Barragem de concreto
Antecedentes
Barragens de concreto são construídas em quatro formas básicas. A barragem de concreto por gravidade tem o peso como sua resistência. A seção transversal desta barragem parece um triângulo e a base larga tem cerca de três quartos da altura da barragem. A água no reservatório a montante da barragem empurra horizontalmente contra a barragem, e o peso da barragem de gravidade empurra para baixo para neutralizar a pressão da água. A barragem de concreto também usa seu peso para resistir à força da água. No entanto, é mais estreito e tem contrafortes na base ou na ponta da barragem no lado a jusante. Esses contrafortes podem ser paredes estreitas que se estendem para fora da face da barragem, muito parecidos com os "contrafortes" que sustentam as paredes da catedral, ou um único contraforte, como uma barragem curta, pode ser construído ao longo da largura da ponta da barragem.
A barragem em arco é uma das mais elegantes estruturas da engenharia civil. Em seção transversal, a barragem é estreita em largura, mas, quando vista de cima, é curva de forma que o arco fique voltado para a água e a tigela da curva fique voltada para jusante. Este projeto usa as propriedades do concreto como sua resistência. O concreto não é forte na tração (quando é puxado ou esticado), mas é muito forte na compressão (quando é empurrado ou pesado). A barragem em arco usa o peso da água atrás dela para empurrar contra o concreto e fechar todas as juntas; a força da água faz parte do desenho da barragem. A barragem de arco-gravidade é uma combinação do tipo de arco e do tipo de gravidade, como o nome sugere; é uma forma de arco mais ampla. As barragens de múltiplos arcos combinam a tecnologia de designs de arcadas e contrafortes com uma série de arcos únicos suportados por contrafortes.
Barragens de concreto são usadas com mais freqüência do que preencher barragens para produzir energia hidrelétrica porque comportas (também chamadas de eclusas) ou outros tipos de estruturas de saída podem ser construídas no concreto para permitir que a água seja liberada do reservatório de maneira controlada. Quando a água para energia, água potável ou irrigação é necessária a jusante, os portões podem ser abertos para liberar a quantidade necessária durante um período especificado. A água pode continuar fluindo no rio a jusante para que peixes e outros animais selvagens possam sobreviver. Ambas as barragens de concreto e de enchimento devem ter vertedouros de emergência para que as águas das enchentes possam ser liberadas com segurança a jusante, antes que a água flua sobre o topo ou crista da barragem e potencialmente a erode. Os vertedouros canalizam a água a jusante e bem abaixo da base ou ponta da barragem para que a barragem e sua fundação não sofram erosão.
A maioria das barragens construídas no século XX e as que estão sendo projetadas hoje têm várias finalidades. Existem mais de 40.000 barragens com mais de 45 pés (15 m) e classificadas como grandes barragens, e mais da metade delas foram construídas desde 1960. Dessas barragens, 16% delas estão nos Estados Unidos e 52% na China; 83% são barragens de enchimento usadas principalmente para armazenamento de água e os 17% restantes são barragens de concreto ou alvenaria com finalidades múltiplas. Barragens que geram energia hidrelétrica produzem 20% da eletricidade do mundo.
História
Barragens de enchimento podem ser uma técnica de construção muito mais antiga do que barragens de concreto ou alvenaria, mas a barragem mais antiga sobrevivente é Sadd el Kafara, cerca de 20 milhas (32 km) ao sul do Cairo, Egito. Esta barragem é na verdade um composto que consiste em duas paredes de alvenaria com o espaço entre elas preenchido com cascalho; foi construída entre 2.950 e 2.750
Os antigos romanos desenvolveram técnicas superiores de construção com alvenaria, mas, curiosamente, eles não costumavam usar suas habilidades de alvenaria na construção de barragens. Uma exceção foi a barragem de Proserpina em Mérida, na Espanha, que ainda está de pé. Os desenvolvimentos dos romanos não foram esquecidos por outros. Em cerca de 550 A.D. , os bizantinos nas franjas orientais do Império Romano usaram a forma do arco de alvenaria romana para construir o que a história acredita ter sido a primeira barragem de arco-gravidade do mundo. A construção de barragens veio para a América com os conquistadores. No México, eles viram terras secas precisando de irrigação e imitaram as represas construídas pelos romanos, muçulmanos e cristãos espanhóis em sua terra natal; a Igreja Católica financiou a construção e muitos dos missionários eram engenheiros qualificados.
A construção de barragens era rara na Europa até a Revolução Industrial. Os climas do norte produziram mais chuvas, então a energia da água ocorria naturalmente e o suprimento de água era abundante. No século XVIII, porém, o surgimento da indústria exigiu suprimentos constantes e confiáveis de energia hidráulica fornecida com maior força, de modo que a construção de barragens de alvenaria e concreto tornou-se popular na Europa. A Revolução Industrial também impulsionou o desenvolvimento da ciência e da engenharia, e a especialidade da engenharia civil, que inclui o projeto e a construção de estruturas para melhorar a qualidade de vida, surgiu na década de 1850. Os primeiros engenheiros civis começaram a estudar a física de Sir Isaac Newton e outras teorias científicas e a aplicá-las a estruturas práticas, incluindo represas.
Reminants of the Austin, Pennsylvania, dam após seu rompimento em 30 de setembro de 1911. Em 30 de setembro de 1911, a cidade de Austin (população de 3.200 habitantes), na região montanhosa do centro-norte da Pensilvânia, foi devastada por uma torrente de água que rugia pelo vale, canalizada por sua estreiteza e paredes ásperas. A força arrancou canos de gás de baixo das ruas; e assim que a parede de água passou, uma chama errante acendeu o gás e o fogo saltou de um tubo de gás para outro e de casa para prédio ao longo dos restos mortais da cidade de Austin de 30 anos. Relatórios iniciais afirmam que 1.000 pessoas morreram, embora informações posteriores tenham avaliado o número de mortos entre 50 e 149. A fonte dessa dor também foi a fonte de sustento de Austin. A fábrica de celulose e papel Bayless possuía a barragem de concreto, que havia sido construída em 1909 para fornecer um reservatório de armazenamento de água para seus negócios de celulose e papel com uso intensivo de água. Houve um precursor desse desastre em janeiro de 1910, quando, após a chuva intensa de inverno e o derretimento da neve, rachaduras foram observadas na barragem. As fissuras foram reparadas, mas não foram reconhecidas como indícios de problemas relacionados com a fundação, projeto e construção da estrutura.
A barragem ainda estava em construção quando o inverno de 1909-1910 se aproximava. As temperaturas estavam abaixo de zero quando parte do concreto foi colocado, e as etapas finais da construção foram concluídas às pressas. A barragem foi concluída em cerca de 1 de dezembro de 1909, e uma rachadura que ia da crista da barragem verticalmente até o solo era visível quando a construção foi concluída. No final do mês, uma segunda rachadura apareceu. Ambas as rachaduras pareciam ter resultado da contração do concreto. Em 17 de janeiro de 1910, um período de calor trouxe fortes chuvas e causou um rápido derretimento da neve e, quatro dias depois, a água da enchente estava caindo sobre o vertedouro.
Todos os aspectos técnicos da Represa de Austin eram ruins. As falhas de construção eram óbvias e incluíam o uso de agregados fracos e superdimensionados colocados em concreto curado de maneira inadequada em climas congelantes. Quando ocorreu a ruptura em janeiro de 1910, isso mostrou que a estrutura da barragem e o alicerce de fundação haviam falhado. A desconsideração do proprietário / operador pelos reparos recomendados pelo engenheiro foi o selo fatal.
Matérias-primas
As principais matérias-primas para barragens de concreto são o próprio concreto e reforço de aço. vários outros materiais e componentes feitos por empreiteiros especializados podem ser usados na construção de barragens e incluem portões de aço e revestimentos de túneis, travas de borracha, compostos de enchimento de juntas de plástico para proibir o movimento de água, controles elétricos e fiação, sifões, válvulas, geradores de energia , uma ampla variedade de instrumentos e até mesmo folhas de Teflon para alinhar estruturas de saída de água para evitar turbulência e cavitação (danos devido ao turbilhão de água).
O concreto em si é feito de cimento, água e materiais chamados coletivamente de agregados que consistem em areia ou cascalho. O cimento tem propriedades únicas que devem ser consideradas na seleção do cimento, no projeto da barragem e na construção do sincronismo. A mistura de cimento e água causa uma reação química que torna o concreto duro, mas que também libera calor. Isso causa um nítido aumento na temperatura dentro de uma massa de concreto e, quando o concreto começa a esfriar, ele encolhe e racha, podendo causar vazamentos. Para limitar esses efeitos, o concreto pode ser colocado quando a temperatura do ar é baixa, cimento de baixa temperatura pode ser usado e água pode ser circulada através de tubos no concreto. Além disso, o concreto deve ser colocado em plataformas rasas (ou seja, apenas alguns pés ou metros são adicionados por vez) e em blocos estreitos; então, deve-se permitir que ele cure durante um tempo mínimo especificado para que o calor seja dissipado. Dependendo do projeto da barragem, os engenheiros escolherão a mistura de concreto (incluindo o cimento e o tipo de agregado) com muito cuidado; uma barragem de arco fino é projetada com uma mistura de concreto diferente de uma barragem de gravidade maciça.
Design
O projeto de uma barragem de concreto depende da finalidade da barragem e da configuração do local onde será construída. As barragens são de dois tipos gerais. As barragens de transbordamento bloqueiam o fluxo em um riacho e aproveitam a água para gerar energia ou melhorar a navegação e fornecer água para irrigação. Os componentes de uma barragem de transbordamento são projetados para que a água possa ser liberada e o nível da água no reservatório regulado por uma série de comportas, vertedouros ou túneis de saída. Barragens sem transbordamento armazenam água para abastecimento de água potável, irrigação ou energia; também possuem vertedouro, mas seu uso é restrito em emergências para baixar o nível da água rapidamente durante as enchentes. Os métodos para liberar a água armazenada são muito mais limitados do que em barragens de transbordamento, e a barragem em si pode não conter nenhuma estrutura de saída. Em vez disso, a água pode ser bombeada para irrigação, por exemplo, de parte do reservatório.
Alguns locais são mais adequados para determinados tipos de barragens. Uma barragem em arco é mais apropriada para construção em um desfiladeiro alto e estreito, onde o arco da forma estrutural fornece resistência. Mas um arco também pode ser construído ao longo de um desfiladeiro mais amplo, onde outros efeitos, como o atrito na base da barragem, adicionam força e resistência ao movimento. Da mesma forma, uma barragem de gravidade é a escolha típica para um desfiladeiro raso e largo, mas se for construída com alguma curvatura, a ação do arco também fortalecerá uma barragem de gravidade em um desfiladeiro mais estreito e mais alto. Onde o leito do rio é excepcionalmente largo, a barragem pode ser projetada para ter vários vãos, cada um com diferentes propriedades de engenharia, dependendo da variação dos materiais de fundação. Os vãos separados são geralmente suportados no lado jusante (ar) por contrafortes ou pelas curvas estendidas de vários arcos. Às vezes, os vãos de barragens de vários vãos são construídos com lajes de concreto ou placas de aço apoiadas em pilares.
Assim como as barragens de preenchimento, as barragens de concreto passam por extensas rodadas de projetos preliminares e estudos de viabilidade para escolher e explorar o local, para avaliar a quantidade de água retida e seu valor (como uma fonte de energia ou fonte de abastecimento) versus o custo do projeto ao longo os anos previstos de operação, para considerar uma ampla gama de outros efeitos, como mudanças no meio ambiente, e para escolher uma barragem de tamanho e configuração ideais. Centenas de fatores entram nesses estudos e o processo geralmente é iterativo. Um projeto é escolhido e testado em relação a todos esses fatores até que ele falhe em satisfazer um ou mais fatores, e a próxima variação no projeto é escolhida e estudada até que ele falhe - ou seja aprovado.
O processo de projeto de uma barragem de concreto normalmente envolve profissionais de uma gama mais ampla de disciplinas do que o projeto de uma barragem de aterro. Os profissionais técnicos que contribuem com seus conhecimentos para projetar uma barragem de concreto podem incluir geólogos, sismólogos, cientistas ambientais, engenheiros geotécnicos (solo), engenheiros civis, engenheiros estruturais, analistas de computador (especialistas em aplicativos de software que examinam a resistência e segurança da barragem), hidrólogos e engenheiros hidráulicos, engenheiros mecânicos e engenheiros elétricos se a barragem for usada para geração de energia. Ainda mais especialistas podem estudar aspectos como corrosão de estruturas de concreto e aço. O trabalho em equipe necessário para o projeto e construção da barragem é fundamental não apenas por causa dos enormes custos desses projetos, mas também porque a segurança
Um exemplo de um típico plano de barragem de gravidade em arco de concreto. de pessoas e propriedades a jusante exige perfeição. O processo de construção
- Antes que a construção possa começar em qualquer barragem, a água no leito do riacho deve ser desviada ou impedida de fluir pelo local. Como no caso de barragens de enchimento, uma barragem de cofragem (uma estrutura temporária para reter a água) deve ser construída ou a água deve ser desviada para outro canal ou área a jusante do local da barragem. Para grandes projetos, essa construção pode ser feita várias temporadas antes do início da construção da barragem. O fluxo de água é interrompido no último momento.
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A área da fundação para qualquer barragem de concreto deve estar imaculada antes que o primeiro concreto para a barragem seja colocado. Quanto ao enchimento de barragens, trata-se de um processo detalhado de escavação, limpeza e reparo da rocha em toda a "pegada" da fundação e em ambos os encontros (os lados do cânion que formam as extremidades da barragem). Locais imediatamente a jusante da barragem para qualquer usina de força, bacia de destilação ou outra estrutura também devem ser preparados.
Em alguns locais, um trabalho extenso pode ser necessário. Se a rocha na fundação ou abutments está sujeita a fratura por causa da carga imposta pela barragem e seu reservatório, atividade sísmica ou as propriedades da rocha, pode ser necessário instalar sistemas extensos de parafusos de rocha ou parafusos de ancoragem que são grouted na rocha através de zonas de fratura potenciais. Nos encontros acima da barragem, sistemas de parafusos e redes podem ser necessários para evitar que grandes fragmentos de rocha caiam na barragem. Instrumentos para monitorar os níveis de água subterrânea, movimento das juntas, infiltração potencial, movimentos de declive e atividade sísmica são instalados desde os estágios iniciais da preparação da fundação até a conclusão da barragem.
Uma parede de corte pode ser escavada profundamente na rocha ou podem ser feitos furos na fundação para a instalação de armaduras de aço, chamadas vergalhões, que se estendem para dentro da barragem e serão amarrados ao aço dentro dos primeiros levantamentos da barragem. A ideia é construir um reservatório que, como uma tigela, seja igualmente sólido em seu perímetro. A água é mais profunda e pesada na barragem (quando o reservatório está próximo da capacidade), então a barragem e sua fundação não podem ser um ponto fraco nesse perímetro.
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Formas feitas de madeira ou aço são construídas ao longo das bordas de cada seção da barragem. O vergalhão é colocado dentro dos formulários e amarrado a qualquer vergalhão adjacente que tenha sido instalado anteriormente. O concreto é então despejado ou bombeado para dentro. A altura de cada levantamento de concreto é normalmente apenas 5-10 pés (1,5-3 m) e o comprimento e largura de cada seção da barragem a ser despejada como uma unidade é de apenas cerca de 50 pés ( 15 m). A construção continua desta forma, à medida que a barragem é elevada seção por seção e elevador por elevador. Algumas barragens principais são construídas em seções chamadas de blocos com chaves ou intertravamentos que ligam blocos adjacentes, bem como conexões de aço estruturais.
O processo é muito parecido com a construção de um edifício, exceto que a barragem tem muito menos espaço interno; surpreendentemente, no entanto, grandes barragens de concreto têm galerias de observação em vários níveis, de modo que a condição do interior da barragem pode ser observada para infiltração e movimento. Túneis de entrada e saída ou outras estruturas também passam por barragens de concreto, o que os torna muito diferentes de barragens de enchimento que têm o mínimo possível de estruturas penetrando na massa da barragem.
- Assim que uma parte significativa da barragem for construída, o processo de enchimento do reservatório pode começar. Isso é feito de uma forma altamente controlada para avaliar as tensões na barragem e observar seu desempenho inicial. Um vertedouro temporário de emergência é construído se a construção da barragem levar mais de uma temporada de construção; a construção demorada geralmente é feita em fases chamadas de estágios, mas cada estágio é totalmente concluído em si mesmo e é uma barragem operacional. A ensecadeira a montante pode ser deixada no local como uma precaução temporária, mas geralmente não é projetada para conter mais do que o mínimo de vazões e chuvas e será desmontada assim que possível. Dependendo do projeto, algumas barragens não são preenchidas até que a construção esteja essencialmente concluída.
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As outras estruturas que tornam a barragem operacional são adicionadas assim que a elevação da sua localização é alcançada com o aumento da barragem. Os componentes finais são proteção contra erosão no lado a montante (água) da barragem (e às vezes a jusante nas bases das estruturas de saída), instrumentos ao longo da crista (topo) da barragem e estradas, calçadas, postes e contenção paredes. Uma grande barragem como a Hoover Dam tem uma estrada completa ao longo de sua crista; pequenas barragens terão estradas de manutenção que permitem o acesso em fila única de veículos.
Seção transversal de uma barragem de gravidade típica de arco de concreto. A altura é 280 pés (85 m). A espessura aumenta de 16 pés (4,9 m) no topo para 184 pés (56 m) na base.
Longe da própria barragem, a casa de força, os edifícios de instrumentos e até as casas dos operadores residentes da barragem também estão concluídos. Testes iniciais de todas as instalações da barragem são realizados.
- Os detalhes finais das construções são concluídos quando a barragem é colocada em serviço. O início da vida útil da barragem também foi cuidadosamente planejado como item de projeto, de forma que a água esteja disponível no reservatório assim que o sistema de abastecimento estiver pronto para bombeá-la e canalizá-la para jusante, por exemplo. Um programa de operações, manutenção de rotina, reabilitação, verificações de segurança, monitoramento de instrumentos e observação detalhada continuará e é obrigatório por lei enquanto a barragem existir.
Controle de qualidade
Não há construção de barragens sem controle de qualidade intensivo. O processo de construção sozinho envolve equipamentos pesados e condições perigosas para os trabalhadores da construção civil e também para o público. A população que vive a jusante da barragem deve ser protegida sobre a própria estrutura; os profissionais que elaboram e constroem esses projetos estão absolutamente comprometidos com a segurança e são monitorados por agências locais, estaduais e federais, como Divisões de Segurança de Barragens, Corpo de Engenheiros dos EUA e Departamento de Recuperação.
Subprodutos / resíduos
Não há subprodutos no desenho ou construção da barragem, embora uma série de outras instalações associadas ou de apoio possam ser necessárias para fazer o projeto funcionar. O desperdício também é mínimo porque os materiais são muito caros para permitir o desperdício. Além disso, os locais costumam ser remotos e o processo de transporte de resíduos para longe do local e descartá-los é proibitivo. Solo e rocha que podem ser escavados da área da fundação, locais a jusante, os encontros ou porções do reservatório são geralmente usados em outro lugar no local do projeto. Quantidades de materiais cortados ou colocados como preenchimento são cuidadosamente calculados para equilibrar.
O Futuro
O futuro das barragens de concreto é assunto de muito debate. A cada ano, mais de 100.000 vidas são perdidas em enchentes, e o controle de enchentes é uma das principais razões para construir barragens, bem como proteger os estuários contra enchentes e melhorar a navegação. Vidas também são beneficiadas pelas barragens porque fornecem água para irrigar campos e para beber água, e a energia hidrelétrica é uma fonte de eletricidade não poluente. Os reservatórios também são usados para recreação, turismo e pesca.
No entanto, as barragens também são prejudiciais ao meio ambiente. Eles podem mudar ecossistemas, afogar florestas e vida selvagem (incluindo espécies ameaçadas), alterar a qualidade da água e os padrões de sedimentação, causar perda de terras agrícolas e solo fértil, regular fluxos de rios, espalhar doenças (criando grandes reservatórios que abrigam insetos transmissores de doenças ), e talvez até mesmo afetem o clima. Também existem efeitos sociais adversos porque as populações humanas são deslocadas e não são reassentadas de forma satisfatória.
Durante anos antes do início da construção em 1994 da Barragem das Três Gargantas na China, ambientalistas de todo o mundo organizaram protestos para tentar impedir este enorme projeto. Eles não tiveram sucesso, mas a controvérsia sobre este projeto é representativa dos argumentos que todas as barragens propostas enfrentarão no futuro. O equilíbrio entre atender às necessidades humanas de água, energia e controle de enchentes e proteger o meio ambiente da erradicação ou invasão humana deve ser avaliado com cuidado.
Processo de manufatura