Barragens: Introdução, Componentes e Tipos - Guia Completo

BARRAGENS 1 INTRODUÇÃO Os projetos de barragens que são concebidos e dimensionados como estruturas hidráulicas tem por finalidade reservação de água que serão utilizadas para várias finalidades entre elas produção de energia elétrica sistemas de irrigação controle de inundações e cheias e abastecimento de água para a população urbana e rural e atividades rurais para abastecimento de animais As barragens são concebidas em diversas modalidades podendo ser de concreto convencionais utilizando no seu núcleo solo e também pode ser utilizado rochas denminada de enrocamento As barragens construídas na modalidade de concreto são divididas em barragens de gravidade com geometria em arco utilizando contrafortes e também podem ser classificadas como gravidade aliviada e arcogravidade As barragens que utilizam material concreto são construídas com materiais oriundos de jazidas naturais areia e brita adicionados ao cimento podendo utilizar aditivos químicos depemdendo da especificação do projetista As barragens construídas em material natural solo ou rochas enrocamento utilizam solo argiloso siltoso e arenoso ou materiais que passam por processos industrializados de britagem produzindo britas e blocos para enrocamento As barragens utilizadas na mineração são construídas para contenção de rejeitos e são construídas utilizando os próprios rejeitos da mineração Estas barragens recebem o nome de barragens de rejeitos de mineração A definição da localização para implementação de baragens deve ser cuidadosamente estudada para que os impactos ambientais sejam mínimos procurando sempre preservar o local da barragem e seu entorno Gravidade Concreto em Arco Contrafortes A relação entre estas variáveis cota e vazão é denominada pelos hidrólogos de curvachave 3 COMPONENTES DAS BARRAGENS Para operar adequadamente as barragens devem ter vários componentes específicos reservatório vertedouro estruturas de descarga e unidade de controle No caso de barragens com instalações de energia hidrelétrica condutos forçados geradores e subestações estão incluídos O reservatório é o componente que armazena a água A alimentação ou vazão afluente deve ser continuamente monitorada e a vazão deve ser controlada para obter o máximo de benefícios Sob condições normais de operação o nível do reservatório é controlado pela unidade de controle que controla a vazão pelas estruturas de descarga que consistem em um grande túnel ou conduto no nível da água e comportas Sob condições de enchente o nível do reservatório é mantido pelo vertedouro e pelas estruturas de descarga Fonte Fonte CIGBICOLD 2007 2 ESTUDOS BÁSICOS O projeto civil dos diversos tipos de barragens é multidisciplinar abrangendo diversas áreas da engenharia sendo elas hidrologia hidráulica mecânica dos solos e rochas e análise de estruturas O projeto de uma barragem deverá ser realizado com base nos Estudos Básicos descritos a seguir Topográficos Geológicos e geotécnicos Hidrológicos Ambientais Os projetos das obras civis são distribuídos assim Barragem e vertedouro Canal tomada dágua e conduto adutor Câmara de carga Chaminé de equilíbrio Conduto forçado Casa de força Canal de fuga A medição da vazão de um curso dágua para o dimensionamento hidráulico de uma barragem é um processo relativamente complexo que envolve equipamentos e técnicos especializados Não sendo economicamente viável a realização de medições de vazões de forma contínua de modo a permitir ao hidrólogo o conhecimento pleno do regime fluvial dos rios estas medições são feitas de forma esporádica procurandose definir uma relação entre o nível dágua e a vazão de tal forma que a partir da medida da cota linimétrica se obtenha a vazão correspondente 4 AÇÕES ATUANTES NAS BARRAGENS As estruturas das barragens estão submetidas a diversas forças Os principais esforços atuantes no corpo do barramento são Peso próprio e sobrecargas fixas W Pressão hidrostatica Hh Subpressão Pa Empuxo Ew Ondas ou ação dinâmica da água Fi Deformação na fundação e nas encostas Forças sísmicas O peso próprio do concreto com base no peso específico é de 24 kNm3 Fonte Fonte Adaptado de Linsley e Franzini 1978 5 NÍVEIS DE ÁGUA NO RESERVATÓRIO DA BARRAGEM Os níveis de água em um barramento são de extrema utilidade operacional e podem ser divididos em Nível de água máximo categoria normal este nível no reservatório é identificado e caracterizado por meio de dos estudos com finalidade para geração de energia considerando normas e condicionantes dos órgãos ambientais Nível mínimo modalidade normal este nível no interior do reservatório é definido por meio de estudos baseados em consumo de energia e condicionantes dos órgãos ambientais Nível de enchente máximo ou maximorum Este nível é o mais cuidadoso na sua definição operacional e é resultante de estudos de cheias de uma série histórica do local Este estudo definirá a concepção de comportas para regular o nível operacional adequado e dimensionamento do vertedouro para operar durante as vazões e manter níveis máximos de projeto Nos projetos de barragem que são concebidas em concreto estimase a borda livre BL que poderá ser calculada por métodos numéricos sempre limitando por segurança ao mínimo de 15 metros Em barragens que utilizam solo terra ou enrocamento a definição da borda livre BL normal será através de estudos de ondas geradas pelo vento predominante e será definida com limitador mínimo de 30 metros 6 TIPOS DE BARRAGEM As barragens são definidas e classificadas de acordo com o material que foram construídas concreto solo e enrocamento Barragens de concreto utilizam em sua construção os agregados usuais em concreto adicionados ao cimento formando a massa de concreto Barragens de solo terra eou enrocamento utilizam na construção material granular solo de boa qualidade e impermeável como argila e outros como silte e areia As barragens de enrocamento utilizam rocha britada de acordo com especificação do projeto Barragens de contenção de rejeitos são construídas e alteadas com o próprio rejeito de mineraçâo As barragens construídas em concreto são classificadas barragem de gravidade com geometria triangular e para sua estabilidade vertical utiliza o peso próprio da estrutura de concreto barragem em arco possui uma estrutura delgada e com geometria em forma de arco apoiada e fixada nas ombreiras laterais e fundações apoiadas rochosas sã não podendo ser fraturada barragem de contrafortes possui estabilidade estrutural utilizando lajes de sustentação contrafortes ao longo do desenvolvimento da barragem Barragens de Contenção de Rejeitos utilizadas nas empresas de mineração para retenção dos rejeitos gerados no processo industrial Utilizam o próprio rejeito para fazer os alteamentos necessários buscando estabilidade da barragem Barragens de solo terra e enrocamento utilizam na sua construção solo de qualidade e com granulometria definida Cada parte da barragem utiliza um tipo de solo sendo do mais permeável ao menos permeável evitando fluxo de água através de seu núcleo Sua estrutura pode ser definida como homogênea ou com variações denominada zonada As barragens de terra possuem na sua concepção os seguintes elementos principais zona de vedação máxima núcleo central sistema de filtros para drenagem interna região resistente denominada de espaldar es Principais desvantagens encontradas para a construção de barragem em solo é o clima não sendo possível trabalhos durante a estação chuvosa Neste tipo de barragem a principal preocupação é com a percolação de água pelo núcleo da barragem Para evitar este fenômeno devese projetar o núcleo com material de baixa permeabilidade evitando ao máximo o escomento de água que trás instabilidade ao barramento Devese buscar solos arenosos por possuírem além de baixa permeabilidade e compressibilidade alta resistência ao cisalhamento e boas condições de trabalhabilidade O sistema de drenagem interna das barragens de terra é um dos fatores para o sucesso operacional e de estabilidade da barragem segurança A compactação eficiente nas barragens de terra reduz fluxo pelo maciço porem sempre haverá fluxo pois não conseguimos materiais e compactação totalmente impermeáveis Este fluxo deve ser identificado através de instrumentação buscando identificar seu caminhamento redes de fluxo e vazão de forma a não ocasionar desestabilização no maciço da barragem A Figura 7 apresenta corte transversal esquemático do maciço da barragem mostrando as cotas da crista do maciço da soleira do vertedor e dos níveis dágua de montante do reservatório 7 CONCLUSÃO O projetista deve na concepção do projeto deve escolher o tipo de barragem que irá projetar sua configuração geometria o tipo de material localização adequada entre outros critérios de projeto Os projetos de barragem também devem elaborar estudos de viabilidade econômica e técnica que abrangem diversas áreas podendo ser de disponibilidade de jazidas de materiais estudos hidrológicos tipo de fauna e flora da região com intuito de preservação e remoção estudo de série histórica do clima levantamentos topobatimétricos e levantamentos geotécnicos e geológicos alem da parte social no caso de desapropriação Na parte de controle das operações da barragem item importante utilizase instrumentação automatizada para toda a estrutura da baragem na busca de anomalias que possam colocar em risco a barragen e seu entorno A instrumentação busca monitorar toda a estrutura e seus dados são avaliados se estão dentro dos padrões de segurança A segurança das barragens é extremamente importante e não deve ser negligenciada pelo operador privado ou governamental pois um rompimento da estrutura causa desastres de grandes proporções com danos econômicos ambientais e de vidas humanas ECLUSAS 1 INTRODUÇÃO Eclusas são comportas que funcionam como elevadores de água e que fazem as barcaças e os navios subirem e descerem para transpor as barragens erguidas pelo homem nos rios permitindo a navegação fluvial A hidrovia é o caminho mais barato para o escoamento de cargas por isso a construção de novas barragens venha sempre acompanhada de eclusas pois a construção de eclusas depois de feita a barragem é muito mais cara e complexa O valor de uma eclusa construída junto com a obra de barragem representa 7 do valor total da usina e feita isoladamente passa a custar 30 do valor da barragem portanto o ideal é que eclusas sejam incluídas no planejamento das barragens e construídas ao mesmo tempo Com a utilização dos rios como meio de locomoção minimiza os prejuízos ao meio ambiente com duplicação ou construção de novas estradas O Ministério dos Transportes deve priorizar obras hidroviárias que se realmente for concretizado pode fazer com que a matriz logística do país passe a depender menos das rodovias e avance sobre o potencial pouco explorado de seus 63 mil quilômetros de rios brasileiros e destes 63 mil quilômetros de rios lagos e lagoas 20 mil não são navegáveis Dos 43 mil quilômetros com potencial de navegação apenas 155 mil são utilizados comercialmente Isso significa que 275 mil quilômetros de hidrovia permanecem inexplorados Na matriz nacional de transporte de cargas os rios respondem por apenas 4 do que é movimentado enquanto as estradas suportam 63 do total O Ministério dos Transportes estima que 45 milhões de toneladas de carga trafegam pelas hidrovia todos os anos quando o potencial mínimo seria de pelo menos 180 milhões de toneladas A construção de eclusas é o primeiro passo para melhorar a navegabilidade do rio solucionando parte do gargalo logístico para o escoamento da crescente produção brasileira 2 CONSTRUÇÃO DE ECLUSAS Eclusa é uma obra de engenharia que permite que embarcações superem desníveis em cursos de água ou seja subam ou desçam os rios ou mares em locais onde há desníveis São normalmente construídas em barragens quedas de águas corredeiras ou hidrelétricas e permitem que as embarcações vençam os desníveis que se formam nos barramentos e viabilize a canalização dos rios e a utilização dos rios em múltiplos usos geração de energia e abastecimento por exemplo Podem ser mecânicas ou hidráulicas Obras de transposição de desnível mecânicas Elevadores verticais pelo princípio de vasos comunicantes a água possibilita o rebaixamento de um elevador ao mesmo tempo que ocorre a elevação de outro Planos inclinados e cunha giratória sistema de trilhos encaminha as embarcações para desníveis diferentes Permite atravessar inclusive rodovias e ferrovias Rampas hidráulicas similares aos dois anteriores com a exceção de que a própria água é utilizada para direcionar a embarcação nos diferentes desníveis Obras de transposição hidráulicas Eclusas Eclusas são as mais utilizadas no Brasil podem apresentar câmaras simples câmaras múltiplas ou funcionarem como uma escada de eclusas Permite o transporte de embarcações de carga muito maiores e com gasto reduzido de energia Funcionam segundo o esquema abaixo 3 FUNCIONAMENTO DE ECLUSAS Eclusas funcionam como degraus ou elevadores para navios há duas comportas separando os dois níveis do curso dágua Depois que o navio entra os portões são fechados Quando a embarcação passa do ponto mais baixo para o mais alto e precisa subir o rio ela entra na eclusa pelo lado jusante e permanece na câmara A comporta de jusante é então fechada e a câmara enchida com água causando a elevação da embarcação até que se atinja o nível do reservatório superior A partir desse momento a comporta de montante pode ser aberta e a embarcação sai da eclusa Quando o caminho é o inverso e a embarcação precisa descer o rio ela entra na câmara pelo lado montante da eclusa A seguir fechase a comporta de montante e esvaziase gradualmente a câmara até que se atinja o nível do reservatório inferior A porta de jusante é aberta e a embarcação sai da eclusa As operações de enchimento e esvaziamento da câmara são geralmente feitas por gravidade com a ajuda de pequenas comportas e válvulas A eclusa funciona sem necessidade de bombas e nenhuma energia é gasta para erguer o navio Tudo é feito aproveitando o peso da própria água A Figura 1 apresenta o funcionamento de uma Eclusa Características técnicas de uma eclusa incluem os seguintes dados Dimensões Comprimento Largura e Altura Lâmina dágua mínima Tempo de enchimento Tempo de esvaziamento Vazão de enchimento Vazão de esvaziamento 4 CONCLUSÃO O Sistema Hidráulico de Transposição através de eclusa devem ser considerados como prioritários os aspectos ligados à segurança O maior risco para uma eclusa é o rompimento de uma porta fechada pelo choque violento de uma embarcação quando existe um desnível entre o nível dágua interno da câmara e o externo pois o fluxo das águas pode afundar a embarcação e causar sérios prejuízos a obra inclusive com o escoamento incontrolável pela câmara se a outra porta estiver aberta Os projetos de eclusas devem ser precedidos de estudos de arranjos e detalhamentos das obras de transposição de desnível com foco em solução de engenharia para estruturas direcionadas ao transporte hidroviário A construção simultânea de barragens e eclusas tem impactos positivos do ponto de vista ambiental e econômico do transporte hidroviário que movimenta embarcações com cargas de grandes volumes As eclusas são o primeiro passo para melhorar a navegabilidade do rio solucionando parte do gargalo logístico para o escoamento da crescente produção das regiões que dependem deste modal de transporte