Barragens sandroni - 2006 - 1 introdução

C/SS/BARRAGENS:1 INTRODUÇÃO 2006.doc 1
1 – INTRODUÇÃO
1.1 – Assuntos abordados
Estas notas estão em preparo. Foram montadas a partir de anotações diversas
entre 1986 e 1990 e só vieram a ser digitadas e revisadas pela primeira vez em
2002. Na situação atual estas notas estão incorretamente balanceadas,
incompletas e um tanto desatualizadas. Como se não bastasse, houve muito
pouco cuidado com as referências bibliográficas. Pretende-se eliminar
gradativamente essas deficiências.
O principal objetivo destas notas é didático. Elas se destinam a servir como texto
de base para um curso básico sobre projeto de Barragens de Terra e
Enrocamento (BTEs). Foram incluídos alguns aspectos geotécnicos de projetos de
barragens de concreto. As notas são utilizadas na cadeira COC739 do mestrado
em geotecnia da COPPE/UFRJ.
O texto, tal como está, costuma ser coberto em cerca de 20 horas de aula e
aborda os conceitos e os métodos de cálculo básicos utilizados em projetos de
BTEs. Procurou-se ilustrar os diferentes conceitos e justificar alguns dos métodos
com exemplos de comportamento observado e de acidentes em obras.
O texto é dividido em capítulos da seguinte maneira:
Capítulo 1 – Introdução – explica-se os objetivos e faz-se um breve
histórico da engenharia geotécnica de barragens;
Capítulo 2 – Acidentes em barragens – são enfocadas estatísticas de
acidentes em barragens visando deixar claros os principais aspectos que
devem ser objeto de atenção do engenheiro. Com base nessas
considerações são fixados os assuntos do curso e a ênfase que deve ser
dada a cada um;
Capítulos 3 a 5 – Percolação – enfocam a percolação através dos aterros,
pelas fundações e pelas interfaces de aterros com estruturas de concreto e
com suas fundações;
Capítulo 6 – Estabilidade – são abordados os aterros, durante a
construção e durante a operação, as subpressões em estruturas de
concreto e as cargas exercidas pelos aterros em estruturas de concreto;
Capítulo 7 – Erosão – enfoca a proteção dos taludes contra ondas, a
erosão dos taludes de montante e de jusante dos aterros, a borda livre das
barragens e a erosão em estruturas de descarga..
Futuramente o texto possuirá três Apêndices os quais, no momento, se encontram
em estado ainda mais embrionário do que o texto principal. No Apêndice 1 serão
apresentadas geometrias típicas (seções transversais, na maioria dos casos) de
barragens construídas no Brasil e no exterior. No Apêndice 2 serão apresentados
os principais fatos e procedimentos relacionados com o controle de qualidade dos
aterros de barragens. No Apêndice 3 será enfocado o comportamento tensão-

deformação dos solos compactados e enrocamentos tal como observado em
ensaios de laboratório e através de instrumentação.
Não são abordados os seguintes assuntos:
• Procedimentos e métodos para a realização de prospecções geotécnicas
tais como sondagens e ensaios de campo e de laboratório;
• Instabilidade dos taludes das ombreiras, das escavações para a obra e das
encostas que circundam o reservatório. A estabilidade de taludes é
estudada em cadeira à parte;
• Siltagem em reservatórios;
• Instrumentação de barragens. Este assunto é abordado em outra cadeira
mas poderá ser futuramente incluído nas presentes Notas, abordando
aspectos específicos da instrumentação de barragens;
• Efeitos de terremotos sobre os aterros das barragens. Este assunto deverá
ser incluído futuramente;
• Barragens que utilizam misturas de terra e enrocamento com outros
materiais (concreto, asfalto, aço, madeira), com exceção das barragens de
enrocamento com face de concreto, muito utilizadas no Brasil;
• Barragens constituídas por aterros hidráulicos, por terem caído em desuso
no Brasil e na maioria dos países do Ocidente;
• Utilização de geo-sintéticos em maciços e componentes permanentes de
barragens. Este assunto deverá assistir a grande impulso no futuro próximo
e poderá vir a ser incluído.
Quanto às estruturas de concreto são enfocados apenas os aspectos que dizem
respeito às suas junções com os aterros e às subpressões em sua base.
Recomenda-se a leitura dos seguintes livros:
• Livro “Earth-Rock Dams” de Sherard, Woodward, Gizienski & Clevenger,
1963, John Wiley&Sons;
• Capítulo 11 do livro “Soil Mechanics in Engineering Practice” de K. Terzaghi
e R.B. Peck, segunda edição, 1967, John Wiley & Sons, New York;
• Livro “Presas de Tierra y Enrocamiento” editado por R. J. Marsal e D.R.
Nuñes, 1975, Editorial Limusa, México;
• Livro “100 Barragens Brasileiras” de P. T. Cruz, 1996, Oficina de Textos,
São Paulo.
Farto material de estudo e informação sobre projeto e construção de BTEs é
encontrado nas seguintes fontes:
• Seminários Brasileiros de Grandes Barragens, Simpósios, Encontros Técnicos
e outras publicações do Comitê Brasileiro de Grandes Barragens - CBGB;
• Congressos Brasileiros de Mecânica dos Solos e Engenharia de Fundações e
outras publicações da Associação Brasileira de Mecânica dos Solos – ABMS;
• Congressos Brasileiros de Geologia de Engenharia e outras publicações da
Associação Brasileira de Geologia de Engenharia – ABGE;
• Publicações do International Committee on Large Dams - ICOLD.

1.2 – NOTAS SOBRE A EVOLUÇÃO DA ENGENHARIA DE BARRAGENS
Barragens de terra e enrocamento têm sido construídas desde a remota
antigüidade. As mais antigas de que se tem conhecimento foram construídas
cerca de 4.000 anos A.C no Oriente Médio. Como exemplo apresenta-se na figura
1.1 seção da barragem de Saad el Kafara construída por volta de 3.000 A.C
próxima à cidade do Cairo a qual rompeu por transbordamento durante a
construção porque a obra não dispunha de sistema de desvio.
Por fascinante que seja a história antiga da Engenharia de barragens, não cabe
aqui entrar em detalhes posto que foi apenas a partir do final do século passado
que esta área da Engenharia começou a tomar a forma atual. Basta dizer que
praticamente todos os grandes povos em todas épocas construíram barragens, a
maioria das quais composta ao menos em parte, por materiais terrosos.
Recomenda-se ao leitor interessado o artigo de Schnitter (1988) sobre o assunto.
Os acidentes em barragens são tão antigos quanto elas. O caso de Kafara
mencionado acima, um acidente desastroso durante a construção, é ilustrativo.
Até recentemente (em termos históricos) procurava-se evitar acidentes através de
legislação mais ou menos draconiana, na falta de princípios para racionalização. O
código de obras de Hamiribi (1800 A.C.) determinava que:
“Se alguém for preguiçoso e não mantiver sua barragem em condições
adequadas e se, por conseqüência, a barragem romper e todos os campos
forem inundados, então o dono da barragem que rompeu será vendido por
dinheiro e o dinheiro será utilizado para repor o milho cuja ruína ele
causou”.
Os romanos, nos séculos 2 a 3 D.C. construíram muitas barragens de terra e de
alvenaria. Um exemplo, o da barragem de Proserpina, construída há mais do que
1700 anos e ainda em operação nas vizinhanças de Mérida, na Espanha, está
mostrada (esquematicamente) na figura 1.2. Já na era Cristã as civilizações de
Bizâncio e Pérsia (300 a 1400), os muçulmanos (600 a 1100) e os espanhóis
(1100 a 1800) destacaram-se como grandes construtores de barragens,
principalmente de alvenaria. Os chineses e hindus construíram barragens de terra
desde muito antes de Cristo mas há poucos registros.
Uma inscrição de 1369 na Índia indicava os seguintes “Requisitos para a
construção de um bom tanque” (Rao, 1951):
(a) Um rei dotado de justiça, rico, alegre e desejoso de adquirir riqueza
permanente de um tanque.
(b) Um homem versado na ciência de Pathas e Sastras [hidrologia].
(c) Um terreno de solo duro.
(d) Um rio que contenha água doce por uma distância de 40Km.

(e)Duas protuberâncias de morro em contato com ele, para o lugar do
tanque.
(f) Um aterro ou uma barragem de muro de pedra não muito longa e firme
entre as protuberâncias de morros.
(g) As duas extremidades de morros desprovidas de terras frutíferas.
(h) Um leito de tanque extenso e profundo.
(i) Uma pedreira contendo pedras retas e compridas.
(j) Uma baixada fértil na vizinhança.
(l) Um rio contendo fortes rodamoinhos na região montanhosa.
(m) Um grupo de homens versados na arte de construção de tanques.
As regras acima são perfeitamente válidas, e às vezes não observadas, até hoje.
Exigir que o rei seja justo, alegre e rico, ou seja, que se disponha de recursos
financeiros, compatíveis com os custos e os prazos da obra a ser realizada, e de
organização para harmonizar o complexo conjunto de atividades, é um item
fundamental para a segurança das barragens.
A partir do século 19 a construção de barragens de terra se torna novamente
muito comum embora as grandes obras sigam sendo de alvenaria. O século 19 foi
um período de muito aprendizado e muitos insucessos. Até o início do século
vinte, a Engenharia de barragens de terra, era exercida de maneira totalmente
empírica. O trecho abaixo, extraído do livro de Wegman “The Design and
Construction of Dams”, que foi sucessivamente publicado entre 1900 e 1927,
ilustra claramente esta situação:
“Através da experiência de séculos e das lições ensinadas por várias
catástrofes, as dimensões adequadas de barragens de terra e as
precauções que devem ser observadas em sua construção foram
totalmente estabelecidas. O projeto de tais obras não deve se basear em
cálculos matemáticos de equilíbrio e pressão, como no caso de barragens
de alvenaria, mas nos resultados encontrados pela experiência”.
As primeiras décadas do presente século assistiram a uma conscientização
crescente de que, embora de racionalização particularmente complexa, as
barragens de terra deviam e podiam receber tratamento racional. Os trabalhos
pioneiros de Terzaghi no âmbito da mecânica dos solos e da geologia, bem como
os estudos e procedimentos fixados por Casagrande (1937), lançaram as bases
técnicas necessárias. Já em 1932, Justin, em seu livro “Earth Dam Projects”
escrevia que:
“Até recentemente a teoria foi pouco utilizada no projeto de barragens de
terra. O projetista bem sucedido foi governado pelas lições ganhas através
de amargas experiências. Barragens de terra que resistiram ao teste do
tempo foram fartamente copiadas. (...), este procedimento é boa prática se
todas as condições que existiram no local da barragem copiada também
existem no local da barragem a construir. Este no entanto é muito
raramente o caso. De fato, uma barragem que esteve em uso por muitos

anos possuindo um elevado fator de segurança pode se mostrar
inteiramente perigosa se transportada para outro local. (...). Como
resultado, a tendência moderna é encarar a barragem de terra como uma
estrutura que requer investigação, análise e atenção aos detalhes de
projeto e construção tão cuidadosos quanto os devotados a outras
estruturas tais como pontes e barragens de alvenaria”.
A partir do início dos anos 30, foi-se constituindo um corpo de procedimentos de
construção e de controle de qualidade para a execução de maciços terrosos. O
início desta tendência pode ser associado ao aparecimento dos conhecimentos
sobre compactação de solos argilosos. Esta preocupação com a qualidade do
produto final obtido nos maciços gerou uma interação bastante saudável entre os
construtores de barragens e os setores de produção de equipamentos de
construção, de forma que se veio a assistir a grandes progressos na indústria de
equipamentos de terraplanagem e compactação. Data deste período a
generalização do uso dos rolos pesados lisos e dos rolos pé-de-carneiro.
Só final dos anos 30 e início dos anos 40 a função de filtro dos elementos
drenantes em barragens de terra ganhou reconhecimento amplo. Os principais
livros de referência para projeto de barragens dos anos 30, como o de Justin
acima referido e o manual Low Dams (NCR, 1938), precursor do popularíssimo
Design of Small Dams (USBR, 1958 e 1973), não possuem nenhuma referência a
critérios de filtragem. Os primeiros trabalhos sobre o assunto datam do início dos
anos 40, como o de Bertram (1940) que se inspirou em sugestões de Terzaghi.
Também dos anos 40 data o início das observações sistemáticas de
comportamento de obras. Passou-se a utilizar instrumentação para observar
deslocamentos e pressões de poro nos maciços de barragens durante a
construção e a operação.
Os anos 40 e 50 assistiram à consolidação dos conceitos e dos métodos de
cálculo básicos da mecânica dos Solos. Um número enorme de Congressos,
Simpósios, artigos técnicos etc., e textos básicos como os de Taylor (1948), de
Terzaghi & Peck (1948) e de Skempton & Bishop (1954) serviram, entre outros
fins, para popularizar no meio da Engenharia Civil conceitos até então utilizados
apenas por grupos restritos.
O trecho a seguir, extraído do livro and Earth Rock Dams de Sherard et al (1963)
espelha uma posição que caracteriza o que se pensava no início dos anos 60 e
que vale até o presente:
“Tal como para a maioria das estruturas civis, o projeto de uma
barragem de terra é baseado tanto em precedentes como em
estudos analíticos. A experiência pessoal e as preferências do
projetista, no entanto, têm um papel mais incisivo em barragens de
terra do que na maioria das outras estruturas”.

No final dos anos 50 e início dos anos 60 teve início no Brasil um período de
construção de barragens muito grandes, a maioria das quais para aproveitamento
hidrelétrico. Desde então ocorreu a formação de um expressivo contingente de
engenheiros, geólogos e outros especialistas Brasileiros na arte/técnica de
projetar e construir grandes barragens. Nas décadas seguintes, a engenharia
Brasileira de barragens atingiu a posição de destaque que, sem dúvida, desfruta
hoje no cenário internacional. Cruz (1996), na primeira parte de seu livro, faz uma
apreciação histórica desse processo.
Nos anos 60 e 70 deu-se a introdução dos computadores e dos métodos
numéricos capazes de simular situações de fluxo, campos de tensão equilíbrio
limite, etc. muito mais complexas do que até então se fazia possível. A capacidade
de simulação analítica destes procedimentos atuais de cálculo é tal que
ultrapassa, na maioria dos casos, a precisão com que podemos obter parâmetros
dos solos e rochas para nutrí-los. Estes recursos de cálculo são de extrema
utilidade e seu potencial é indiscutível. Ocorreu, porém, em paralelo, um período
de um certo abuso da importância destes métodos de análise no que tange a
projetos de barragens. O extrato abaixo, de Peck (1980) espelha adequadamente
esta situação:
“Projetistas e entidades Reguladoras tendem a dar crédito crescente a
procedimentos analíticos complexos e a rejeitar o julgamento como um
elemento de projeto não quantitativo, não confiável. Na minha opinião o
julgamento deve ser cultivado, reconhecido e utilizado como nossa melhor
esperança para aumentar a segurança de barragens de terra. (...). O que
podemos calcular nos permite fazer melhores julgamentos, nos permite
chegar a melhores soluções de Engenharia. Porém, embora as teorias
possam aperfeiçoar o nosso julgamento, elas podem também inibir o
julgamento se utilizadas sem discriminação e sem avaliação crítica. (...),
persistem aspectos da Engenharia geotécnica em geral e do projeto de
barragens em particular que ainda não se mostraram e, talvez, nunca se
mostrem, submissos à análise teórica. Chega-se à conclusão que as
barragens modernas raramente rompem por causa de análises numéricas
incorretas ou inadequadas. Elas rompem porque julgamento inadequado é
associado a problemas que, previstos ou não, aparecem em lugares como
a fundação e a interface entre o aterro e a fundação. (...). Enquanto o mito
de que só o que pode ser calculado é Engenharia persistir, os engenheiros
não encontrarão incentivo ou oportunidade para aplicar bom julgamento a
problemas cruciais”.
Mais ou menos em paralelo com o desenvolvimento destes poderosos recursos de
cálculo, tem-se assistido ao crescimento do uso da Estatística e da Probabilidade
Aplicada em Engenharia. Jamiolkowski (1986) vê na aula Terzaghi de Casagrande
(1964) o início efetivo desta tendência e faz os seguintes comentários:
“A “Estatística” fornece procedimentos para obter informação de medições
quantitativas dadas. Uma vez que as incertezas sejam adequadamente

definidas em termos de parâmetros estatísticos, a “análise de erro” fornece
procedimento para a seleção de parâmetros de projeto a partir de dados
dispersos, tendenciosos e, por vezes, limitados. Ela permite também
analisar como estas incertezas afetam o projeto. A “Teoria da
Confiabilidade” fornece meios para substituir o fator de segurança pelo grau
de confiança e para avaliar a segurança dentro de um arcabouço lógico e
consistente. A “Análise de Risco” é um conjunto de conceitos e
procedimentos que lidam com a tomada de decisões em circunstâncias
difíceis, quando muitos componentes interagem e existe mais do que uma
maneira de ruptura. Contudo, um problema ainda a ser resolvido, é como
estes procedimentos, apesar do seu potencial e do seu significado seguro,
podem ser introduzidos na prática diária. Duas razões principais para esta
dificuldade podem ser identificadas:
- a linguagem esotérica utilizada nas teorias acima;
- o fato de que ainda existem poucas contribuições que permitem o
uso destas teorias em problemas específicos de projeto.
Mas, deve ser ressaltado que, em contraste com a complexidade da teoria
como um todo, existem ferramentas simples e poderosas (como a análise
de erro), que nos permitem entender a relação entre incerteza e segurança.
Finalmente, deve ser enfatizado que análises estatísticas e de risco não
devem ser consideradas como substitutas ou como mudança dos métodos
determinísticos convencionais do projeto, mas sim que elas representam
um procedimento sistemático para tomar decisões em tarefas difíceis”.
Trabalhos mais recentes (Christian, Ladd & Baecher, 1994; Duncan, 2000, por
exemplo) sugerem que esta relativa simplificação das ferramentas estatísticas já
está se tornando realidade.
Os anos 60 trouxeram também, como já se prenunciava na década anterior,
massas de informação experimental mostrando quão complexo o comportamento
real dos materiais terrosos realmente é. Aspectos comportamentais complexos
como anisotropia, histerese , fluência e relaxação, ruptura progressiva, efeitos
reológicos, rotação de tensões, plastificação localizada, expansibilidade,
dilatância, meta-estabilidade, colapsividade, dispersividade, efeitos térmicos, etc.
foram abordados e detalhados em centros de pesquisa e outras organizações.
A complexidade comportamental dos materiais naturais e as sutilezas da natureza
das fundações, acirrou nos engenheiros praticantes a já existente tendência à
utilização da própria obra como posto de observação. Peck (1969) em sua aula
Rankine denomina esta postura de “Método Observacional” e lista os seguintes
ingredientes como constituindo a aplicação completa do método:
(a) Prospecção suficiente para estabelecer a natureza geral, o arranjo e as
propriedades dos depósitos, mas não necessariamente em detalhe.
(b) Estabelecimento das condições mais prováveis e dos desvios mais
desfavoráveis destas condições. Neste exercício, a geologia tem
freqüentemente papel decisivo.

(c) Escolha do projeto com base nos comportamentos previsíveis a partir
das condições mais prováveis.
(d) Seleção de quantidades a serem observadas durante a construção e
cálculo prévio de seus valores com base nas hipóteses de trabalho.
(e) Cálculo dos valores das mesmas quantidades sob as condições mais
desfavoráveis.
(f) Seleção prévia de uma postura de ação ou modificação de projeto para
cada desvio entre os fatos observados e os esperados.
(g) Medição das quantidades e avaliação das condições reais.
(h) Modificação do projeto para atender às condições reais.
Um conjunto coerente de posturas realistas, considerando tanto precedentes,
como o método observacional e raciocínio probabilístico, é encontrada na Aula
Rankine de Mello (1977), da qual se extraíram livremente os seguintes trechos:
“O projeto e a construção de Engenharia tem como principal apoio a
liberdade de se posicionar fora do universo menos favorável. Como primeiro
passo, utilize todos os meios possíveis para evitar lidar com condições
determinadas pelas estatísticas e probabilidades de valores extremos
(Princípio de Projeto n.o
1). Por exemplo, em barragens de terra o fenômeno
de entubamento é tipicamente dominado por estatísticas de valor extremo,
pois na saída da trajetória de percolação a partícula menos estável
submetida ao gradiente pontual mais desfavorável será a primeira a ser
removida.
Utilize um elemento condicionador dominante de forma a tornar o
comportamento essencialmente independente das possíveis variabilidades
estatísticas (Princípio de Projeto n.o
2). Por exemplo, forte preferência é
dada para um interceptor filtro-drenante tipo chaminé ao longo de toda a
altura de um maciço de barragem.
O Princípio de Projeto n.o
3 recomenda aproveitar a contribuição
acumulativa do universo dominado, o que é um princípio de prudência,
homogeneização e economia. No caso de barragens em fundações
permeáveis, encompridar a rota de percolação ao máximo. Preferir um
único filtro de transição bem graduado em vez de uma sucessão de filtros
uniformes. Finalmente, em certo sentido, a compactação deve ser
reconhecida como uma medida de engenharia habilmente “inventada” para
homogeneizar e pré-ensaiar dentro de certos limites de efetividade.
4 incorpora os bem conhecidos conceitos de pré-
carregamento e o método observacional (Peck, 1969) como princípios
importantes de projeto. Assim, se favorecem pré-carregamentos tão
elevados quanto necessário, sob condições lentas e controladas.
5, finalmente, lembra aos Engenheiros que, com
freqüência, a segurança e o comportamento satisfatório de uma barragem

dependem criticamente da adequação das hipóteses feita e não do
refinamento dos cálculos. Uma vez feitas as hipóteses, presumidamente de
rotina (médias), deve-se considerar como o comportamento desejado
mudaria se os parâmetros variassem mesmo para condições de
probabilidade muito baixa de ocorrência.
Embora estes conceitos pareçam intuitivos, julgou-se necessário enfatizá-
los porque engenheiros “experientes” (aqueles que normalmente impõem o
modelo físico e a escolha de universo) podem ser desfavoravelmente
afetados por interpretações subjetivas de “precedentes” ao passo que os
mais jovens podem ser tomados por entusiasmo descabido com
refinamentos computacionais apoiados em modelos pobres de engenharia”.
A experiência e o bom senso (e, por conseqüência, as preferências pessoais)
seguem sendo a principal ferramenta de definição dos projetos de barragens,
fornecendo as alternativas iniciais e avalizando a alternativa final selecionada.
Alguns aspectos dos projetos são justificados através de cálculos, procedidos
com algoritmos poderosos e utilizando parâmetros obtidos com técnicas cada vez
mais aprimoradas, que não conseguem, contudo, simular inteiramente o
comportamento e as solicitações reais. O controle de qualidade durante a
execução se coloca como um aspecto fundamental da prática de construção de
barragens. O projeto prossegue durante a construção, quando muitas vezes tem
seus momentos mais decisivos, e pela vida da obra (em particular no primeiro
enchimento) através de acompanhamento qualificado, com instrumentação em
alguns casos.
1.3 - GEOMETRIA TÍPICA DE BARRAGENS DE TERRA E ENROCAMENTO
Na figura 1.3 estão mostradas esquemáticamente seções dos tipos mais comuns
de BTEs utilizadas em nosso País.
No Apêndice 1 foram reunidas seções e detalhes geométricos de diversas
barragens construídas no Brasil e em outros países.

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