Preencher Barragem

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Antecedentes

As barragens estão entre as estruturas mais antigas construídas pelo homem para uso coletivo. Uma barragem é uma barreira construída ao longo de um rio ou riacho para que a água possa ser retida ou represada para fornecer água potável ou irrigação, controlar enchentes e gerar energia. Os principais tipos de barragens são aterro, aterro de rocha, gravidade do concreto, arco de concreto e gravidade do arco. Os três últimos tipos são todos feitos de concreto, concreto armado ou alvenaria. (O termo alvenaria pode significar concreto, tijolos ou blocos de rocha escavada.) Barragens de enchimento incluem todas as barragens feitas de materiais terrestres (solo e rocha) que são compactados juntos. Um tipo de barragem de aterro, chamada barragem de rejeitos, é construída com resíduos finos que resultam do processamento da rocha durante a mineração; nos locais de mineração, esses resíduos semelhantes ao solo são compactados para formar um aterro que retém água para os processos de mineração e moagem ou para reter os próprios rejeitos na água.

Das principais categorias de barragens listadas acima, todas foram construídas desde os tempos antigos, embora muitos refinamentos tenham sido desenvolvidos nos séculos XIX e XX com tecnologia de engenharia aprimorada. Barragens que vazam não cumprem seu papel, seja porque simplesmente não conseguem reter a água ou porque a água que passa por elas corrói os materiais do interior da barragem, causando sua quebra estrutural. Nos tempos modernos, a maioria das barragens de aterro também é construída com zonas que incluem um centro ou núcleo de argila, camadas de filtro e drenagem, materiais mais grosseiros imprensando o núcleo de argila e rocha na face montante (água) para evitar a erosão. Essas zonas podem ser vistas claramente quando uma seção transversal é cortada do lado montante para o lado jusante da barragem. Todas as barragens de enchimento dependem do peso para se manterem estáveis.

Aterros de aterro são geralmente mais baratos de construir do que barragens de concreto. Solo ou rocha estão presentes no local, e as técnicas de construção, embora complexas, também são menos onerosas do que as de concreto. Por essas razões de materiais disponíveis, baixo custo e estabilidade com massa, as barragens de aterro são freqüentemente construídas em grandes cursos d'água. Eles também são mais flexíveis do que as estruturas de concreto e podem deformar-se sem necessariamente falhar se os materiais da fundação sob a barragem se comprimirem com o peso da barragem e da água.

História

Muito naturalmente, os primeiros construtores de barragens começaram usando materiais abundantes como areia, madeira, arbustos e cascalho. Seu método de construção consistia em carregar os materiais pela cesta cheia e despejar o aterro livremente, portanto, muitas dessas barragens podem ter sobrevivido apenas alguns anos. Os cientistas não conseguiram identificar as datas das primeiras construções de barragens, mas sabem que barragens eram necessárias onde os alimentos eram cultivados e em áreas sujeitas a inundações.

O projeto de barragens de enchimento é baseado na experiência; embora as falhas sejam infelizes e às vezes catastróficas, eles também são os melhores professores, e muitos avanços da engenharia foram fundamentados no estudo cuidadoso das falhas anteriores. Os engenheiros da antiga Índia e do Sri Lanka foram os pioneiros mais bem-sucedidos no projeto e construção de barragens de aterro, e ainda podem ser vistos restos de barragens de terra em ambos os países. No Sri Lanka, longos aterros chamados tanques foram construídos para armazenar água de irrigação. O tanque Kalabalala tinha 37 mi (60 km) de comprimento em torno de seu perímetro.

A barragem de preenchimento de terra mais famosa recentemente construída é a barragem de Aswan High, que foi construída ao longo do rio Nilo, no Egito, em 1970-1980. Uma barragem de preenchimento de terra também foi vítima de uma falha espetacular em junho de 1976, quando a Barragem de Teton em Idaho sofreu erosão por dentro devido ao projeto incorreto das zonas dentro da barragem que permitiram infiltração, ruptura e inundação do vale a jusante. Embora as represas de terra tendam a ser curtas e largas, a Represa Nurek no Tajiquistão tem 984 pés (300 m) de altura.

Matérias-primas

Os materiais usados ​​para construir barragens de enchimento incluem solo e rocha. O solo é classificado por tamanho de partícula a partir das menores partículas submicroscópicas chamadas de argila; lodo, que também é muito fino; areia variando de fina a grossa, onde os grãos finos são as menores partículas de solo que nossos olhos podem ver; e cascalho. Fragmentos mais grossos chamados de paralelepípedos e pedras também são usados ​​na construção de barragens, mas geralmente como camadas externas protetoras.

Tipos específicos de solo e faixas de tamanho são necessários para construir as zonas dentro da barragem e explorações da área de fundação da barragem, o reservatório onde a água será armazenada e áreas circundantes são realizadas não apenas para o projeto da barragem, mas para localizar materiais de construção . Os custos de construção de aterro aumentam drasticamente com a distância que os materiais são transportados. Amostras de materiais de construção em potencial são testadas em um laboratório de solo para tamanho de grão, teor de umidade, densidade seca (peso), plasticidade e permeabilidade. A argila não é apenas muito fina em tamanho, mas também possui características químicas que fazem com que ela fique grudada. A combinação de tamanho fino e comportamento plástico também faz com que a argila seja menos permeável à água. Se houver argila disponível próximo ao local, a barragem pode ser construída com um núcleo impermeável ou zona central que evita que a água passe pela barragem; caso contrário, a barragem deve ser projetada de forma que a água possa vazar lenta e seguramente por meio de uma combinação diferente de materiais em suas zonas.

A água também é uma matéria-prima. Os vários tipos de solo possuem características de compactação que podem ser determinadas em laboratório e utilizadas durante a construção. O solo pode ser compactado até sua melhor densidade funcional adicionando umidade e peso e impacto, chamado de esforço compactador. Grandes rolos vibratórios pressionam finas camadas de solo no lugar depois que uma quantidade ideal de água é adicionada. A água e o peso unem as partículas do solo e forçam as partículas menores a entrar em espaços entre as partículas maiores, de forma que os vazios sejam eliminados ou tornados o menor possível para restringir a infiltração.

Cada vez mais, as barragens de enchimento também incluem geotêxteis e geomembranas. Geotêxteis são tecidos não tecidos que são fortes e resistentes a perfurações. Eles podem ser colocados entre elevadores à medida que a barragem é elevada para resistir a materiais fracos. Eles também são usados ​​como tecidos de filtro para envolver a rocha drenada mais grossa e limitar a migração de solo fino para o material de drenagem. As geomembranas são feitas de plástico de polietileno de alta densidade (HDPE) e são impermeáveis. Eles podem ser usados ​​para alinhar a face a montante de uma barragem de enchimento ou mesmo para revestir todo o reservatório.

Viabilidade e
Projeto Preliminar

A necessidade específica de uma barragem, seja ela de abastecimento de água, armazenamento de rejeitos ou outros materiais, ou controle de enchentes, estimula o processo de projeto e construção de uma barragem de aterro. A necessidade e o local geralmente estão intimamente ligados, portanto, vários sites podem ser considerados. Durante os estudos de viabilidade, os engenheiros identificam esses locais, fazem comparações preliminares de custos, decidem sobre um projeto provável e escolhem o melhor local para exploração. Viabilidade certamente se refere ao custo de construção da barragem, mas também inclui os aspectos práticos técnicos de adequação do local, projeto, construção e manutenção e segurança de longo prazo.

Depois que um local viável é escolhido, um projeto preliminar da barragem é desenvolvido. A localização da barragem é sobreposta em um mapa topográfico para que as dimensões do topo da barragem em relação aos topos das colinas adjacentes e o nível de água proposto possam ser mostradas, bem como a extensão da base da barragem no riacho canal. A elevação do nível da água proposta mostra a extensão do reservatório e determina - junto com o formato da bacia - a quantidade de água que o reservatório irá reter. Quantidades de água armazenadas e materiais usados ​​na construção da barragem ajudam a determinar o valor do projeto e seus custos. Às vezes, são necessárias várias iterações de seleção de local, pré-projeto e estimativa de custos. Idealmente, a área da fundação sob a barragem não exigirá muita escavação ou argamassa para evitar infiltração, e os materiais dentro da área do reservatório podem ser escavados e usados ​​para construir a barragem para que mais armazenamento do reservatório seja obtido ao mesmo tempo que o solo ou rocha são escavados para construir o aterro.

Quando o local ideal é escolhido no papel, um programa de exploração é desenvolvido e executado. Durante a exploração, sondagens de teste são perfuradas ao longo da linha do eixo da barragem ao longo de sua largura proposta, ao longo ou próximo aos dedos a montante e a jusante da barragem, no local do vertedouro proposto e na área do reservatório. As sondagens são escavadas profundamente na fundação para avaliar suas propriedades de resistência e permeabilidade (potencial de infiltração). Como as sondagens são perfuradas no solo sobrejacente, ele também é amostrado e testado em laboratório para que possa ser avaliado como potencial material de construção de barragens. Testes de permeabilidade em campo também são realizados no local da barragem e na área do reservatório. Se for a fonte de materiais de construção, poços de teste também são cavados na área do reservatório para que o volume de solo disponível (e custos relacionados) possa ser estimado.

Design

Depois que a exploração de campo e os testes de laboratório forem concluídos, a equipe de engenharia começa o projeto final da barragem com base nas premissas preliminares, nas descobertas de campo e em quaisquer mudanças no projeto ou economia baseadas nas descobertas de campo. Ao projetar uma barragem de aterro, os engenheiros consideram cinco considerações críticas:a massa da barragem que a tornará estável; projeto de um núcleo e outras zonas internas para evitar infiltração através da barragem; projeto de uma parede de corte ou outra prevenção de infiltração sob a barragem; proteção contra erosão na face a montante; e economia.

Barragens de aterro são tipicamente em forma de triângulos com o vértice ou ponto no topo ou crista da barragem e a base larga no fundo do canal do riacho. A largura da base na seção transversal fornece atrito para evitar o deslizamento, e a massa total da barragem a torna forte o suficiente para resistir ao peso da água por trás dela. A área da fundação é limpa de solo macio, permeável e compressível; e uma parede cortada é reduzida a rocha ou solo firme. A parede cortada pode ser construída com estacas-pranchas de aço ou concreto, mas, para a maioria das barragens de enchimento construídas desde cerca de 1960, a parede cortada é simplesmente uma extensão do núcleo de argila. Onde a rocha ou solo da fundação contém vazios ou fraturas, uma série de orifícios pode ser perfurada na fundação e argamassa de concreto é injetada nos orifícios para selar as fraturas e ajudar a impedir a infiltração.

As zonas de uma barragem de enchimento podem consistir em uma série de camadas distintas do centro da barragem e movendo-se a montante em direção à água e um conjunto diferente de camadas do centro movendo-se a jusante. Os materiais para as zonas são selecionados para propriedades de resistência e características de permeabilidade, e a colocação de uma zona próxima a outra é cuidadosamente governada por conjuntos de cálculos baseados nessas propriedades. As zonas de filtro e drenagem são incluídas de forma que qualquer água que conseguir chegar ao interior da barragem seja canalizada ao redor do núcleo e para fora através de camadas de drenagem na base da barragem.

A face de montante (água) da barragem às vezes é protegida com uma laje de concreto ou uma face de asfalto. Mais comumente, pedras do tamanho de pedras e pedras são colocadas nesta face perto da superfície da água; esta face é chamada de riprap e evita que a ação das ondas na superfície da água corroam os materiais de construção da barragem. Outras instalações para controlar o nível da água e qualquer movimento da água através ou sobre a barragem, como um vertedouro de emergência, também são projetadas especificamente para a localização da barragem, usos, tipo e materiais de construção e influxos de água para o reservatório.

A economia da construção de barragens é considerada em todo o processo de projeto. Os materiais de construção devem estar disponíveis no local ou próximo a ele. A rocha pode ser colocada em ângulos mais íngremes do que o solo e pesa mais; portanto, uma barragem construída principalmente de rocha pode ser menor na seção de projeto. Escavar e mover rochas pode ser mais caro do que o solo, portanto, os engenheiros de projeto devem considerar os fatores de custo. Outros materiais como asfalto, concreto, aço e cimento para rejuntamento também são caros. O equilíbrio adequado entre segurança e economia deve ser determinado pelos engenheiros. Grandes máquinas de terraplenagem fizeram construção de barragens zoneadas e de enchimento mais Seção transversal de uma barragem de aterro típica. econômica do que a construção de barragens de concreto em muitos locais.

O processo de construção

1. Barragens de aterro são construídas na estação seca, quando os níveis de água no rio ou riacho são mais baixos, a precipitação nas fontes de material de aterro é menos provável e as condições são melhores para operar grandes equipamentos de construção. Antes do início da construção, o local é pesquisado para localizar o alinhamento da barragem no terreno existente, as áreas que serão escavadas e as áreas de empréstimo ou fontes de solo ou rocha usada na construção. Instalações de gerenciamento de construção são montadas; normalmente, o gerente de construção (um engenheiro de campo com anos de experiência semelhante) trabalhará em um trailer no local. Dependendo do local, pode ser necessário instalar instrumentos para monitorar os efeitos da construção de barragens em encostas adjacentes ou outras características e para medir os níveis de água subterrânea ao longo da construção na fundação e arredores. E, claro, o fluxo do córrego que está sendo represado pelo local deve ser interrompido. Isso pode ser feito por uma variedade de métodos, incluindo desviar o riacho, talvez para fluir através de um canal vizinho, ou pará-lo rio acima com uma barragem temporária ou ensecadeira.
2. Antes do início da construção da barragem, deve-se preparar a área de fundação. Em casos raros, as barragens podem ser construídas diretamente sobre os materiais existentes no piso do canal; na maioria dos locais, esses materiais são compressíveis (e fariam com que a barragem se assentasse irregularmente) e permeáveis ​​(permitindo que a água passe por baixo da barragem). A área de fundação também inclui os encontros, que são as encostas que formam as duas extremidades da barragem. Solo e rocha mole ou altamente fraturada são escavados, classificados por tipo e armazenados para uso posterior na construção de barragens. A superfície da rocha da fundação é limpa em um grau surpreendente; é limpo com uma vassoura e mangueira com água para que quaisquer vazios ou irregularidades sejam visíveis e limpos de solo macio. A fundação é inspecionada cuidadosamente antes de qualquer trabalho de construção; perfuração exploratória adicional pode ser feita se houver alguma dúvida sobre as condições da fundação. Se a rocha estiver fraturada ou contiver vazios ou orifícios, estes são selados com argamassa de cimento que é injetada através de furos de pequeno diâmetro em um processo denominado trabalho odontológico.
3. A base da barragem deve descer até o solo antes de subir acima dela. Uma trincheira que tem a largura total da barragem (através do canal) é cortada em rocha firme. A trincheira é chamada de rasgo de chaveta ou parede cortada e pode ter vários bancos ou entalhes na rocha. Isso evita que a barragem deslize ao longo de uma fundação lisa e também cria um caminho mais longo para qualquer infiltração que tente fluir sob a barragem. A argila impermeável que constituirá o núcleo da barragem é colocada na chaveta e compactada e elevada, camada por camada, até atingir o topo da chaveta ou base da maior parte da fundação.
4. O solo na chaveta e todas as zonas da barragem são elevados aos mesmos níveis ao mesmo tempo. As rampas podem ter que ser cortadas Vista aeriol de uma barragem de aterro planejada. na área de chaveta para o equipamento de construção, e então eles devem ser construídos até a superfície de trabalho do topo ascendente da barragem. Sempre que possível, as estradas são cortadas dos dois lados (encontros) da barragem para facilitar o acesso; eventualmente, uma estrada de acesso será construída na crista da barragem e se estendendo até esses encontros.
   Grandes escavadeiras transportam o tipo específico de solo necessário para elevar a zona da barragem em que estão trabalhando. O solo é espalhado em camadas finas, geralmente de 6 a 8 pol. (15,2 a 20,3 cm) de espessura, borrifado com água até o teor de umidade correto e compactado com rolos de pé de carneiro (rolos compactadores com dentes semelhantes a cascos de animais montados em fileiras ao redor do rolo que pressione e vibre o solo firmemente no lugar). Se o cascalho for usado na construção, um rolo vibratório é usado para vibrar os grãos juntos para que seus ângulos se misturem e não deixem aberturas.
   
   Ao longo do processo de compactação, os inspetores aprovam o solo que é transportado no local e transportado para a zona específica da barragem. Eles rejeitam o material que está contaminado com grama, raízes, lixo ou outros detritos; e também rejeitam solo que não parece ter o tamanho de grão adequado para aquela zona da barragem. Para controle de qualidade, as amostras são coletadas e testadas em laboratório (para grandes barragens, um laboratório de solo no local é instalado em um trailer de construção) para uma variedade de testes de classificação. Enquanto isso, o inspetor usa um medidor de densidade nuclear para testar a densidade e o teor de umidade do solo quando ele é colocado e compactado. O medidor de densidade nuclear usa uma fonte radioativa muito pequena para emitir partículas radioativas para o solo; as partículas voltam para uma placa detectora e indicam a umidade e a densidade do solo no local. O processo não é prejudicial ao meio ambiente ou ao operador (que usa um crachá para monitorar a exposição radioativa) e fornece dados sem a necessidade de escavação e amostragem. Se os requisitos de compactação não forem atendidos, essa camada de solo é escavada, colocada novamente e recompactada até que sua umidade e densidade sejam adequadas.
   
   A construção da barragem de aterro prossegue camada por camada e zona por zona até a altura de cada zona e, eventualmente, a crista da barragem ser alcançada. Se a barragem inteira não pode ser construída em uma temporada de construção, a barragem é geralmente projetada em fases ou estágios. A conclusão de um estágio de construção (ou a barragem inteira) costuma ser uma corrida contra o tempo, o clima e o orçamento do projeto.
   
5. Algumas barragens de terra têm instrumentos instalados nelas ao mesmo tempo que a colocação do aterro é feita, e os instrumentos são construídos na superfície em camadas e zonas, assim como o aterro. A condição da barragem é monitorada ao longo de sua vida útil, conforme exigido pelas leis federais, estaduais e locais e pelos padrões da prática de engenharia. Os tipos de instrumentos variam dependendo da localização da barragem; quase todas as barragens têm monumentos de assentamento que são levantados para medir qualquer assentamento na superfície ou zonas da barragem, indicadores de declive para mostrar se as faces inclinadas dentro ou na superfície da barragem estão se movendo e indicadores de nível de água para monitorar a água nível nas zonas da barragem. Barragens em áreas sismicamente ativas também podem ser equipadas com instrumentos para medir o tremor do solo.
6. Barragens de aterro podem ter uma variedade de outras instalações, dependendo de seu tamanho, uso e localização. É necessário um vertedouro de emergência em todas as barragens para permitir que as águas da enchente fluam ao longo de uma rota de fuga, ao invés do topo da barragem. Outros vertedouros para produção de energia hidrelétrica podem ser projetados e construídos em barragens de geração de energia, e túneis de entrada e saída são necessários para liberar água para irrigação e abastecimento de água potável em aterros construídos para esses fins. Em barragens de aterro, geralmente é desejável colocar essas outras instalações em escavações através da fundação ou rocha de apoio; o processo de compactação da terra contra estruturas que realmente passam pelo aterro é complicado e permite caminhos de infiltração.
7. Às vezes, a área do reservatório também é limpa quando deve ser enchida com água, principalmente se for possível colher madeira. Não é necessário (e é muito caro) limpá-lo de todos os arbustos e grama. O processo de encher o reservatório é relativamente lento, então a maioria dos animais selvagens se moverá conforme o nível da água sobe; as áreas de preocupação incluem habitats para espécies raras ou ameaçadas de extinção, e o afogamento desses habitats tem sido uma preocupação na construção de várias barragens.

Quando a barragem é concluída, a água que foi desviada do canal do córrego pode encher o reservatório. Conforme a água sobe, também está subindo em partes da barragem, e os instrumentos dentro da barragem são monitorados cuidadosamente durante o período de enchimento do reservatório. O monitoramento do desempenho da barragem, tanto por instrumentos quanto por observação simples, é realizado rotineiramente; e os planos de segurança são arquivados com os serviços de emergência locais para que mudanças repentinas nas leituras dos instrumentos ou o surgimento da barragem ou seu reservatório desencadeiem ações para alertar e evacuar as pessoas que vivem no caminho das águas da enchente a jusante. Os reparos também são realizados rotineiramente.

Controle de qualidade

A engenharia de qualidade é essencial na construção de uma barragem de aterro porque os materiais usados ​​têm propriedades de resistência mais baixas do que o aço e o concreto necessários para barragens de concreto e porque a colocação em última análise determina a resistência, o potencial para problemas como infiltração e assentamento e, finalmente, desempenho e segurança. O engenheiro de projeto geotécnico desempenha o papel principal de garantir que o projeto e os materiais terrestres combinem para formar um produto seguro; mas muitos outros profissionais, incluindo geólogos, técnicos de construção, outros engenheiros e representantes de agências de supervisão estão totalmente comprometidos com o mesmo propósito.

Subprodutos / resíduos

Não há subprodutos na construção da barragem de aterro, embora o aterro às vezes seja gerado para construir estradas de acesso e outras estruturas de suporte. O desperdício também é mínimo ou inexistente; a escavação do excesso de solo e especialmente de rocha é muito cara, assim como o transporte desses materiais, de modo que os resíduos são projetados para fora do projeto.

O Futuro

Principalmente devido a preocupações ambientais, o projeto e a construção de qualquer barragem no futuro será um processo muito estudado e controverso. Barragens de enchimento, no entanto, tendem a ser percebidas como mais ecológicas porque são feitas de materiais terrosos e se integram melhor ao cenário do que as estruturas de concreto monolíticas. Barragens de enchimento têm se mostrado soluções úteis e menos caras para atender às necessidades humanas de abastecimento de água, e grandes melhorias na tecnologia de engenharia melhoraram seu histórico de segurança no final do século XX. Embora muitos custos e agendas devam ser considerados na construção de barragens, as barragens de enchimento têm e continuarão a se provar aliadas nas necessidades de fornecer água potável, abastecimento de irrigação e controle de enchentes.