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MODELAGEM FÍSICA DO PROCESSO DE DEPOSIÇÃO HIDRÁULICA
ASSOCIADO A BARRAGENS DE REJEITOS
L. F. M. Ribeiro
Departamento de Engenharia Civil, Universidade Federal de Ouro Preto
A. Assis
Departamento de Engenharia Civil/FT, Universidade de Brasília
RESUMO: As barragens de rejeito alteadas pelo método de montante e construídas por aterro
hidráulico podem apresentar problemas relacionados aos aspectos construtivos e segurança, pois
existem poucas especificações técnicas relacionadas a este tipo de estrutura. O material é lançado
de forma quase aleatória sem controle das variáveis que influenciam no processo de deposição
hidráulica. Propõe-se um estudo a partir da simulação em laboratório destas variáveis, tais como
vazão e concentração. O objetivo principal do trabalho é analisar a influência destas variáveis na
formação dos aterros hidráulicos, avaliando, principalmente, o valor da densidade obtida. O estudo
proposto tem como base a utilização de um equipamento capaz de realizar Ensaios de Simulação de
Deposição Hidráulica (ESDH) desenvolvido na Universidade de Brasília, visando simular o
processo de formação de barragens de rejeito construídas com a técnica de aterro hidráulico a partir
do controle das variáveis que afetam este processo. São apresentados alguns resultados obtidos a
partir de ensaios realizados com o rejeito da Mina de Morro Agudo (SAMITRI).
1. INTRODUÇÃO
As barragens de rejeito alteadas pelo
método de montante normalmente apresentam
um baixo controle geotécnico, sendo que de
uma maneira geral as características
geotécnicas deste tipo de estrutura refletem as
deficiências das especificações técnicas que
praticamente não existem na fase de projeto e
durante o período de construção. Desta forma
estas estruturas apresentam riscos potenciais de
ruptura. Neste sentido existe uma grande
necessidade de avaliar mais detalhadamente o
comportamento deste tipo de estrutura sob um
ponto de vista geotécnico durante o processo
construtivo. Além disso é necessário
estabelecer uma forma de controle destes
aterros ainda na fase de projeto, através do
estabelecimento de técnicas construtivas
baseadas nas variáveis que condicionam o
processo de deposição hidráulica. Uma
alternativa de solução deste tipo de problema
estaria associada a utilização de ensaios de
laboratório que pudessem simular o processo
construtivo das barragens de rejeito
construídas com a técnica de aterros
hidráulicos. Nos ensaios de laboratório os
mecanismos de deposição poderiam ser
observados mais rapidamente e de uma forma
mais controlada que no campo.
A adoção de modelos reduzidos representa
uma importante ferramenta na análise de
fenômenos envolvendo processo hidráulicos.
Os modelos hidráulicos apresentam a
vantagem de reproduzir em laboratório um
grande número de variáveis que reproduzem o
fenômeno, resultando em análises qualitativas
e/ou quantitativas dependendo da
complexidade do modelo e equações
envolvidas. A modelagem física mostra-se
assim com um grande potencial na análise do
comportamento dos aterros envolvendo
transporte hidráulico. São encontrados na
literatura diversos trabalhos relativos à
196
modelagem física deste tipo de processo
construtivo. Alguns destes trabalhos
apresentam um enfoque puramente hidráulico
e/ou sedimentológico. Normalmente, os dados
obtidos estão relacionados à taxa de fluxo de
água, velocidade, profundidade, taxa de
transporte de sedimentos e geometria do
depósito formado. Outros ensaios, mais
específicos, apresentam dados referentes a
estratigrafia e as alterações provocadas nas
camadas em função dos diferentes processos
erosivos. Entretanto, poucos ensaios
consideram a análise dos parâmetros
geotécnicos associados ao processo de
deposição hidráulica. Estes estudos
objetivaram, de uma maneira geral, a
determinação da geometria do talude e/ou as
características físicas e mecânicas destes
depósitos. Observa-se, ainda que existem
algumas dificuldades na interpretação dos
resultados sob o ponto de vista geotécnico,
uma vez que a maioria dos trabalhos
apresentam, em sua concepção, metodologias e
análises à luz de conceitos puramente
hidráulicos. Neste contexto, a solução para este
tipo de problema seria o estabelecimento de
uma análise conjunta entre a hidráulica dos
sedimentos e a engenharia geotécnica.
Neste sentido, apresenta-se uma proposta de
análise do comportamento dos aterros
hidráulicos utilizando um modelo físico para
simulação do processo de deposição hidráulica
em laboratório. O equipamento de simulação
de deposição hidráulica (ESDH) foi
desenvolvido dentro do Programa de Pós-
Graduação em Geotecnia da Universidade
Brasília. Este equipamento permite simular
diferentes condições de descarga de
sedimentos de forma a analisar sua influência
no processo de formação do depósito. O
equipamento baseado nos conceitos da
modelagem hidráulica objetiva,
principalmente, a obtenção das características
geotécnicas do aterro em função das diversas
variáveis que influenciam o processo. São
apresentados os detalhes do equipamento,
concepção hidráulica, metodologia e
procedimentos de ensaio. Os resultados obtidos
representam uma primeira análise da
aplicabilidade desta metodologia na previsão
do comportamento geotécnico destes tipos de
estruturas.
2. ATERROS HIDRÁULICOS
Os aterros hidráulicos são estruturas cujos
parâmetros geotécnicos são fortemente
influenciados pelas variáveis que governam os
processo de deposição hidráulica, tais como a
vazão e a concentração da lama. A análise
destas variáveis e seus efeitos nas propriedades
geotécnicas do aterro hidráulico são muito
importantes no sentido de obter um projeto
adequado em termos de estabilidade e controle
de percolação.
Para aterros construídos com materiais
granulares a densidade in situ é um importante
parâmetro na análise do comportamento
geotécnico destas estruturas. Considerando que
a densidade é uma medida indireta do
comportamento dos solos granulares, altas
densidades são essenciais para o aumento da
estabilidade dos aterros hidráulicos sob
condições estáticas e dinâmicas. Os aterros
hidráulicos são suscetíveis aos processo de
liquefação considerando a potencialidade
destas estruturas de formarem depósitos
arenosos saturados e de baixas densidades.
As barragens de rejeito normalmente estão
associadas à tecnologia de baixo custo, devido
principalmente a grande quantidade de
material envolvido no processo de disposição e
a forma como o rejeito é descartado. Assim
existem poucas alternativas construtivas
relacionados à disposição de rejeitos
comparadas com outros tipos de barragem. Os
baixos custos e grandes quantidades de rejeito
reforçam a utilização e a manutenção da
técnica de aterro hidráulico associado a este
tipo de processo de disposição. Entre os
métodos construtivos, normalmente utilizados
na construção de barragens de rejeito, o
método de montante é o mais simples e
econômico. Neste método a lama é descartada
à montante da barragem por canhões isolados
ou uniformemente espaçados ao longo da
crista. Embora muitas barragens construídas
pelo método de montante tenham sido
construídas de forma segura, alguns processos
de ruptura tem ocorrido, a maioria deles
associado à falta de controle geotécnico e
deficiências nos processos construtivos.
Estabelecendo uma comparação com os
aterros compactados pode-se observar que a
densidade de campo pode ser estimada na fase
197
de projeto, através de ensaios de compactação
em laboratório. A maioria dos parâmetros
geotécnicos são obtidos a partir dos valores das
densidades definidos por estes ensaios. Desta
forma, o controle de qualidade destes aterros
durante a fase de construção é considerado
bastante simples, comparando basicamente os
valores das densidades de campo e de
laboratório.
Esta situação não ocorre para o caso dos
aterros hidráulicos, pois existem poucas
especificaçõestécnicas relacionadas aos
aterros hidráulicos. Freqüentemente são usadas
metodologias empíricas baseadas em
experiências prévias ou na análise de algumas
recomendações encontradas na literatura
soviética (Melent’ev et al., 1973). Estas
recomendações representam os primeiros
procedimentos técnicos a respeito dos aterros
hidráulicos e baseiam-se na adoção de baixas
velocidades de fluxo associadas a altas
concentrações de modo a obter depósitos mais
densos. Neste contexto, é importante analisar
cada mecanismo de deposição através da
análise das variáveis envolvidas no processo de
descarga e estabelecer um metodologia
específica de projeto que possa melhorar as
características dos aterros hidráulicos.
Após 1970, o projeto e construção de
barragens de rejeito tem atraído vários
pesquisadores (Mittal & Morgenstern, 1975;
Klohn, 1981; Vick, 1983) e outros citados por
Morgenstern (1985) e Morgenstern & Küpper
(1988). Experiências recentes, enfatizando a
análise dos fenômenos hidráulicos associados
ao comportamento dos aterros hidráulicos, tem
mostrado que as diferentes características dos
parâmetros de descarga influenciam de uma
maneira direta no comportamento dos aterros
hidráulicos (Küpper, 1991; Blight, 1994;
Ribeiro et al., 1998).
O processo construtivo dos aterros
hidráulicos consiste basicamente na descarga
da mistura de sólido-líquido numa determinada
área, onde a maioria dos sólidos é depositada.
Em concordância com o processo de
segregação, as partículas mais grossas e/ou
mais pesadas tendem a depositar próximo ao
ponto de descarga enquanto que as partículas
finas e/ou mais leves tendem a fluir ao longo
da superfície do aterro. Durante este processo
uma grande quantidade de material é
depositado e/ou arrastado, gerando diferentes
tipos de camada. O material depositado sobre
diferentes condições de descarga desenvolve
então estruturas sedimentares bastante
distintas. Cada tipo de estrutura apresentará em
conseqüência diferentes características
geotécnicas. Assim, analisando cada
mecanismo de deposição poder-se-ia prever o
tipo de estrutura sedimentar formado e obter
suas características geotécnicas. Assim, poder-
se-ia também pesquisar uma forma otimizada
de deposição que assegurasse a qualidade deste
tipo de estrutura a partir da melhoria e do
controle de suas propriedades geotécnicas.
Neste sentido os ensaios de simulação de
deposição hidráulica apresentam um
importante papel na previsão do
comportamento deste tipo de estrutura. A
literatura apresenta diversos equipamentos de
deposição hidráulica envolvendo fluxo e
sedimentos. Alguns propostos exclusivamente
para analisar o comportamento dos aterros
hidráulicos (Ferreira et al., 1980; Blight et al.,
1985; De Groot et al. 1988; Winterwerp et al.,
1990; Fan & Masliyah,1989; Küpper, 1991;
Ribeiro et al., 1998). A maioria destes ensaios
apresenta dados referentes a geometria do
talude, processo de segregação, distribuição
granulométrica ao longo do caminho de fluxo,
densidade e algumas propriedades físicas e
mecânicas do aterro.
O procedimento deste ensaios é a obtenção
de uma mistura sólido-líquido preparada
previamente em tanques dotados de
misturadores ou simplesmente no momento da
descarga a partir de alimentadores
independentes de sólidos e água. O importante
em ambos processos é manutenção da
concentração constante ao longo do processo
de deposição. A velocidade de descarga é outro
parâmetro fixado e dependendo do tipo de
alimentador o sistema de controle de descarga
pode variar. Embora apresentando algumas
diferenças os ensaios de deposição hidráulica
são similares na simulação e manutenção dos
parâmetros de descarga. Ao final do processo
de deposição são determinadas as
características de cada aterro formado em
função das variáveis analisadas.
As maiores diferenças relacionadas a estes
tipos de ensaios estão associadas ao arranjo
físico. O comprimento das calhas de deposição
198
varia de cerca de 2,00 m até 6,00 m. O sistema
de alimentação da calha e drenagem final tem
características definidas em cada projeto. A
maior particularidade encontra-se na adoção de
diferentes tipos de controladores de fluxo em
função da complexidade de cada projeto.
3. MODELAGEM FÍSICA DO PROCESSO
DE DEPOSIÇÃO HIDRÁULICA
Os ensaios de deposição hidráulica foram
desenvolvidos principalmente para prover um
suporte teórico ao projeto dos aterros
hidráulicos. Assim é importante notar que os
dados obtidos a partir deste tipo de teste podem
dar subsídio à análise do comportamento deste
tipo de estrutura no campo. O maior desafio
relacionado a este tipo de simulação em
laboratório é a extrapolação dos dados para o
campo. Analisando os parâmetros obtidos a
partir dos ensaios de simulação de deposição
hidráulica (ESDH) poder-se-ia avaliar sua
relativa importância na análise qualitativa do
comportamento dos aterros hidráulicos.
Considerando a importância deste tipo de
ensaio na previsão do comportamento dos
aterros hidráulicos, foi desenvolvido um
equipamento de simulação de deposição
hidráulica na Universidade de Brasília. Este
equipamento permite simular em laboratório as
diferentes condições de descarga que podem
ser submetidos os aterros hidráulicos. Este
equipamento consiste de um canal de
deposição de 6,00 m de comprimento, 0,40 m
de largura e 1,00 m de altura. O canal foi
construído usando perfis metálicos que
sustentam as paredes laterais de vidro
temperado de 10 mm de espessura. Este tipo de
parede permite a visualização do processo de
deposição ao longo de toda extensão do canal.
A lama é preparada em um reservatório
secundário equipado com um sistema especial
de misturadores com velocidade constante que
mantém a concentração constante. A lama é
bombeada para um reservatório principal
localizado na parte superior do equipamento.
Este sistema de bombeamento promove uma
recirculação da lama entre os dois reservatórios
e mantém o nível de material constante no
reservatório principal. A manutenção da
concentração ao longo de todo ensaio é
garantida pela manutenção do sistema de
mistura funcionando constantemente nos dois
reservatórios e auxiliada pelo processo de
recirculação que provoca um turbilhamento
dentro dos reservatórios em função da
localização dos pontos de entrada e saída da
lama. Entretanto, a concentração é avaliada
durante todo o período de realização do ensaio
em pontos instalados ao longo da profundidade
do reservatório. Nestes mesmos intervalos de
tempo é feito o acompanhamento da vazão de
descarga no canal, condicionado pela
manutenção do nível máximo do reservatório e
por uma válvula de esfera que funciona como
limitador de fluxo.
Após a estabilização da concentração nos
reservatórios, a lama é descartada no canal
através de um controlador de fluxo que
mantém o fluxo na direção paralela às paredes
do canal. O principal objetivo deste
controlador de fluxo é minimizar os efeitos das
paredes no processo de deposição, gerando
uma descarga unidirecional. O controlador de
fluxo tem um sistema de elevação que
possibilita sua ascensão em função da
velocidade de subida da crista do aterro. Este
sistema garante uma altura constante entre a
superfície de deposição e a base do controlador
de fluxo. A Figura 1 mostra um esquema do
equipamento de simulação de deposição
hidráulica.
Um sistema de drenos foi instalado no final
do canal de forma a manter o nível d’água
constante na praia. A altura de cada de dreno
pode ser ajustada de forma a manter uma
superfície livre de 1,00 m de altura a partir da
extremidade final da praia. A Figura 2 mostra
uma visão geral do equipamento desenvolvido
na Universidade de Brasília.
O programa experimental consiste na
descarga de lama em diferentes condições de
velocidade de descarga e concentração sob
uma camada pré-depositada de rejeito. Esta
primeira camada, inicialmente plana, tem o
objetivo de impor condiçõessimilares às de
campo. O fluxo é direcionado para o lado
montante e após algum tempo dependendo das
variáveis de descarga utilizadas o talude da
praia é formado. Ao final do processo são
feitos estudos sobre a configuração do talude,
densidade, padrão de segregação, teor de
umidade e distribuição granulométrica ao
longo do canal.
199
Figura 1 – Detalhe esquemático do equipamento de deposição hidráulica (ESDH)
Figura 2 – Vista geral do equipamento de deposição hidráulica (ESDH) desenvolvido na
Universidade de Brasília
PRINCIPAL RESERVOIR
MIX SYSTEM
PUMP
CHANNEL
HYDRAULIC FILL
DRAIN
SPREADER
6.00 m
1
.0
0
 m
SECONDARY RESERVOIR
2
.5
0
 m
MOTOR
SCREEN
200
4. METODOLOGIA DE ENSAIO
Os ensaios realizados no equipamento de
ESDH tem como objetivo analisar a influência
das variáveis de deposição no comportamento
de barragens de rejeito. São realizados ensaios
visando estabelecer valores específicos para
estas variáveis e determinar seu efeito na
formação das estruturas de aterros hidráulicos.
O valor da concentração é obtido a partir de
uma relação entre pesos. Encontra-se na
literatura alguns ensaios cujo valor da
concentração é obtido em função do volume de
sólidos e água. Embora, este tipo de
abordagem seja muito comum na maioria das
simulações realizadas nos países da ex-União
Soviética, ela é mais complexa sob o ponto de
vista da determinação precisa da concentração.
Assim em virtude da maior facilidade e
aceitação, a concentração requerida neste
programa experimental foi obtida a partir da
seguinte equação:
%100´=
t
s
w W
W
C (1)
onde Cw é a concentração da lama, Ws o peso
de sólidos e Wt o peso total da lama.
Considerando a Eq. (1), o material é
preparado para uma concentração pré-definida,
estabelecendo os pesos de sólidos e água
correspondentes. O material é submetido ao
primeiro reservatório onde é preparada a
mistura e logo em seguida é bombeado para o
reservatório superior. O processo de
recirculação é acionado visando a manutenção
do nível de material constante no reservatório
superior. É feito o primeiro controle da
velocidade de descarga, utilizando um
reservatório de volume conhecido onde se
procede o controle da vazão de descarga com
auxílio da válvula restritora de fluxo. Após
estabelecida a vazão, uma segunda válvula é
aberta liberando todo o fluxo para o canal de
deposição. Um controle de concentração é
realizado logo após esta segunda válvula em
intervalos de tempo pré-definidos. Neste
mesmos intervalos de tempo são feitas medidas
da vazão e concentração em outros pontos do
reservatório principal.
Durante o processo de deposição são
observados a evolução do aterro em função da
altura da crista. Em uma fase inicial é
necessário ajustar a velocidade de ascensão do
controlador de fluxo em função principalmente
da relação entre a vazão e concentração. Este
procedimento visa assegurar a distância
sempre constante entre a crista do depósito e a
base do controlador de fluxo. Os drenos do
final do canal também são ajustados em função
da evolução do aterro e conseqüente vazão de
descarga.
Em função da velocidade de descarga e do
valor da concentração é necessário o
reabastecimento dos reservatórios. Assim o
ensaio é paralisado por um pequeno intervalo
de tempo para a preparação da mistura e o
restabelecimento das condições iniciais. Após
este procedimento o fluxo é novamente
liberado para a deposição no canal.
Ao final do processo, normalmente quando
o aterro atinge uma altura de 0,15 a 0,20 m, o
processo de deposição é paralisado. Cerca de
duas horas após o término do processo de
deposição são feitas medidas da altura do
talude a partir do ponto de descarga até o final
da praia. Estas leituras são realizadas
utilizando um sensor elétrico que indica o
momento exato em que a haste toca na praia
ainda úmida. Este equipamento está acoplado a
uma trena com precisão milimétrica que
permite medir com excelente precisão a altura
da praia para posterior determinação da
geometria da praia.
O processo de amostragem para
determinação da densidade in situ,
granulometria e densidade dos grãos ao longo
do talude de posição é realizado vinte quatro
horas após a finalização do processo de
deposição. Este procedimento visa
basicamente promover um período de
estabilização das pressões internas no talude e
a conseqüente drenagem, de modo a facilitar o
processo de amostragem.
O processo da determinação da densidade in
situ é realizado a partir da cravação de
cilindros amostradores de parede fina de 5,0
cm de diâmetro e 5,5 cm de altura. As
amostras são obtidas a cada 20 cm ao longo da
praia referentes ao ponto inicial de descarga.
Os cilindros são cravados na parte central da
praia de modo a minimizar os efeitos das
paredes no valor da densidade. As amostras
utilizadas nos ensaios de granulometria e
densidade dos grão são obtidas também ao
201
longo de faixas transversais a cada 20 cm de
distância.
5. RESULTADOS
Os resultados obtidos encontram-se em
conformidade com a maioria dos resultados
obtidos em outras simulações de deposição
hidráulica (Ferreira et al., 1980; Blight et al.,
1985; De Groot et al., 1988 e Küpper et al.,
1992). Assim, o perfil obtido é côncavo e de
baixa inclinação. Observa-se que para baixas
velocidades de fluxo o talude tende a se tornar
mais íngreme o mesmo acontecendo quando
ocorre o aumento da concentração.
Os valores de densidade obtidos
normalmente apresentam um decréscimo
considerável após o primeiro ponto amostrado,
coincidente com a extremidade do controlador
de fluxo (ponto de descarga). Assim neste
primeiro ponto tem-se um alto valor de gd
tendendo a um processo de estabilização a
medida que se aproxima da extremidade final
da praia (Figura 3). Este comportamento pode
ser atribuído à presença de partículas de
minério de ferro no rejeito. Assim, na região
próxima ao ponto de descarga, observa-se uma
nítida concentração deste tipo de mineral,
devido sua alta densidade.
Figura 3 – Variação do peso específico seco
em função da distância ao ponto de descarga.
Observa-se neste caso um atípico, mas
coerente, processo de segregação em que o
peso da partícula é o fator dominante no
modelo de seleção. A evidência deste tipo de
processo de seleção pode ser vista na curva de
variação do diâmetro médio das partículas
(D50) ao longo do talude de deposição (Figura
4). Observa-se um aumento do diâmetro médio
do grão na porção média do talude e um
decréscimo deste valor em direção às
extremidades. Estes valores evidenciam a
presença de finos mais densos próximo ao
ponto de descarga, correspondentes às
partículas tipicamente ferrosas e por
conseguinte mais densas.
Figura 4 – Variação do diâmetro médio das
partículas em relação à distância ao ponto de
descarga.
6. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O trabalho representa uma primeira
tentativa de obtenção de parâmetros
geotécnicos associados ao processo de
deposição hidráulica relacionados às barragens
de rejeitos. Embora esteja numa fase inicial de
análise é possível verificar a importância de
cada variável analisada no comportamento
deste tipo de estrutura.
Os efeitos das variáveis de deposição
hidráulica mostram-se evidentes tanto na
geometria do talude formado como nos
parâmetros relacionados a variação do teor de
umidade, densidade, granulometria e
consequentemente nos parâmetros de
resistência e permeabilidade.
Para o caso aplicado ao rejeito de minério
de ferro, observa-se uma total dependência do
valor da densidade das partículas sólidas.
Neste sentido o processo de segregação
comum por tamanho é suplantado pela
dependência em relação ao peso da partícula.
De uma maneira geral a geometria do talude
é similar a maioria dos ensaios realizados com
outros tipos de material, areias puras ou areias
betuminosas (Küpper,1991). A principaldiferença no caso do rejeito de Morro Agudo
estaria numa menor influência no valor da
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5
Distancia ao ponto de descarga (m)
D
5
0
 (
m
m
)
MA 2 (Cw=13,92%,
Qt=9,68l/min)
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
Distância ao ponto de descarga (m)
gd
 (
g
/c
m
3
)
MA 2 (Cw =13,92%,
Qt=9,68 l/min)
202
velocidade descarga na variação da
inclinação do talude. Entretanto, este fato
poderia estar associado a baixas velocidades de
fluxo utilizadas incapazes de produzir um
maior processo de movimento nas partícula
mais densas.
Com relação ao parâmetros de resistência
está sendo viabilizada a realização de ensaios
de resistência com equipamentos miniaturas na
praia obtida no ESDH. Além tem sido feitos
estudos sobre possibilidade de desenvolver
técnicas de obtenção de amostras indeformadas
para este tipo de material. Com relação as
análises de percolação pretende-se ainda
instalar mini-piezômetros ao longo da praia de
modo avaliar o desempenho das poro-pressões
durante e após o processo de deposição no
ESDH.
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8. AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de expressar seus
agradecimentos à Universidade de Brasília
(UnB), Universidade Federal de Ouro Preto
(UFOP), aos órgãos de fomento CAPES e
CNPq e a SAMITRI pelo apoio e incentivo
dado a esta pesquisa.