Guaçu) e nas proximidades de

Ribeirão Preto, para uma bacia de 10.500 Km2, a vazão é 161 m

3/seg, e na sua parte baixa (São

Bartolomeu, Viradouro), a vazão passa a 420 m3/seg.

No Rio Tietê, para o qual uma série de aproveitamentos hidrelétricos estão sendo

desenvolvidos, podemos considerar como vazões média as seguintes:

5.5.3 - Mapeamento e Estudo Geológico

Este assunto já foi visto na unidade 01 deste curso de “Tópicos em Geotecnia e Obras de

Terra” quando estudamos conceitos de Geologia Aplicada à Engenharia.

Os trabalhos de geologia, realizados numa área onde se pretente implantar uma barragem,

se apóiam no desenvolvimento de ítens fundamentais:

1) - Mapemamento geológico da área

2) - Estudo da rocha de fundação

3) - Estudo dos materiais de construção

Para o esclarecimento desses três ítens, é normal a separação dos trabalhos geológicos em

duas etapas distintas, que se resumem nos trabalhos preliminares e nos de detalhe. No primeiro

caso, os trabalhos são de caráter apenas estimativo, uma vez que a geologia da área, o tipo da

rocha de fundação e os materiais de construção disponíveis são determinados com a finalidade de

reconhecimento apenas. Os dados colhidos nos trabalhos preliminares, e no caso dos mesmos

serem favoráveis para a localização de uma barragem, irão servir apenas de base para os

trabalhos de detalhe.


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5.5.4 - Planejamento

As informações obtidas nos ítens anteriores pelo levantamento topográfico (perfil

longitudinal do rio, secção transversal, área a ser inundada), pela hidrologia (vazão do curso nas

alternativas propostas), pelo mapeamento geológico (mapa dos tipos de rochas e solos existentes

na área, tipo da rocha de fundação, estudo dos materiais de construção, etc.), irão permitir aos

projetistas do setor de planejamento escolherem o tipo de barragem mais adequado e suas

dimensões.

5.5.5 - Orçamento

Este grupo analisa posteriormente os projetos propostos pelo grupo de planejamento.

Estimando a quantidade e respectivo preço dos materiais de construção a serem utilizados na

obra, as escavações de terra e rocha a serem utilizadas, as indenizações das propriedades e terras

a serem inundadas, etc., é possível calcular-se o preço do kw a ser obtido e em função do seu

valor, escolher e aprovar, ou não, os projetos sugeridos.

5.6 - Exemplo de Barragens Brasileiras

Em seguida, são dados alguns exemplos de situações geológicas e características de

algumas barragens brasileiras.

a) Barragem de Barra Bonita, no Rio Tietê, Estado de São Paulo

É uma barragem de concreto, com uma potência de 132 MW.

Sua altura máxima é de 24 m, sua extensão de 483 m e o volume de concreto foi de

200.000 m3.

A geologia local é constituída por derrames de basalto, aparecendo o tipo maciço e o

vesicular. Entre eles, apareceram camadas de arenito.

O fraturamento dos basaltos exigiu trabalhos intensos de injeção nas fundações.

O desenho a seguir esquematiza a barragem e a geologia local.

RRAGEM DE CAPIVARA, RIO PARANAPANEMA. ESTADO DE SÃO PAULO - EM DERRAMES DE

BASALTO

b) Barragem de Jaguará, no Rio Grande, na divisa dos Estados de São Paulo e Minas

Gerais

Geologicamente, a barragem está localizada em quartzitos putos silicificados, com

camadas de xistos intercaladas.

A barragem apresentou interessante problema geológico. Dada a grande vazão do rio,

foram executadas, na fase preliminar, somente duas sondagens no seu leito. Na fase de detalhe,

as sondagens confirmaram a presença de uma camada de xisto decomposto de pequena

resistência. Esse fato exigiu o deslocamento das estruturas de concreto para 50 m a jusante; a fim

de reduzir os custos de escavação da rocha decomposta.


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Nas margens do rio, a decomposição da rocha varia de 10 m a 15 m. No leito do rio, a

rocha está bastante fraturada.

A camada decomposta no local das estruturas citadas mergulhava cerca de 150 em

direção à margem esquerda.

O esquema a seguir resume a posição da camada em relação às condições geológicas.

A camada de xisto não oferecia condições de fundação para as estruturas de concreto.

Porém, a sua remoção total e a do quartzito subjacente exigiram um volume extra de escavação e

concreto.

A solução foi deslocar o eixo da barragem em 50 m na área da tomada d’água e da casa

de força.

Conclusões: o exemplo descrito mostrou os seguintes aspectos importantes para qualquer

estudo geológico de barragens:

1. o número insuficiente de sondagens na fase preliminar.

2. a importância do estudo geológico e, no caso; de se encontrar rocha desfavorável no local de

fundação.

3. o grau de fraturamento excessivo da rocha exigiu grandes trabalhos de injeções.

c) Barragem de Sobragi, no Rio Paraibuna, próximo à Juiz de Fora - MG.

A usina hidroelétrica de Sobragi, está localizada no Rio Paraibuna, entre os municípios de

Belmiro Braga e Simão Pereira, próximo a Juiz de Fora.

Este empreendimento, iniciado em março de 1996, pela empresa de Engenharia

Paranapanema para a Companhia Paraibuna de Metais - CPM - e tem como objetivo a geração de

Energia Elétrica no sentido de diminuir os insumos (custos) da empresa na fabricação de seus

produtos.

Exemplo de Usina em que há aproveitamento de grande desnível entre dois pontos

próximos, sendo executado um túnel ( escavado ) de adução sob a encosta natural (terreno).

Barragens foram também necessárias no caso para fechamento próximo a tomada d’água e no de

fechamento de 8,7m de altura na casa de força.


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5.7 - Dimensionamento de taludes de uma Barragem de Terra

Análise de Estabilidade

O projeto do maciço compactado de uma barragem é principalmente controlado pelas

características dos materiais de contrução disponíveis, pela natureza das fundações, pelos

métodos construtivos especificados e pelo grau de controle de construção previsto.Pelas

considerações relativas aos custos dos materiais de contrução, há um máximo interesse de se

utilizar os solos disponíveis nas proximidades imediatas do local de implantação da barragem;

em função da qualidade e das propriedades destes solos no estado compactado, deve-se

dimensionar as declividades dos taludes em termos econômicos e seguros, o que reverterá em

benefícios substâncias, principalmente quando se trata de barragem de grande altura; para atingir

tais objeivos, será necesssário programar cuidadosamente análises de estabailidade

adequadas, as quais exigem estudos prévios detalhados bem como a fixação de critérios de

projeto compatíveis com as caracteristicas da obra.

Em termos gerais, pode-se afirmar que é possível contruir uma barragem de terra sobre

quase todos os tipos de fundações; desde que ela sejam adequadamente investigadas e desde que

o projeto se adapte convenientemente às condições relevadas. De acordo com o tipo de fundação

existente, os estudos de estabilidade dos taludes de uma barragem podem ser divididas em três

grupos, de acodo com as características predominantes dos materiais presentes do maciço de

fundação:

10 grupo: fundações em rochas, as quais não apresentam, em geral, probemas graves.

20 grupo: fundações em solos permeáveis ( solos arenosos ou com pedregulhos ): nesse caso,

deve-se considerar dois aspectos principais : quantidasde de água perdida por percolação e

grandeza das forças de percolação; esse último aspecto assume especial importância nos casos de

fundações contituídas por areias limpas e saturadas ( geralmente finas e uniformes ) de baixa

compacidade.


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30 grupo : fundações em solos impermeáveis ( solos essencialmente argilosos ), onde os

principais problemas são associdos à estabilidade contra a ruptura por cisalhamento e aos

assentamentos excessivos.

Os solos empregados na construção de uma barragem de terra e enrocamento podem

ser classificados em duas grandes categorias :

* os materiais permeáveis ( areias e cascalhos ), caracterizados por uma resistência ao

cisalhamento elevada;

* os materias pouco permeáveis ( argilas, areis e siltes argilosos ), caracterizados por uma

resistência ao cisalhamento mais fraca.

No caso de se dispor, nas proximidades imediatas da obra, de quantidades importantes de

materiais pouco permeáveis e de pequeno volume de materias permeáveis, a solução

recomendável é de se projetar uma barragem homôgenia utilizando os materias pouco

permeáveis. Ao contrário, se a proporção desses dois tipos de materiais é invertida, deve-se

adotar uma solução de barragem com “ núcleo impermeável ”, o núcleo sendo contruido com

materiais pouco permeáveis e os espaldares com materiais permeáveis. No caso dos espaldares

serem contituidos por materias de permeabilidades sensivelmente diferentes, os materias deverão

ser distribuidos de forma que os menos permeáveis sejam posicionados junto ao núcleo da

barragem ( barragens “zoneadas”); nas barragens com núcleo e nas barragens zoneadas, os

espaldares extenos têm uma função estabilizadora enquanto compete ao núcleo o papel de

elemento ipermeabilizador.

Numa barragem de seção homogênia , a linha freática tem a tendência de emergir no

talude de jusante, o que exige colocação de material permeável, judiciosamente posicionadas.

Nas barragens com núcleo impermeável, a espessura do núcleo dependerá da quantidade

de materiais argilosos disponíveis, das suas características geotécnicas, de seus índices físicos

naturais ( teor de umidasde ) e do condicionamento climático ( índice pluviométrico anual e

distribuição das chuvas ao longo do ano ). A posição do núcleo ( vertical ou inclinada )

dependerá das resistências relativas dos materiais permeáveis e impermeáveis: para uma mesma

declividade do talude de montante, um núcleo construido com materiais pouco permeáveis cuja a

resistência for ligeiramente menor que a dos materiais do contranúcleos, poderá ser mais

inclinado ( mais deitado ) que um núcleo construído com materiais muito argilosos cuja a

resistência for sensivelmente menor que as dos materiais dos contranúcleos, esta posição

dependerá também das caracteísticas de compressibilidade da fundação do núcleo e dos

espaldares.

A programação dos estudos de estabilidade exige obedecer a uma sequência de atividades

cuja impôrtancia individual não pode ser desprezada, lembrando-se que os projetos teoricamente

bem elaborados e apoiados sobre análises de estabilidade detalhadas causaram sérios problemas

por omitir ou subestimar determinados aspectos importantes. Consequentemente, deve-se

escolher criteriosamente:

- as condições de carregamento a analisar

- as seções mais críticas, ( essa escolha exigirá a elaboração prévia de seções geotecnicas

longitudinal e transversáis ).


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- os parâmetros de resistência

- os métodos de análises

- os fatores de segurança mínimos

5.8 - Condições de Carregamento

Durante e após a construção de uma barragem, e durante e após o primeiro enchimento do

reservatório, ema barragem, de terra é submetida a um conjunto de solicitações que variam com o

tempo, sendo portanto necessário verificar, se os fatores de segurança correspondentes à ruptura

por cisalhamento são compatíveis com os valores prefixados. Em linhas gerais, as situações

críticas a considerar são as seguintes.

1o) - fim de construção:

durante a construção de uma barragem de terra, à medida que as camadas vão sendo

colocadas e compactadas, a pressão total num determinado nível vai aumentando, sendo que este

aumento provoca simultaneamente pressões intersticiais, devido à compressibilidade do maciçoc

e ao seu baixo coeficiente de permeabilidade. Assim os esforços solicitantes provém, para uma

determinada declividade do talude, do peso das terras e das consequentes pressões neutras

induzidas, as quais são uma função do tipo de solo, do teor de umidade dos solos colocados e do

rítmo construtivo.

2o) - fluxo em regime permanente com o reservatório cheio:

durante o primeiro enchimento com o reservatório, estabelecem-se fluxos de percolação,

constituindo-se progressivamente uma rede de fluxo permanente. Uma vez que a água percola de

montante para jusante, a pressão de percolação é favorável à estabilidade do talude de montante e

desfavorável à do talude de jusante. esta condição de solicitações é também denominada “a longo

prazo”.

3o) - esvaziamento rápido do reservatório:

a um rebaixamento rápido do nível do reservatório, corresponde uma situação crítica para

o maciço de montante da barragem.

4o) - solicitações dinâmicas:

provocadas por sismos, este tipo de situação é rotineiramente considerado em regiões

sísmicas; nestes últimos anos, tem sido recomendado como indispensável verificar sob tais

solicitações, mesmo em zonas historicamente assísmicas em virtude da possibilidade de

ocorrência de sísmos induzidos pelo enchimento do reservatório da própria barragem.

As características geométricas externas de uma barragem de terra são geralmente

determinadas pelo seu desempenho correspondente ao fim de construção e ao rebaixamento

rápido do reservatório:

— o talude de jusante é dimensionado levando em consideração as pressões neutras que

pode3m se desenvolver no maciço até o fim de sua construção.


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— o talude de montante é dimensionado levando em consideração as condições criadas

pelo rebaixamento instantâneo do reservatório.

Entretanto, no casos de maciços construídos com materiais muito pouco a pouco argilosos

compactados do lado seco com relação à umidade ótima do ensaio de compactação, pode se

tornar necessário modificar a declividade obtida para o talude de jusante e/ou melhorar a

capacidade drenante do sistema de drenagem interna, a fim de garantir a estabilidade da obra para

as condições de operação normal (longo prazo).

5.8.1 - Escolha das seções a serem analisadas

A escolha judiciosas das seções transversais críticas cujas condições de equilíbrio devem

ser verificadas, pressupõe o profundo conhecimento prévio do condicionamento geotécnico dos

meciços de fundações e ombreiras. Torna-se portanto necessário elaborar o perfil longitudianal

pelo eixo da barragem, o que constitui um subsídio substancial para os estudos de projeto. A

montagem deste perfil ajuda também a programação das investigações geotécnicas necessárias, já

que, ao elaborar tal perfil, serão identificadas as zonas pobres em resultados de investigações,

subsidiando assim a equipe de projeto na programação dinâmica e objetiva dos estudos e

investigações de campo e laboratório necessárias à obtenção dos parâmetros condicionantes do

projeto.

As informações necessárias à montagem do modelo geotécnico da fundação da barragem

a ser utilizado para as verificações de estabilidade dos taludes devem abranger todos os dados

atinentes às principais condições de solicitações, isto é, fim de construção, fluxo em regime

permanente e rebaixamento rápido do reservatório. Ressalta-se que a necessidade e/ou a

importância de certos dados só aparecem após a conclusão das primeiras análises de estabilidade,

já que estas análises indicam quais são os parâmetros que devem ser determinados com maior

precisão e com maiores detalhes, por terem maior peso nos resultados destas análises. Em

contrapartida, os estudos esclarecerão também quais são os parâmetros que pouco condicionam o

estado de equilíbrio, pelo fato da adoção de valores conservativos dos referidos parâmetros

resultar em fatores de segurança aceitáveis.

Da mesma forma, a seleção das seções transversais críticas a serem analisadas obedecerá

p processo iterativo, uma vez que os resultados das análises de estabilidade preliminares

realimentarão o processo de identificação das seções mais críticas. Desde já, cabe salientar que a

experiência e o bom senso representam trunfos de grande peso na preseleção das seções críticas

de uma barragem, evitando-se perdas de tempo e gastos inúteis no estudo de seções pouco

perigosas. Lembra-se também que quanto mais complexo o condicionamento geotécnico das

fundações, maior será o número de seções e situações a serem analisadas.

Basicamente, o processo de escolha das seções críticas exige a consideração de vários

fatores condicionantes tais como a altura da barragem, as características de resistência dos solos

de fundação, a espessura das comadas de fundação, a permeabilidade relativa das mesmas, etc...

5.8.2 - Escolha dos parâmetros de resistência ao cisalhamento

Um dos aspectos mais importantes envolvido nas análises de estabilidade, e

provavelmente, um dos mais complexos, é a seleção dos valores dos parâmetros de resistência ao


19

cisalhamento. Antes de se proceder à análise deste problema, o qual deve ser estudado

separadamente para cada tipo de solicitações, cabe abrir uma curta parêntese geral sobre as

análises em termos das tensões totais e das tensões efetivas. Antigamente, quando os recursos

tecnológicos não permitiam a medição das pressões neutrtas, quer no campo quer no laboratório,

utilizavam-se apenas as análises em termos das tensões totais. Com o progresso da tecnologia

laboratorial e instrumental, tornou-se gradativamente possível medir as pressões neutras em

corpos de prova ensaiados em laboratório, bem como pressões neutras reais desenvolvidas dentro

de maciços compactados. Tais avanços permitiram utilizar métodos de análises de estabilidade

em termos das tensões efetivas, o que não quer dizer que os métodos em termos das tensões

totais foram abandonados, havendo casos em que estes métodos são ainda considerados como

mais confiáveis e mais recomendáveis.

- Análise por tensões totais

A análise em termos das pressões totais admite que as pressões neutras de cisalhamento

estão levadas implicitamente em consideração no ensaio de determinação da resistência ao

cisalhamento, considerando-se portanto que as condições de carregamento no campo estão

simuladas no ensaio (condições de drenagem, trajetórias de tensões, etc...). O ensaio usualmente

utilizado é o de compressão triaxial. Cabe frisar que o efeito das condições de carregamento

sobre a resistência não drenada, é singnificativo, o que induz grande variabilidade nos resultados

dos ensaios, principalmente para solos parcialmente saturados.

- Análise por tensões efetivas

Nas análises em termos das tensões efetivas, parte-se das hipóteses que a resistência

efetiva dos solos é conhecida e que pode prever as pressões intersticiais.

A primeira hipótese só é válida parcialmente, dependendo da origem das pressões neutras

consideradas.

10 as pressões neutras de percolação podem ser facilmente determinadas através do

traçado de redes de percolação.

20 as pressões neutras de adensamento também podem ser determinadas através de

ensaios de laboratório cujos resultados são facilmente transportáveis nas análises.

3o as pressões neutras de cisalhamento cuja transposição dos valores obtidos de ensaios

laboratoriais para as análises de estabilidade é mais complexa, já que estas pressões neutras estão

relacionadas aos valores das variações das tensões.

Observa-se portanto que as análises de estabilidade em termos das tensões efetivas se

baseiam sobre hipótese aceitáveis a não ser a referente à avaliação das pressões neutras de

cisalhamento que exige hipóteses simplificadores. Uma grande vantagem do uso de análises em

função das tensões efetivas é associada ao fato do que a resistência efetiva dos solos pode ser

determinada com bôa precisão e que as pressões neutras construtivas dentro do maciço podem

ser medidas, conseguindo-se assim verificar as hipóteses de projeto.


20

5.9 - Fatores de segurnaça

Os fatores de segurança a serem introduzidos nas análises de estabilidade de taludes de

barragens devem cobrir as incertezas relacionadas com:

- as resistências dos diversos horizontes dos solos de fundações e ombreiras e das

diversas zonas dos solos compactados do maciço da barragem, levando-se em consideração todos

os fatores que influenciam estas resistências tais como representatividade e qualidade das

amostragens, duplicação do carregamento de campo, anistropia, erros de ensaios, etc.

— as pressões neutras construtivas.

— a distribuição das pressões intersticiais de rede de fluxo permanente.

— a grandeza e a distribuição das subpressões nas fundações

— a eficiência de sistemas de vedação.

— a eficiência de sistemas de alívio de subpressões.

— as vazões de percolação.

— a eficiência do sistema de drenagem interna.

— as imprecisões dos métodos de cálculo.

— as eventuais falhas construtivas.

— a configuração geométrica dos taludes internos e externos e dos materiais.

O quadro abaixo reproduz as recomendações do “Corps of Engineers” para os diversos

tipos de solicitações impostos a uma barragem:

Tipo de

Solicitação

Fator de

Segurança

mínimo

Envoltória de

Resistência

Observações

Fim de construção

1,3(2)

Q ou S(3)

Taludes de montante e jusante

Rebaixamento rápido a partir do

N.A. máx.normal

1,0(4)

R, S Talude de montante (usar

envoltória composta).

Reservatório parcialmente cheio

com fluxo permanente.

1,5 (R+S)/2 para

R<S e S para

R>S

Talude de montante (usar

envoltória intermediária)

Reservatório cheio com fluxo

permanente.

1,5 (R+S)/2 para

R<S e S para

R>S

Talude de jusante (usar envoltória

intermediária)

Sismos (5)

1,0 (6) Taludes de montante e jusante

Notas: (1) esses valores não são aplicáveis ao caso de maciços apoiados sobre fundações de

argilito; neste caso, deverão ser adotados fatores de segurança maiores.

(2) para barragens de mais de 15 m de altura apoiadas sobre fundação relativamente

fraca, adotar F.S. mínimo igual a 1,4.

(3) nas zonas onde são previstas pressões neutras elevadas, utilizar a envoltória S.

(4) o fator de segurnaça não deverá ser menor que 1,5 quando as análises de estabilidade

utilizam a velocidade de rebaixamento e as pressões neutras obtidas a partir de

redes de fluxo.


21

(5) as verificações de estabilidade sob a ação de sísmos são realizadas para os casos de

fim de construção e de fluxo permanente.

(6) as envoltórias a serem utilizadas são aquelas correspondentes aos casos analisados

sem sismos.

Tendo em vista que um deslizamento eventual durante o período construtivo não causa

danos substanciais (perdas materiais e de vidas humanas) quando comparados com os danos que

seriam provocados pela ruptura de uma barragem com o reservatório cheio, que as pressões

neutras introduzidas nos cálculos de estabilidade são geralmente maiores que as pressões neutras

reais, e que é possível de se medir as pressões neutras construtivas pela instalação de piezômetros

bem posicionados, é justificável a adoção de fator de segurança mínimo mais baixo para este tipo

de condição. No que diz respeito aos valores propostos pelo “Corps of Engineers” (FS = 1,3 a

1,4), recomendam-se alguns cuidados ao se adotar tais valores; considera-se imprescindível fixar

o valor mínimo do fator de segurança em cada projeto específico em função da peculiaridade do

mesmo, de acordo com o grau de conservatismo na fixação das hipóteses de projeto, o grau de

confiança dos resultados das investigações de campo e dos ensaios de laboratório, o método de

análise adotado, etc...

As mesmas considerações se aplicam à condição do reservatório cheio, aconselhando-se

entretanto maior prudência neste caso tendo em vista as gravíssimas consequências que seriam

causadas por um desempenho insatisfatório ou por uma ruptura.

Acredita-se que um fator de segurança mínimo de 1,5 é aceitável uma vez que este valor

já tem sido adotado em inúmeras barragens em operação no Brasil e no Exterior, apesar das

diversas modalidades utilizadas para a determinação da resistência ao cisalhamento dos solos, a

previsão das pressões intersticiais e as análises de estabilidade. De qualquer maneira, convem

pensar no início do projeto a respeito deste assunto, analizando-se cuidadosamente os tipos de

materiais que serão utilizados na construção da barragem e o tipo de fundação em que a

barragem será apoiada.

Por exemplo, se a barragem será construída sobre uma fundação rochosa extremamente

resistente, usando-se materiais permeáveis compactados (cascalho arenoso ou enrocamento de

rocha sã) e um núcleo impermeável delgado inclinado, é praticamente evidente que não há risco

de ruptura do talude de jusante nas condições “a longo prazo”, mesmo se o fator de segurança

calculado parece ser relativamente baixo. Pelo contrário, se a barragem será construída com solos

essencialmente argilosos sobre uma fundação construída por solos altamente plásticos, a

obtenção de um valor mínimo de 1,50 para o fator de segurança deverá exigir cuidados especiais

adicionais a fim de avaliar se os parâmetros de resistência ao cisalhamento utilizados e as

pressões intersticiais determinadas são suficientemente dignos de confiança.

5.10 - Exemplo de análise de estabilidade

São apresentadas como exemplo algumas seções que foram analizadas quanto as suas

condições de estabilidade e a possibilidade de alteamento do dique (barragem - pequeno

tamanho).


22

A seção topográfica estudada apresenta os resultados de SPT obtidos em uma prospecção

geotécnica realizada para se caracterizar o sub-solo do local.

Seção Topográfica 12 - Trecho da análise A

Seção analizada: Talude à Juzante do reservatório

Condição do NA na cota atual do reservatório.

Fator de segurança de 1,439.


23

Seção analizada: Talude à Montante do reservatório

Condição do NA na cota atual do reservatório.


Seção analizada: Talude à Juzante do reservatório

Condição do NA na cota da base do dique do reservatório.



24

5.11 - Construção do Maciço nos Trechos de Contacto entre Materiais Diferentes

Durante a construção de maciços de barragens são requeridos serviços especiais,

indispensáveis para a garantia do perfeito funcionamento de alguns dispositivos dos quais eles

são dotados. Entre esses serviços destacam-se os relativos à contrução de filtros, transições, rip-

rap, membranas de concreto, etc.

5.11.1 - Filtros

O sistema de drenagem interna de uma barragem de terra é geralmente constituído de um

tapete drenante e um filtro em chaminé.

Os tapetes drenantes, geralmente ficam apoiados sobre a superfície de fundação e são

constituidos de camadas múltiplas de materiais, com elevada permeabilidade, para permitr o

escoamento das águas drenadas através da fundação e do maciço de barragem. Quando a

superfície da fundação é horizontal, ou pouco enclinada, o tapete é construído em camadas e

compactado por meio de rolos vibratórios ou tratores de esteira, imediatamente após intensa

irrigação. Quando a fundação é mais inclinada ( ombreira ) a construção do tapete é conduzida

juntamente com o aterro, em pequenos lances, sendo a sua compactação feita por meio de rolo

pneumático ou placa vibratória.

Os filtros em chaminé podem ser verticais ou inclinados e geralmente são constituídos de

um único material, na maioria das barragens, de areia natural. Sua espessura é da ondem de 1

metro, geralmente estabelecida em função da mínima dimensão requerida para a sua construção.

Pode ser construído em camadas finas, de espessura igual a uma ou duas vezes a espessura do

aterro, lançadas antes e compactadas juntamente com as camadas deste, através do rolo vibratório

ou pneumático; ou pode ser contruído após o aterro ter atingido uma certa espessura ( 1 a 2

metros ) , por escavação deste e substituição por material de filtro, sendo compactado em

camadas por meio de placa vibratória ( figura 6 ). No primeiro caso o consumo do material de

filtro é maior, pois a geometria final do filtro construído fica constituída de seções trapezoidais

superpostas, de altura igual à espessura da camada e a largura no topo igual à dimensão mínima

do projeto. Para a construção dessas camadas são utilizados equipamentos, que preenchidos por

material de filtro e puxados por um trator fazem o lançamento da camada com espessura e

largura desejada. No segundo caso, quando o filtro é inclinado, também há necessidade de maior

consumo de material, para se observar a dimensão mínima do projeto. Quanto maior a espessura

do aterro escavado para substituição, maior o excesso de consumo de material de filtro.

5.11.2 - Transições

As transições entre enrocamento e aterros são construídas com técnicas semelhantes às

utilizadas na execussão dos filtros em chaminé, em camadas concomitantes, apoiadas sobre a

face do aterro ou do enrocamento. Junto as transições é importante que o enrocamento contenha

certo teor de pedras miúdas e finos, e que seja empalhado com a lâmina do trator movimentando-

se no sentido em que se afasta da transição, conduzindo as pedras maiores para longe desta. Os

materiais de transição são compactados com rolos pneumáticos ou vibratórios, tomando-se

cuidado especial para que o aterro adjacente à transição não fique sem compactação.


25

5.11.3 - Rip - rap

Os projetos de rip-rap prevêem a inclusão de uma ou mais camadas de transição entre as

pedras e o aterro. As camadas de transição do rip-rap são lançadas depois de uma certa espessura

de aterro. Toda terra solta sobre a face do talude é raspada por um trator de lâmina e espalhada na

superfície do aterro. A seguir são lançadas as camadas de transição do rip-rap. Quando se dispõe

de enrocamento bem graduado pode-se construir o rip- rap sem as camadas de transição,

adotando-se uma técnica de espalhar o enrocamento de cima para baixo, com a lâmina do trator

abaixada, que vai gradativamente sendo levantada, a medida que o tratror vai descendo pela

superfície da latitude. Assim, consegue-se fazer com que o material mais fino fique em contato

com o aterro, que servirá de transição para as pedras grandes a serem lançadas no próximo lance

de construção do rip-rap. Na Barragem de Água Vermelha foi utilizado este processo, sendo o

rip-rap construídos em lances de cerca 3 a 4 metros de altura, aproveitando-se a ocorrência de

material adequado na pedreira, constituído de pedras miúdas, provenientes de uma camada de

basalto denso e colunar, bastante fraturado, sobreposta de um derrame de basalto vesicular são,

que dava origem as pedras graúdas.

a) Filtro de chaminé - construído concomitantemente com o aterro

b) Filtro em chaminé - construído por escavação do aterro

Figura 1 - Métodos Construtivos de Filtro em Chaminé


26

5.11.4 - Contacto entre o aterro e as estruturas de concreto

Para a compactação do aterro junto às superfícies de concreto são geralmente utilizados

soquetes manuais. Quando essas superfícies são contínuas pode-se executar a compactação por

meio de rolos pneumáticos, fazendo-se com que os pneus passem o mais próximo possível do

concreto, com o rolo movimentando-se paralelamente à linha de contacto.

Constitui boa prática de projeto prever uma ligeira inclinação da superfície do concreto,

por exemplo 1 : 10 ( H : V ) , o que facilita a compactação do contacto, além de minimizar

problemas de deslocamento do aterro, que seriam provocados por deformações oriundas do

recalque da maciço.

5.11.5 - Construção de membranas de concreto na face de montante do enrocamento

Nos últimos dez anos observou-se um grande progresso nos projetos de barragem de

enrocamento com face de concreto, com acréscimo do uso desse tipo de barramento, que também

passou a ser adotado nas barragens com altura superior a 100 metros. Essa difusão ocorreu graças

ao desenvolvimento das técnicas de construção de enrocamentos conpactados, das trincheiras de

vedação e dos dispositivos de impermeabilização das juntas de lajes. A barragem de Foz do

Areia, da COPEL, recentemente concluída no Rio Iguaçu é um exemplo dos mais importantes

desse tipo de obra.

Para minimizar os problemas de recalques, o enrocamento na zona sobrejacente à laje de

concreto é construído com rocha sã, lançada e compactada em camadas de pequena espessura.

Entre o enrocamento e a laje são constituídas camadas de transição, de granulometria adequada,

que são compactadas por meio de rolos vibratórios, movimentando-se sobre os taludes por meio

de um sistema de cabos e guinchos.

A laje de concreto, com cerca de 30 cm no topo e espessura crescendo na ordem de 0,3 %

com a profundidade, é constituída em painéis, com formas deslizantes, preferencialmente sem

juntas horizontais. A junta que merece maiores atenções é a situada próximo às ombreiras ( junta

perimetral ) , onde são introduzidos vedajuntas duplos e enchimentos especiais, onde os

recalques diferenciais são mais acentuados. Na figura 2 é apresentada uma seção típica da

Barragem de Foz do Areia com indicação dos materiais utilizados e na figura 3 um detalhe da

junta perimetral adotada na construção dessa barragem.


27

Seção típica da barragem

TABELA

DE

MATERIAIS

MATERIAL CLASSIFICAÇÃO ZONA MÉTODO DE

COLOCAÇÃO

DADOS DE

COMPACTAÇÃO

I A LANÇADO

BASALTO

MACIÇO

(ATÉ 25% DE

I B

COMPACTADO EM

CAMADAS DE 0,80m

ROLO VIBRATÓRIO 4

PASSADAS 25% DE

ÁGUA ( 10 TON )

ENROCAMENTO

I

BRENCHA

BASÁLTICA)

I C

COMPACTADO EM

CAMADAS DE 1,60m

ROLO VIBRATÓRIO 4

PASSADAS 25% DE

ÁGUA ( 10 TON )

INTERCALAÇÃO

DE BASALTO

MACIÇO E

BASÁLTICA

I D

COMPACTADO EM

CAMADAS DE 0,80m

ROLO VIBRATÓRIO 4

PASSADAS 25% DE

ÁGUA ( 10 TON )

BASALTO

MACIÇO -

ROCHAS SELEC.

DE O,80 m

I E

ROCHA DE FACE

COLADA

TRANSIÇÃO

II

BRITA CORRIDA

DE BASALTO

MACIÇO

II B

GRADUAÇÃO MENOR

QUE Ø 6” COMPACT.

EM CAMADAS - 0,40m

CAMADAS ROLO

VIBR. MIN 4

PASSADAS .

FACE ROLO

VIBR.MIN. 6

PASSADAS ASCEN.

ATERRO

III

MATERIAL

IMPERMEÁVEL

CAPA DE TERRA

III D

MENOR QUE 3 / 4 “

COMPACT. EM

CAMADAS 0.30m

ROLO PNEUMÁTICO

OU EQUPAM. DE

CONSTRUÇÃO

Figura 2 - Zoneamento da barragem de Foz do Areia. ( apud N. S. Pinto et. al. )


28

Figura 3 - Detalhe da Junta Perimetral da Barragem de Foz do Areia

( apud N. S. Pinto et. al. )

Unidade 05 - BARRAGENS DE TERRA E ENROCAMENTO · 2018. 12. 3. · A barragem de Passo Severino,...

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