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UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA ARTUR PAGOTTO TONUSSI Estudo de ruptura de barragem por piping Florianópolis, SC 2017 ARTUR PAGOTTO TONUSSI Estudo de ruptura de barragem por piping Trabalho de conclusão de curso apresentado ao curso de graduação em Engenharia Civil, da Universidade do sul de Santa Catarina, Como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Civil. Orientador: Prof. Cesar Schmidt Godoi, M.Sc Florianópolis, SC 2017 AGRADECIMENTOS Agradeço à Deus por sempre iluminar meu caminho. Agradeço à minha família, em especial meus pais, Carlos Rogerio Tonussi e Maria Cristina Pagotto Tonussi, por sempre me incentivarem nos meus sonhos e me me ajudarem a superar cada desafio. Agradeço ao meu orientador, Professor Eng.º Geot Cesar Schmidt Godoi , por todos os conhecimentos transmitidos e a dedicação de suas horas com este trabalho. Agradeço meus amigos pelo apoio em todos os momentos dessa fase. Agradeço finalmente à Universidade do Sul de Santa Catarina, por todas as experiências vivenciadas. “Aquietai-vos, e sabei que eu sou Deus; serei exaltado entre os gentios; serei exaltado sobre a terra”. (Salmo 46-10) RESUMO Neste trabalho são apresentadas análises de equações empiricas focadas no processo de piping, dentro da pesquisa bibliográfica representado como a erosão interna gerada no corpo da barragem atravez do careamento de particulas, da Barragem Principal da CGH Três Marias, localizada no município de Vacaria/RS. Assim foi desenvolvido um estudo com embasamento em formulações desenvolvidas por Froehlich de modo a criar um sistema exemplificado do viria o ocorrer durante uma possível ruptura. É importante ressaltar que apesar de existirem informações geotécnicas do solo e rocha da fundação da barragem, as análises foram desenvolvidas com parâmetros reunidos em bases bibliográficas e os dados do alargamento da seção e volume de água que ira a travesar a seção rompida representam valores estimado de um eventual caso. Ainda, parte do processo construtivo básico da barragem de estudo e processos adotados para efeito de análise das condições de ruptura não foram levados em consideração. Este trabalho teve a realização de ruptura por piping da seção estudada, seu processo de formação e sua influência no corpo ou fundação da barragem. A analise com embasamento teórico nas formulações de Froehlich foi utilizado a ferramenta de calculo Excel e uma breve modelação da percolação da água no interior utilizando parâmetros reais da barragem desenvolvida por Godoi, basicamente, as análises de percolação têm por finalidade estimar a distribuição de pressões no maciço e fundações devido ao carregamento hidráulico formado pelo reservatório. Palavras-chave: Barragem. Ruptura. Piping. ABSTRACT In this work, empirical equations are analyzed focusing on the piping process, within the bibliographic research represented as the internal erosion generated in the body of the dam through the particle beading, of the Main Dam of the Três Marias CGH, located in the city of Vacaria / RS. Thus, a study was developed based on formulations developed by Froehlich in order to create an exemplified system that would occur during a possible rupture. It is important to emphasize that although there is geotechnical information about the soil and rock of the dam foundation, the analyzes were developed with parameters gathered in bibliographical bases and the data of the enlargement of the section and volume of water that will cross the ruptured section represent estimated values of case. Also, part of the basic dam building process and processes adopted for the analysis of the rupture conditions were not taken into account. This work had the piping rupture of the studied section, its formation process and its influence on the body or foundation of the dam. The analysis with theoretical basis in the Froehlich formulations was used the Excel calculation tool and a brief modeling of the percolation of the water in the interior using real parameters of the dam developed by Godoi, basically, the analyzes of percolation have as purpose to estimate the distribution of pressures in the and foundation due to the hydraulic loading formed by the reservoir. Keywords: Dam. Break. Piping. LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 – Barragem de Terra com enrocamento...................….….......................... 14 Figura 2 – Seção tipica de barragem com núcleo de argila….................................. 15 Figura 3 – Seção de barragem com enrocamento de concreto na face.......….....… 16 Figura 4 – Seção tipica barragem de terra/dreno...................................................... 17 Figura 5 – Seção típica de barragem de gravidade…….....…................................... 20 Figura 6 – Seção tipica da barragem de contra forte……..………...……..………….. 21 Figura 7 – Modelagem Inicial de uma barragem…..……….….…....……..…….……. 22 Figura 8 – Percentual de rupturas em barragens grandes……...….……..….……… 26 Figura 9 – Percentual de rupturas por tipo de barragem…….……...………..……… 26 Figura 10 – Vista esquemática do processo de piping….….……..……..……….….. 32 Figura 11 – Alargamento da seção com passar do tempo…….….…….……….…… 32 Figura 12 – Vista esquemática do piping pela fundação…………………..………… 33 Figura 13 – Parâmetros geométricos de uma barragem….….….…...…….…...…… 36 Figura 14 – Formulações empíricas costa (1985) e wahl (1998)……...…..……..…. 39 Figura 15 – Localização geográfica da barragem……………...….….………………. 42 Figura 16 – Arranjo geral da barragem…….….……...…………….…....…....…..….. 42 Figura 17 – Seção AA da barragem de estudo………..…..………………………….. 43 Figura 18 – Planta de situação do reservatório…..….…...….…..…...….….………... 45 Figura 19 – Seção transversal da Barragem de estudo………………….…..………. 46 Figura 20 – Poropressões e as seções com vazão específica……...….…………... 46 Figura 21 – Gradientes hidráulicos da seção A……….…..……………….………….. 48 Figura 22 – Margem esquerda ou montante de barragem….……………….………. 49 Figura 23 – Margem direita ou jusante da barragem…….………………..………….. 50 Figura 24 – Gráfico representativo da vazão pelo tamanho da brecha..…………… 56 LISTA DE TABELAS Tabela 1 – Tipo de barragem e rupturas comuns…………………….……………..29 Tabela 2 – Parâmetros geométricos da barragem…...…………………….……… 45 Tabela 3 – Calculo no execel da formação de brecha………………...………...... 51 Tabela 4 – Equações empíricas para dimensionamento da brecha….….…….... 52 Tabela 5 – Faixas de tempo para formação de brecha…………..…………….…. 54 Tabela 6 – Valores de calculo do alargamento em função do tempo..…………...55 SUMARIO 1. INTRODUÇÃO.................................................................................................................12 1.1 OBJETIVOS..................................................................................................................13 1.1.1 Objetivo geral...........................................................................................................13 1.1.2 Objetivos específicos..............................................................................................13 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA..........................................................................................14 2.1 BARRAGENS................................................................................................................14 2.1.1 Barragem de Enrocamento.....................................................................................14 2.1.2 Barragem de Enrocamento com Núcleo de Argila...............................................16 2.1.3 Barragem de Enrocamento com Face de Concreto............................................17 2.1.4 Barragem de Terra...................................................................................................182.1.5 Barragem de Concreto............................................................................................20 2.1.6 Barragens de Concreto – Gravidade.....................................................................21 2.1.7 Barragem de Contraforte.......................................................................................22 2.2 TOPOGRAFIA...............................................................................................................23 2.3 PROSPECÇÕES GEOLÓGICAS.................................................................................24 2.3.1 Investigações em Fundações.................................................................................25 2.4 CASOS HISTÓRICOS E ESTATÍSTICAS DE RUPTURA DE BARRAGENS.............26 2.5 LEGISLAÇÃO VIGENTE..............................................................................................29 2.5.1 PAE – Plano de Ações Emergenciais....................................................................29 2.6 MAPEAMENTO DE ÁREAS DE RISCO.......................................................................31 2.7 MAPAS DE INUNDAÇÃO.............................................................................................32 2.8 EXEMPLOS DE FORMAÇÃO DO PIPING...................................................................33 2.9 COMPLEXIDADE E IMPRECISÃO DAS ESTIMATIVAS DAS CARACTERÍSTICAS DO ROMPIMENTO...........................................................................35 2.10 ESTIMATIVAS DOS PARÂMETROS DA BRECHA...................................................37 2.10.1 Formulações Empíricas........................................................................................39 3. METODOLOGIA..............................................................................................................41 3.1 PROCESSO DE ANÁLISE...........................................................................................42 3.2 DEFINIÇÃO DO LOCAL DE ESTUDOS.......................................................................43 3.2.1 BREVE DESCRIÇÃO DA GEOLOGIA LOCAL POR GODOI 2017 – NUMERO DO RELATÓRIO..................................................................................................................44 3.3 PARÂMETROS HIDRÁULICO E GEOMÉTRICOS ADOTADOS...............................46 3.4 REALIZAR MODELAÇÃO ATRAVÉS DO SOFTWARE..............................................47 3.5 ANÁLISE DA ESTRUTURA..........................................................................................49 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO.....................................................................................51 5. CONCLUSÕES E DISCUSSÕES....................................................................................56 6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICA.................................................................................57 7. ANEXOS..........................................................................................................................61 1. INTRODUÇÃO Tendo em vista o estabelecimento da Lei nº 12.334/2012, que institui a Política Nacional de Segurança de Barragens, o presente trabalho propõe-se ao cálculo de ruptura por piping da barragem de terra da CGH (Central geradora Hidrelétrica) Três Marias, localizada em Vacaria/RS. Barragens constituem parte importante na infraestrutura do Brasil, proporcionando controle de enchentes, abastecimento de água, irrigação, geração de energia, navegação e benefícios de recreação. Apesar de seus múltiplos usos, essas barragens também apresentam riscos para a propriedade e para a vida devido ao seu potencial de falha estrutural vir a causar inundações catastróficas por ocorrência de um rompimento. Wahl (2010) preconiza que dois principais objetivos na análise de rompimento de barragens são estes a previsão da onda de cheia da ruptura e a sua propagação hidráulica ao longo do vale a jusante da barragem, a fim de determinar as consequências do rompimento e quantificar os danos nas áreas atingidas, este tabalho tem o objetivo de estimar o tempo de formação e a vazão de pico, ou seja, processos de formação da brecha. Wahl (2010) e Goodell (2012) argumentam que a propagação de grandes inundações é uma ciência já bem desenvolvida, embora algumas zonas de incerteza ainda existam na engenharia de segurança de barragens, tal como: parametrização do processo de formação da brecha de ruptura hipotética da barragem, com base nesses estudos de predição do processo de ruptura foram desenvolvidos processos de analise hipotetico para brecha na barragem CGH Três Marias.A brecha que se forma durante a ruptura de uma barragem, segundo Wahl (2010), é a maior fonte de incertezas nos estudos de rompimento de barragens, principalmente das construídas em terra. Dessa forma, considerando a formação de brecha por piping o presente trabalho visa a análise do processo de erosão regresiva que leva água da montante ate a jusante da barragem criando um sistema tubular onde a agua carrega particulas do solo comprometendo a estrutura, com intuito de analisar este processo desconsiderou-se os principais requisitos de segurança da barragem CGH Três Marias tais como Filtros Vertical e Horizontal, Enrocamentos nas facies de montante e jusante e o tipo do solo. Com base nesse cenario com fatores propícios que a ruptura desenvolveu-se um processo de analise. 12 1.1 OBJETIVOS 1.1.1 Objetivo geral O presente trabalho tem por objetivo o estudo de ruptura de Barragem, através da erosão gerada pelo piping. 1.1.2 Objetivos específicos Classificar e Escolher o tipo de barragem; Obter conjuntos de parâmetros de formação da brecha de uma barragem de terra; Importância da Topografia e Prospecções geológicas no estuda da barragem; Observar diferentes casos de rupturas em barragem; Aplicar diferentes métodos de análise de ruptura hipotética de uma barragem de terra e posterior comparação dos resultados; Aplicar modelação de software da seção estudada para definir processo hidrodinâmico; Aplicar resultados no estudo criando um cenário hipotético de ruptura para barragem de estudo. 13 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Neste item está apresentada a revisão bibliográfica contendo aspectos referentes à Barragens, rupturas de barragens, formação de piping e outros aspectos do ponto de vista metodológico, a quantificação das consequências da ruptura de uma barragem passa pela previsão dos níveis e vazões nas áreas de jusante, além dos respectivos intervalos de tempo decorridos a partir do início da ruptura. 2.1 BARRAGENS. (USBR, 1987) A escolha da concepção estrutural de uma barragem depende de uma análise complexa de fatores, que determinam a viabilidade de um projeto, entre os quais se destacam a topografia e geologia da região, finalidade do barramento, aspectos técnicos e econômicos e impacto ambiental. Podemos destacar dois tipos principais de barragens: I. Barragens de Aterro: podem ser de terra ou enrocamento; II. Barragens de Concreto: podem ser de concreto gravidade, ou contrafortes. 2.1.1 Barragem de Enrocamento As barragens de enrocamento utilizam pedras de diferentes granulometrias com materiais oriundos de ares de empréstimos para proporcionar estabilidade e uma membrana impermeável para não permitir a entrada de água possuem comumente um sistema de drenagem interna eficiente. Esta membrana impermeável é construída no montante da barragem e pode ser uma laje de concreto, solo impermeável, concreto asfáltico ou construção de um núcleo impermeável no interior da barragem. (USBR, 1987) Como os diques de terra, os barramentos de enrocamentos estão sujeitos a danos ou destruição pelo transbordamento de água e assim, por via de regra, devem ser executados sob rigoroso processo de controle executivo,é necessário ter um vertedouro de capacidade adequada para prevenir o extravasamento bem dimensionados que lhes confiram elevados coeficientes de segurança contra a possibilidade de galgamento. (USBR, 1987) 14 Reservatórios de enrocamento requerem fundações que não estarão sujeitas a acomodações grandes o bastante para romper a camada impermeável. Sendo assim, as fundações podem ser de pedra ou areia compactada e cascalho. (USBR, 1987) As barragens de enrocamento são satisfatórias para locais onde há grande disponibilidade de pedra uma barragem de enrocamento é um maciço formado por fragmentos de rocha compactados em camadas sobrepostas na face da barragem cujo peso e compactação promovem a estabilidade do corpo submetido ao impulso hidrostático e forças cisalhantes ajudando consideravelmente na estabilidade do talude contra o deslizamento ou para locais onde ocorrem prolongados períodos chuvosos, o que torna inviável a construção das barragens de terra e quando o custo de uma barragem de concreto seja muito alto, observar seção tipica da barragem de terra com enrocamento na Figura 1. (USBR, 1987) Figura 1: Barragem de Terra com enrocamento. Fonte: MARANGON, 2009. 15 2.1.2 Barragem de Enrocamento com Núcleo de Argila São as barragens com dois ou mais tipos de solos, é formada por um núcleo argiloso, que proporciona a função de vedação à barragem, e enrocamento, que são fragmentos de rocha ou cascalho que garantem a resistência necessária à estrutura, o fato do enrocamento ter maior ângulo de atrito e normalmente boas condições de ser trabalhado permite diminuir as quantidades de materiais se comparadas a barragens de terra. (MARANGON, 2004) Os taludes do núcleo argiloso podem ser mais verticais porque são executados concomitantemente aos espaldares de montante e jusante, mantendo-se estável nesta condição. Este tipo de barragem permite a construção de taludes mais íngremes e é bastante utilizada no Brasil, para a construção desse tipo de barragem há a necessidade de grande quantidade de material para a elaboração do núcleo (material argiloso), espaldares, filtros e drenos. Sendo assim, precisa-se analisar a disponibilidade de materiais adequados nas proximidades do local de instalação da barragem. (MARANGON, 2004) A fundação deve ser mais estanque que a fundação das barragens de terra, pois nestas o caminho de percolação é maior. Este pode ocupar a parte central, como ilustrado na figura 2, ou ser inclinado para montante (FURNAS,1993). Figura 2: Seção típica de barragem com núcleo de argila. Fonte: FURNAS, 1993. 16 2.1.3 Barragem de Enrocamento com Face de Concreto A barragem é constituída de enrocamentos e placas de concreto sobre o talude de montante, conforme a seção mostrada na Figura 3. Uma barragem de enrocamento com face de concreto apresenta duas fases distintas de solicitação: inicialmente ela é submetida apenas ao peso próprio das camadas à medida que sobe o maciço; depois com o enchimento do reservatório, com a pressão hidráulica. (MORI, 1999) Deve ser dada atenção especial à ligação entre as placas de concreto, pois se apoiam em meio deformável formado pela camada de enrocamento durante o período construtivo ocorrem deformações e recalques significativos. Além disso, deve ser ter atenção também com a ligação entre a face de concreto e a fundação para garantir a estanqueidade dessa região. (MORI, 1999) Algumas vantagens desse tipo de barragem são: construção mais rápida, pois pode ser construída independentemente do clima; taludes mais íngremes, o que proporciona menores volumes de material e maior altura da estrutura. É ideal para regiões com pouca disponibilidade de argila e areia, e com períodos prolongados de chuva. (MORI, 1999) É aquela em que a seção da barragem é toda em enrocamento compactado, sendo que o elemento impermeabilizador é uma laje de concreto construída apoiando-se sobre o talude de montante, conforme apresentado na Figura 3 (FURNAS, 1993) Figura 3: Seção de Barragem com Enrocamento de Concreto na Face. Fonte: FURNAS, 1993. 17 2.1.4 Barragem de Terra As barragens de terra possuem grande volume, pois funcionam pelo peso do aterro, composto por solo que possui peso específico menor que o do concreto. Os taludes, suaves, devem ser compatíveis com a resistência ao cisalhamento do material após compactação. Por serem de fácil execução são o tipo mais comum de barragem, principalmente porque sua construção envolve o uso dos materiais das escavações da própria barragem e o uso de outros disponíveis no local. Para grandes volumes de terra é necessário um local de empréstimo. (USBR, 1987) As barragens de terra são aquelas em que toda ou quase toda a seção transversal está construída por um mesmo material. Tem base larga para distribuir o peso e aumentar a seção de percolação. Podem ter seção homogênea ou zonada, dependendo da disponibilidade de materiais de construção nas proximidades do barramento. Nas barragens zonadas há um núcleo de material impermeável e duas zonas externas, em geralmente construídas com materiais mais permeáveis e mais resistentes aos deslizamentos. Há sempre uma proteção com blocos de rocha no talude de montante, conhecido como enrocamento, contra as ondas provocadas pelos ventos na área do reservatório, conforme figura 4. (FURNAS, 1993) Para controlar o fluxo de água que atravessa a seção transversal constrói-se um filtro vertical ou inclinado que intercepta essas linhas de fluxo. Conectado ao filtro vertical há um filtro horizontal, normalmente todo apoiado na fundação, que também capta as infiltrações nesta, encaminhando a água para um dreno localizado no “pé” da barragem. (FURNAS, 1993) Figura 4: Seção típica barragem de terra/dreno Fonte: FURNAS, 1993 18 As barragens de terra são as mais elementares obras de barragens e normalmente se prestam para qualquer tipo de fundação, desde a rocha compacta, até terrenos construídos de materiais inconsolidados. A fundação da barragem, no caso de ser constituída por materiais permeáveis, ou seja, materiais passíveis de permitir a circulação da água, deve ser tratada de forma a que sejam melhoradas as suas características, de forma a que possa cumprir as funções que dela se pretendem, que são as de suportar as cargas transmitidas pelo aterro e de diminuir a percolação da água de montante para jusante. (MARANGON, 2004) Para isso, são estudadas soluções que vão desde a utilização de cortinas de contenção e impermeabilização no prolongamento do eixo longitudinal da barragem ou tapetes filtrantes entre a fundação e a base de assentamento do corpo da barragem. Esses últimos, aliás, são seu campo típico de aplicação. Existe uma certa variabilidade no tipo de barragem de terra, dentre estes poderá ser homogêneo ou zonado. (MARANGON, 2004) I. Homogêneo – É aquele composto de uma única espécie de material, excluindo-se a proteção dos taludes, executadas com solo compactado. Apesar da denominação, a seção destas barragens não são executadas com a utilização exclusiva de um único material: podem ser executadas também com o emprego de solos compactados com diferentes características. Possuem na realidade o solo compactado predominante, pois além de maciço a seção possui também filtro drenante e proteção de taludes de montante e jusante. Nesse caso, o material necessita ser suficientemente impermeável, para formar uma barreira adequada contra a água, e os taludes precisam ser relativamente suaves, para uma estabilidade adequada. (MARANGON, 2004) II. Zoneada – Esse tipo é representado por um núcleo central impermeável, envolvido por zonas de materiais consideravelmente mais permeáveis, zonas essas que suportam e protegem o núcleo. A escolha destaseção se dá em função da otimização dos materiais disponíveis na região. Barragens zoneadas devem sempre conter um núcleo impermeável para se garantir a estanqueidade do barramento. As zonas permeáveis consistem de areia, cascalho ou fragmentos de rocha, ou uma mistura desses materiais. (MARANGON, 2004) 19 2.1.5 Barragem de Concreto Estas barragens podem ser construídas com concreto armado ou com concreto rolado, As barragens construídas em concreto armado utilizam formas, armação e lançamento de concreto semelhantes à construção de outras estruturas civis tais como pontes e outras. O uso do concreto na construção de barragens iniciou-se no final do século XIX, motivado pela garantia de maior durabilidade oferecida pelo material. O sistema é empregado tanto nas estruturas do circuito de geração quanto nos vertedouros. O concreto daquela época tinha tecnologia pouco desenvolvida e as estruturas eram construídas quase artesanalmente. (COMUNIDADE DA CONSTRUÇÃO, 2007) Estas barragens são apropriadas para os locais onde ocorre uma fundação em rocha, podendo ser retas ou curvadas. Os reservatórios curvos oferecem mais vantagens com relação ao custo e a segurança. Ocasionalmente a curvatura da barragem permite localizar parte do reservatório em uma fundação mais forte, que requer menos escavação. Barramentos em concreto também são utilizados como vertedouro para barragens de terra e enrocamento. (USBR, 1987) Segundo Gusmão Filho (2006), as barragens de concreto podem ser divididas em dois tipos de acordo com a sua estrutura. O primeiro tipo, a barragem de gravidade, que apresenta seção levemente trapezoidal (Figuras 5). Seu eixo pode ser uma linha reta ou ter uma pequena curva em direção a montante, este tipo de barragem depende das condições topográficas. O segundo tipo são as barragens de contrafortes que são compostas de uma placa de concreto armado, como contrafortes em direção a jusante que descarregam a carga recebida pela placa às fundações (Figuras 6), com tensões elevadas, esta apresenta o tipo de estrutura com maior resistência geralmente indicada para locais onde a histórico de atividades sísmicas 20 2.1.6 Barragens de Concreto – Gravidade É o tipo de barragem de menor custo de manutenção, são empregadas quando se dispõe de fundação competente e espaço restrito. Este tipo pode ser adaptado para todos os locais, mas a sua altura é limitada pela resistência das fundações. O princípio das barragens de concreto de gravidade é transferir as pressões de água para o assoalho da fundação por ser considerado um corpo maciço toda ela trabalha transferindo as cargas do barramento de montante. Quando são constituídas de material de aluvião incoerente, a altura dessas barragens tem sido limitada a 20 m. No caso da fundação ser de rocha sã, porém situada a considerável profundidade da superfície do terreno, é mais adequado e econômico construir-se uma barragem de terra, porque a mesma não necessita repousar sobre fundação em rocha e assim evita-se uma quantidade de escavação. (MARANGON, 2004) Figura 5: Seção típica de barragem de gravidade. Fonte: MARANGON, 2004. 21 2.1.7 Barragem de Contraforte As barragens de contraforte de concreto são constituídas de cobertura plana e múltiplas estruturas em arco. Estes tipos de barragem requerem aproximadamente 60% a menos de concreto que uma barragem de concreto, mas, por outro lado, ocorre um aumento na mão de obra e um reforço em sua armação. Nos Estados Unidos, várias represas de contraforte foram construídas nos 1930, quando a relação entre os custos de mão de obra e material era comparativamente menor. O custo deste tipo de construção normalmente não é competitivo com o custo de outros tipos de reservatório quando custos de mão de obra forem altos. Os blocos de contraforte são elementos estruturais concebidos para que a estabilidade seja garantida mais por sua forma geométrica do que pelo seu peso. A figura 6 mostra esta concepção estrutural aplicada na usina de Itaipu. (USBR, 1987) Figura 6: Seção típica da barragem de contra forte Fonte: Design of buttress dams 22 2.2 TOPOGRAFIA Os critérios para a escolha do local do barramento estão associados diretamente à concepção e aos objetivos do empreendimento as considerações topográficas incluem a configuração da superfície do local do lago, da área de reservatório e acessibilidade para o local e para materiais de construção. Segundo (USBR, 1987): Um fluxo estreito que flui entre paredes altas, rochosas indicaria naturalmente uma barragem de enrocamento ou de concreto. Por outro lado, terrenos com planícies indicariam uma barragem de terra. Condições intermediárias poderiam indicar outras escolhas, como uma estrutura mista. A topografia é a principal ferramenta para escolha do tipo de barragem é a partir dela que o projeto da estrutura ganha forma, podendo ser feito uma modelagem dos valores de vazão média, desnível topográfico (maior altura de queda), interferência no meio ambiente (remanejamento de infraestrutura e ou população). Figura 7: Modelagem Inicial de uma Barragem Fonte: AVANT GEOTECNOLOGIAS E ENGENHARIA MINERAL, 2009 23 2.3 PROSPECÇÕES GEOLÓGICAS Sob o ponto de vista geotécnico, além dos estudos, investigações e ensaios de rotina, é necessário ter clara a geologia estrutural da área para que possa ser dimensionada uma estrutura que resista aos esforços que estará submetida, porque, em princípio, todo local para construção de uma barragem é geologicamente conturbado. A descoberta de uma falha geológica na fase do projeto executivo necessita de soluções e tratamentos de fundações não previstos na fase de projeto básico, necessitando de um engenheiro experiente. (CRUZ, 1996) É recomendável que, além das tradicionais sondagens a percussão e rotativas, sejam abertos trincheiras exploratórias, poços e galerias, para esclarecer aspectos geológicos não detectados claramente pelos procedimentos usuais, tais explorações não são usualmente executadas sendo somente ao final da execução percebidos as diferentes camadas geológicas o que muitas vezes vem a ser problemático tendo que ser alterado o projeto básico. (CRUZ, 1996) Um caso a ser citado é o da Barragem de Itaipu. Por razões de cronograma, as investigações das feições desfavoráveis da fundação foram procedidas apenas na margem direita. Os poços e galerias na margem esquerda puderam ser executados somente quando a obra já estava em fase adiantada de construção, registrando-se feições desfavoráveis na fundação, que exigiram a execução somente quando a obra já estava em fase adiantada de construção, registrando-se feições desfavoráveis na fundação, que exigiram a execução de um complexo sistema de chavetas. (CRUZ, 1996) Um estudo hidrogeológico das fundações é de primordial importância, mesmo na fase de projeto básico, porque permite antecipar os tratamentos de fundação. As feições permeáveis da fundação e a sua interligação com o futuro reservatório da barragem precisam ser bem identificadas. (CRUZ, 1996) Para a concepção de um sistema de barragem devesse evitar locais sujeitos a potenciais desmoronamentos ou que tenham tido quedas de barreiras recentes não oferecem boas condições de suporte das obras e os locais que vêm sofrendo desmatamentos intensos ou onde a vegetação é muito rara ou inexistente, associados a encostas íngremes, podem sofrer, na época de chuvas intensas ou prolongadas, um processo erosivo acentuado do terreno natural. O reservatório formado pela barragem pode ficar, assim, sujeito a grande deposição de material em pouco tempo, o que não é 24 conveniente. Na escolha de um local para implantação das obras deve-se sempre procurar umapoio firme para suas fundações. Sempre que possível, deve-se analisar muito bem zonas onde existam bancos de areia ou cascalho, pois eles são muito permeáveis, podendo ocasionar fugas excessivas de água pela fundação. No local da barragem, rochas que mostrem fraturas abertas no sentido do rio podem também trazer problemas de fuga de água. (ELETROBRÁS, 1985) As ocorrências de turfa ou argila preta orgânica, por serem muito pouco resistentes e muito compressíveis, devem ser perfeitamente identificadas e delimitadas para serem analisadas em projeto. Os solos destes terrenos não servem nem para fundação e nem como material de construção (ELETROBRÁS, 1985) 2.3.1 Investigações em Fundações FURNAS (1993), afirma que as investigações geológico-geotécnicas em fundações têm por objetivo conhecer suas propriedades geomecânicas e hidrogeotécnica, e indicarão os tipos de tratamento a serem executados, além de subsidiar o projeto de escavação. As investigações podem ser executados por métodos diretos e indiretos. Segundo (FURNAS, 1993), Os métodos diretos mais comuns utilizados são os seguintes: I. Abertura de poços e trincheiras: permite a avaliação in situ das camadas de materiais atravessados, com facilidades para extração de amostras indeformadas, além do exame táctil visual das paredes que possibilita a identificação in loco das camadas. II. Sondagens à Percussão: fornece através da cravação de um barrilete amostrador o índice de resistência à penetração que indica o estado de compacidade ou consistência das camadas de solos atravessadas, a posição do nível d’água, além de permitir a classificação posteriormente em laboratórios das camadas rochosas. III. Sondagens Rotativas: executadas simultaneamente com ensaios de perda d’água possibilitarão a definição do modelo hidro geotécnico. Com a extração de testemunho permite-se identificar o tipo de rocha e determinar seu grau de sanidade (resistência típica do material), coerência e fraturamento. Dos testemunhos podem-se confeccionar corpos de prova para submetê-los a ensaios de determinação da resistência mecânica e deformabilidade. 25 2.4 CASOS HISTÓRICOS E ESTATÍSTICAS DE RUPTURA DE BARRAGENS Hoje em dia existem diversos sistemas de avaliação computacional com enfoque dado a projetos e construção de barragens de terra e enrocamento que antigamente não eram levados em considerações, informações de eventuais problemas e suas respectivas causas em obras similares eram tratados com base na experiência do engenheiro. Entretanto, com a crescente experiência dos engenheiros e com problemas ocorridos durante e após a conclusão dessas obras, passou-se a valorizar a etapa de projeto e estudos de retroanálise, desenvolvendo padrões e formulações empíricas. Algumas das maiores cheias ocorridas na história resultaram da ruptura de barragens. Tanto barragens construídas quanto naturais falharam com a consequente perda de milhares de vidas e milhões de dólares em propriedades. Durante os últimos 100 anos, houve 200 falhas significativas em barragens construídas, resultando na morte de mais de 11.100 pessoas (FERREIRA, 2015) Diante das inúmeras crises com acidentes de barragens foi desenvolvida uma análise por (FERREIRA; ANDRZEJEWSKI, 2015): As três principais causas de ruptura foram galgamento (vertedouro inadequado), problemas na fundação e piping o grande problema é que estes fatos são imperceptíveis durante a execução, pois somente quando ocorre a cheia no barramento de montante que os problemas estruturais aparecem. A Figura 8 apresenta o percentual de ocorrência de ruptura conforme a causa. 26 Figura 8: Percentual de rupturas em barragens grandes Fonte: FERREIRA, 2015 Tendo em vista que o projeto do maciço compactado de uma barragem é principalmente controlado pelas características dos materiais de construção disponíveis, pela natureza das fundações, pelos métodos construtivos especificados e pelo grau de controle. Observa-se que em barragens de terra e enrocamento, casos de piping e galgamento respondem pelo maior número dos casos de ruptura sendo assim as barragens de terra estão mais sujeitas a sofrerem os processos erosivos. Para os engenheiros (FERREIRA; ANDRZEJEWSKI, 2015) que apresentaram uma estatística de barragens com mais de 15 m que ruíram. As três principais causas de ruptura foram galgamento (vertedouro inadequado), problemas na fundação e piping. A Figura 9 apresenta o percentual de ocorrência de ruptura conforme a causa. Figura 9: Percentual de rupturas por tipo de barragem Fonte: FERREIRA, 2015 27 Vale ressaltar as falhas na fundação, estas ocorrem no início da operação da barragem momento em que ela e submetida as forças derivadas de ondas de cheia e recalque de fundação, enquanto outras causas levam algum tempo para se manifestar, como o piping e galgamento. Um grande percentual ocorre durante o primeiro enchimento (cota de barramento máxima), momento em que erros na execução do projeto, ou defeitos latentes do sítio por falta de análise das camadas de solo aparecem. Para tal conhecimento do solo, é necessário que sejam analisadas três parâmetros fundamentais numa área onde se pretende implantar uma barragem: Mapeamento geológico da área, Estudo da rocha de fundação e Estudo dos materiais de construção.(MARANGON, 2007) Diversas são as causas que podem levar à ruptura de uma barragem podendo um acidente ocorrer devido a um fator isolado ou a um com junto de factores combinados. Johnson & Illes (1976) apresentam uma descrição dos vários tipos de ruptura, relacionando cada tipo de barragem com a forma de ruptura mais comum. Também Singh (1996) apresenta um resumo com as causas de ruptura ligadas a cada um dos tipos de barragens. Apresenta-se um quadro resumo, Tabela 1, elaborado com base em ambas as referências. Tabela 1: Tipo de barragem e rupturas comuns. Tipo de Barragem Tipo de ruptura Aterro Galgamento Erosão interna Escorregamento da fundação Concreto Falha na fundação da barragem Erosão da fundação a jusante da barragem Fonte: Do Autor 28 2.5 LEGISLAÇÃO VIGENTE A legislação relativa às barragens de qualquer país, geralmente, leva em consideração o controle e a segurança de suas estruturas e ao planejamento de emergência em caso de uma possível ruptura que se orienta ao restabelecimento das operações. Conforme requisitos ABNT NBR ISO 22301:2013 – Parte 2 “Gestão de risco” com o objetivo tratar de ações imediatas a serem executadas em caso de situação de emergência e que sejam controladas no intervalo de poucas horas. 2.5.1 PAE – Plano de Ações Emergenciais O PAE é um documento elaborado com o objetivo de minimizar um desastre. Os prejuízos econômicos, ambientais e perda de vidas humanas, decorrentes de eventos induzidos por acidentes de barragens, são os principais motivos pelos quais a sociedade tem desenvolvido sistemas e métodos de prevenção com o objetivo de controlar e mitigar os danos provocados. A legislação brasileira, no tocante ao conteúdo do PAE, está em sintonia com os parâmetros internacionais sobre o assunto, exigindo uma série de estratégias, ações e procedimentos, baseados em estudos de cenários, que minimizem ou neutralizem os impactos gerados pelo rompimento de uma barragem. O PAE é um plano que descreve as ações a serem tomadas pelo proprietário e pelo operador da barragem, no caso de um evento de emergência, devendo-se delegar a indivíduos as responsabilidades para cada ação a ser tomada. A elaboração do PAE para barragens tem como objetivo a consolidação dos procedimentos para o gerenciamento do risco e as respostas a situações de emergência. As exigências de um plano que apresente elementos claros de planejamento, coordenação e responsabilidades em face das contingências de um desastre tambémcompõem o repertório normativo de diversos países desde, pelo menos, os anos 1990 (COLLISCHONN; TUCCI, 1997). Como são vários os órgãos de fiscalização, é comum que haja incidência de mais de uma portaria ou regulamentação sobre a mesma barragem assim como o planejamento e a execução das ações de emergência e resgate, geralmente, são organizados e conduzidos por agências de defesa civil. Entretanto, para o ICOLD, os responsáveis pelas barragens deverão disponibilizar serviços e informações para que as agências de defesa civil possam preparar o plano de resgate, como também adotar todas as ações possíveis para evitar e minimizar os impactos de um evento de ruptura de barragem (ICOLD, 1998). 29 O plano deve estabelecer as ações a serem executadas em caso de situação de emergência, incluindo procedimentos preventivos e corretivos, além dos meios de divulgação e alerta às comunidades potencialmente atingidas (BRASIL, 2010, at. 12; 2013, art. 3o). Viseu e Almeida (2000) recomendam que um PAE seja organizado em duas partes: a primeira deve abordar a caracterização da barragem, do vale a jusante e da cheia de ruptura, mapas de inundação e identificação dos aspectos mais vulneráveis do vale a jusante; e a segunda deve caracterizar os procedimentos a seguir em caso de acidente. São designadas “situações de emergência” aquelas que, resultado de eventos adversos, possam afetar a segurança da barragem e causar danos à sua integridade estrutural e operacional, à preservação da vida, da saúde, da propriedade e do meio ambiente. Segundo Maijala (2001), o período do tempo entre a ruptura da barragem e a notificação da ruptura e o começo da operação de resgate é o fator mais importante que afeta o aviso, a evacuação e o resgate da população a jusante. Os casos históricos de ruptura mostram que, antes das barragens romperem, elas quase sempre fornecem sinais de que algo está errado, permitindo que um sistema de aviso e alerta possa desempenhar um papel importante na administração dos riscos a jusante da barragem (VISEU e RAMOS, 1999). Viseu (2006) define o tempo de responsabilidade, onde considera que o trecho que é atingido pela onda de ruptura, com o tempo de chegada de até 30 minutos é considerado a área crítica, e o plano é de responsabilidade do proprietário da barragem. Já no restante do trecho, a responsabilidade é da Defesa Civil. Segundo Monte-Mor (2004), os sinais de avisos públicos são melhores adaptados para as áreas urbanas, considerando que o alarme pode ser dado rapidamente e uma grande população poderá será alcançada. Contudo, os dispositivos auxiliares do sistema de alerta (como telefones, carros de som, fax e rádio) podem ser utilizados para confirmar o aviso dado e advertir a população que se encontra em lugares fechados ou isolados. O problema dos sinais de avisos públicos é o fator de credibilidade, sendo que esse dependerá da confiança que os destinatários conferem ao sistema, sendo função da percepção de que o mesmo funcionará quando deve e não ocasionará, em geral, falsos alarmes (MAIJALA, 2001) 30 Segundo Maijala (2001) uma das partes essenciais de um PAE é o momento no qual a população entra em ação quando recebe o aviso de emergência. Dessa forma, as autoridades de resgate e a Defesa Civil devem convencer a população do perigo e aconselhá-las a agir de acordo com as orientações preestabelecidas no PAE, por meio da elaboração dos mapas das áreas potencialmente inundáveis, cuja execução baseia-se na previsão e cálculo de cotas máximas inundadas, velocidades e descargas máximas resultantes da ruptura hipotética da barragem em questão, para inúmeras seções transversais consideradas no vale a jusante. 2.6 MAPEAMENTO DE ÁREAS DE RISCO Conforme Enomoto (2004), o mapeamento de áreas de risco de inundação é uma ferramenta auxiliar muito poderosa no controle e prevenção de inundações. Estes mapas deveriam ser a base para todos os programas de redução de danos, pois frequentemente têm uma importância legal em termos de zoneamento e outras medidas não estruturais (FRIESECKE, 2004). Um dos pontos positivos dos mapas de risco, conforme Andjelkovic (2001), é que, tendo por base os mesmos, pode-se iniciar a construção de estruturas que previnam os danos, alertar atuais e futuros proprietários de terras sujeitas às inundações, bem como auxiliar as autoridades e tomadores de decisões a desenvolver novas ideias de desenvolvimento sustentável para estas áreas. Marcelino et al. (2006) argumentam que um dos instrumentos de análise de risco mais eficiente é o mapeamento de áreas de risco. A partir deste mapa é possível elaborar medidas preventivas, planificar as situações de emergência e estabelecer ações conjuntas entre a comunidade e o poder público, com o intuito de promover a defesa permanente contra os desastres naturais. Shidawara (1999) argumenta que os mapas de risco possuem um grande papel no sistema de prevenção de inundação, pois em municípios pequenos e com poucos recursos econômicos torna-se muito difícil a implantação de sistemas mais sofisticados, como monitoramento e sistemas de alerta. 2.7 MAPAS DE INUNDAÇÃO Mapas de inundação são a caracterização hidrodinâmica das ondas de inundação para os cenários de acidente considerados, incluindo o cenário de colapso da 31 barragem e, sempre que se justifique, cenários de descargas em fase de exploração, com delimitação da zona de autodefesa e dos limites administrativos dos distritos e municípios e ainda, eventualmente, dos bairros. Para Kobiyama et al. (2006), os mapas de risco visam suprir uma das maiores deficiências relacionadas aos desastres naturais no Brasil, que é a ausência de sistemas de alertas, uma das ferramentas fundamentais para a prevenção de desastres naturais, especialmente os súbitos. Apesar do não detalhamento preciso pela Lei nº 12.334 de 20 de setembro de 2010 do conteúdo necessário para a elaboração do PAE, o Manual de Segurança e Inspeção de Barragens, desenvolvido por Ministério da Integração Nacional (2002), fornece um exemplo prático de formato para a elaboração de um PAE, contendo atribuição de responsabilidades para as ações, tipos de ruptura e situações de emergência, ações preventivas e organização de recursos e suprimentos de emergência. Tratando-se dos mapas de inundação, o Ministério da Integração Nacional – 2002 os considera necessários para as autoridades locais desenvolverem um adequado plano de evacuação, e demonstra informações que devem ser respondidas com a interpretação dos mapas elaborados. Caso ocorra a ruptura de uma barragem, a onda de cheia gerada a jusante pode ser estimada por meio de equações empíricas. Embora envolva um determinado grau de incerteza, os resultados apresentados podem auxiliar na estimativa do nível máximo da enchente e têm-se demonstrado coerentes quando comparados aos dos modelos mais complexos. (GRAHAM, 1999) 32 2.8 EXEMPLOS DE FORMAÇÃO DO PIPING O processo de piping é a erosão do solo, no qual se inicia no talude de jusante, no ponto de saída do fluxo percolado, e progride para montante, formando um tubo causando o alargamento da seção da barragem deste caminho dando início a brecha, ver Figura 10. Figura 10: Vista esquemática do processo de piping. Fonte: Goodarzi, 2010 No caso da falha por piping, o tubo inicial é especificado como uma conduta retangular ou trapezoidal em uma elevação de partida e a altura e largura da conduta aumentam até a brecha se transformar em um canal aberto. Posteriormente, a largura do fundo e a elevação do fundo continuam a mudar devido ao rigoroso processo de erosão até que a configuração da brecha final seja obtida, ver Figura 11. Figura 11: Alargamento da seção com passar do tempo. Fonte: Piping Failures of Landslide Dams,report published in April 2017. 33 Quando a superfície de enrocamento colapsa e o fluxo se torna descontrolado, esse é o início da formação da ruptura. A partir desse momento, a taxa de aumento de fluxo é muito grande, uma vez que a entrada para a seção de controle hidráulico é agora um canal aberto em vez de um orifício. A plasticidade é o fator determinante na formação do piping. A formação da brecha é mais provável de ocorrer em solos sem coesão do que em solos coesivos ou plásticos. A ligação entre partículas do solo argiloso funcionando como uma camada impermeabilizante evitando a formação do tubo e por consequencial a erosão do solo. Com tudo ainda será possível ocorrer formação tubular pela fundação. Este fato ocorre devido geologia da fundação, quando o solo é do tipo aluvial ou composto de rochas, pois apresenta os maiores percentuais de vazios facilitando a ligação do gradiente hidráulico à montante com o solo à jusante, ver Figura 12. Figura 12: Vista esquemática piping pela fundação. Fonte:Adaptado, Fread, 1991. 34 2.9 COMPLEXIDADE E IMPRECISÃO DAS ESTIMATIVAS DAS CARACTERÍSTICAS DO ROMPIMENTO Um aspecto encontrado na maioria dos textos sobre ruptura de barragens é assim apresentado por Cecilio e Strassburg (The Evaluation of Dam Safety, 1976): “A análise e os efeitos dos acidentes em barragens são complexos e as rupturas não são bem compreendidas. A maior incerteza recai sobre a causa, modo, grau e duração da ruptura. Outra incerteza envolve a propagação da onda de cheia e os limites da inundação a jusante da barragem. Precisão em uma das variáveis não torna as demais variáveis precisas. Embora vários casos de ruptura tenham sido documentados, muito poucos, ou nenhum, forneceram uma descrição exata da hidráulica da cheia de ruptura. Não há duas barragens com modos de ruptura iguais. Cada rompimento é único em algum aspecto”. Costa (1985) apresenta uma visão semelhante. Segundo ele, a estimativa das características do rompimento hipotético de uma barragem, a determinação da vazão de pico e a propagação dessa vazão para jusante permanecem uma arte imprecisa. A diversidade de tipos de barragens, de mecanismos de falhas, de sedimentos e morfologia do rio a jusante fazem com que os impactos no rio, erosões e deposições sejam meramente especulativos. Um ponto torna-se claro, entretanto: a habilidade para estimar a hidrologia, a hidráulica e a geomorfologia de todos os tipos de rompimentos de barragens está fundamentada em nosso conhecimento de eventos históricos e em medições e observações apropriadas. A análise da enchente devida a um rompimento envolve a compreensão dos processos físicos antes da aplicação de técnicas que aproximem esses processos físicos. Três processos distintos ocorrem: o processo de falha estrutural que causa a brecha, o processo de mobilização da água dentro do reservatório a montante e o processo de propagação e atenuação da onda a jusante (USACE, 1977). O tamanho, o formato e a taxa de desenvolvimento da brecha são primariamente responsáveis pela vazão de pico efluente do reservatório. Dos três processos mencionados no parágrafo anterior, o processo de falha estrutural, que define esses parâmetros, é o mais difícil de ser quantificado (USACE, 1977). Fontes de estudos de caso individuais de rompimento são numerosas todavia, muitos dos casos históricos aconteceram antes de se reconhecer a necessidade de 35 documentação completa das características e do processo de formação da brecha. Durante a década de 1980, diversos autores elaboraram estudos de caso bem documentados no intuito de prever parâmetros de brecha e vazão de pico. (FERREIRA; ANDRZEJEWSKI, 2015) Diferentes pesquisadores propuseram relações bem variadas para estimar esses parâmetros. A maior parte das equações foi baseada em cerca de 20 a 50 barragens rompidas, sendo a maioria delas relativamente pequenas. Dados de ruptura são raros para barragens com mais de 20 m de altura. Dados substanciais de fato existem para o rompimento de barragens entre 6 e 15 m de altura. (FERREIRA; ANDRZEJEWSKI, 2015) Portanto, a base de dados usada para desenvolver a maioria das equações de previsão de parâmetros de brecha contém um número desproporcionalmente pequeno de barragens altas e/ou grandes reservatórios, comparada à população de barragens de aterro à qual as equações estão sendo aplicadas (Wahl, 1998). Muita informação valiosa estaria disponível a partir de acidentes em barragens de aterro que ocorrem anualmente, mas as informações são normalmente perdidas, pois as autoridades locais têm outras necessidades prementes durante um acidente e não estão cientes dos dados mais úteis aos pesquisadores de ruptura de barragens. (FERREIRA; ANDRZEJEWSKI, 2015) 36 2.10 ESTIMATIVAS DOS PARÂMETROS DA BRECHA Alguns parâmetros definem a geometria da brecha assim como o tempo necessário para seu início e desenvolvimento. Três parâmetros geométricos são ilustrados de forma idealizada na Figura 13 e comentados a seguir. (FERREIRA; ANDRZEJEWSKI, 2015) Figura 13: Parâmetro geométricos de uma barragem Fonte : FERREIRA, 2015. I. Altura da brecha (ou profundidade da brecha) – É a extensão vertical da brecha, medida da crista da barragem até o ponto mais baixo da brecha (hb). Alguns autores usam a distância entre o nível de água do reservatório até o ponto mais baixo da brecha (hw). II. Largura da brecha – Estudos de caso tipicamente reportam a largura média da brecha (B) ou a largura no fundo e no topo. A largura final da brecha e sua taxa de expansão podem afetar muito a vazão de pico e os níveis de inundação a jusante. III. Declividade dos taludes laterais (z) – A definição precisa dessa declividade é de importância secundária em relação à altura e largura da brecha. Os parâmetros temporais de interesse são o tempo de início e o tempo de formação (ou desenvolvimento) da brecha. Na fase de início da brecha, a barragem ainda não rompeu e o vazamento pela barragem é pequeno; este pode consistir em um escoamento de poucos centímetros de altura sobre a crista da barragem ou através de um caminho preferencial dentro do maciço. Nesta fase pode ser possível impedir o rompimento se o galgamento ou o piping for interrompido. Na fase de desenvolvimento da brecha é improvável que o rompimento possa ser evitado.(FERREIRA; ANDRZEJEWSKI, 2015) Pesquisas iniciais foram focadas primariamente no tempo de formação da brecha, embora vários investigadores tenham reconhecido a existência de uma fase de início da 37 brecha através de suas definições do tempo de formação da brecha. A detecção do problema ainda na fase de início da brecha tem influência crítica na redução do número de perda de vidas. (FERREIRA; ANDRZEJEWSKI, 2015) Petrascheck e Sydler (1984) demonstraram a sensibilidade da vazão de pico, níveis de inundação e tempo de chegada da onda às mudanças na largura e tempo de formação da brecha. Para locais próximos da barragem, os dois parâmetros têm influência dramática. Para locais bem a jusante, o tempo de chegada da onda pode ser alterado significativamente por mudanças no tempo de formação da brecha, mas os valores da vazão de pico e níveis de inundação são insensíveis às mudanças nos parâmetros da brecha. Há numerosos métodos para prever os parâmetros de brecha que servem como dados de entrada para uma análise usando-se o software DAMBRK ou modelos similares. Três abordagens básicas podem ser identificadas. Análise comparativa de casos similares e o uso de equações empíricas baseadas em casos históricos são as duas abordagens mais simples. A terceira abordagem é o uso de um modelo de rompimento com embasamento físico, que usa princípios de hidráulica e transporte de sedimentos para simularo desenvolvimento da brecha. Essa abordagem é mais difícil, mas oferece resultados mais detalhados, como a previsão do tempo de início da brecha, as dimensões da brecha durante sua evolução assim como os parâmetros da brecha final. O modelo BREACH do National Weather Service (FREAD, 1988) é o modelo de base física mais usado (WAHL, 1998). Estudos de caso fornecem apenas informações limitadas (p. ex. Dimensões finais da brecha, vazão de pico, máxima profundidade de galgamento, tempo total para abertura da brecha ou esvaziamento do reservatório), baseadas em um banco de dados relativamente pequeno de rupturas, a maior parte de pequenas barragens. Estudos de caso são particularmente fracos para fazer previsões da fase de início da brecha, da taxa de evolução e do tempo total de ruptura. Isso se deve à dificuldade de definir o ponto exato da brecha e às variações de interpretação da ruptura pelo leigo que é geralmente a única testemunha ocular do acidente (WAHL, 1998). 38 2.10.1 Formulações Empíricas Costa (1985) e Wahl (1998) reuniram equações empíricas de diversos autores que estimam parâmetros de tempo de formação da brecha (Tf), vazão de pico (Qb) e largura media da seção (B) com base em estatísticas históricas de diversas barragens, entretanto devido a cada cenário de ruptura ser diferente um do outro existe uma grande variação de valores. Na Tabela 1 são apresentadas as equações mais relevantes. Onde: B = largura média da brecha (m) Cb= coeficiente empírico característico do material hb = altura da brecha (m) hd = altura da barragem (m) hw = altura de água acima do fundo da brecha (m) Ko= coeficiente empírico dependente do tipo de rompimento Qp= vazão de pico tf = tempo de formação da brecha (h) Vw = volume de água acima do fundo da brecha (m³) Ver = volume de material erodido (m³) = (McDonald e Langridge-Monopolis, 1984) Vout = volume de água descarregado através da brecha (m³) 39 0.0261 (Vout∗ hw )0.769 Figura 14: Formulações Empíricas Costa (1985) e Wahl (1998) Fonte: FERREIRA, et al 2015. Vários pesquisadores tentaram relacionar o tempo decorrido para a falha nos parâmetros básicos geométricos, hidrológicos e hidráulicos, conforme discutido anteriormente neste trabalho. Algumas dessas relações previram o tempo de falha diretamente de parâmetros que podem ser estimados com precisão razoável antes de uma falha de barragem. Outras relações dependem do conhecimento da largura da quebra ou do volume de material erodido. Estes são parâmetros que podem ser determinados após uma violação, mas não podem ser estimados com grande certeza antes de uma violação. Essas relações podem ser menos úteis como medidas de prever o tempo de falha. 40 3. METODOLOGIA A metodologia deste trabalho foi realizada da seguinte maneira. I. Processo de análise; Na analise foram adotados os modelos empíricos e semi-empíricos de cálculo probabilístico para ruptura de barragem assim como apresentado uma fundamentação teórica para o processo de formação da brecha. A escolha do método determinístico, que fara parte do estudo de influência diretamente ao valor calculado para a probabilidade de ruptura da obra. II. Definição do local de estudos; Será Barragem de terra CGH (Central Geradora Hidrelétrica) Três Marias, Localizada no município de Vacarias-SC, coordenadas geográficas Latitude: 28°17'46.34“S Longitude: 50°51'13.87”O, ver Figura 12. III. Parâmetros hidráulicos e geométricos adotados; Para estudo da barragem utilizou-se o software AutoCad de modo a determinar os parâmetros geométrico e hidráulicos. IV. Realizar modelação através de software; As Análises de Percolação realizada por (GODOI), 2017. Foram desenvolvidas utilizando-se parâmetros de permeabilidade dos materiais obtidos em ensaios e parâmetros para materiais com características geotécnicas do maciço da barragem e com o auxílio de programa computacional, que tem como principal característica a utilização de elementos finitos para modelar o movimento d’água e a pressão exercida por ela. V. Analise da estrutura. Foi desenvolvida uma breve análise utilizando os projetos disponíveis e também o relatório de análise de percolação da barragem desenvolvido por (GODOI), 2017. Com objetivo verificar a segurança real da barragem estudada neste trabalho. 41 3.1 PROCESSO DE ANÁLISE. Para formação do estudo empírico de Froehlich (1987) ele desenvolveu equações de predição não dimensionais para estimar a largura da média da brecha , o fator de inclinação lateral médio e o tempo de formação de falhas. As previsões foram baseadas nas características da barragem, incluindo o volume do reservatório, a altura da água acima do fundo da brecha, a altura da brecha, a largura do aterro na crista da barragem e o fundo da brecha, e os coeficientes que representam as falhas de transbordamento e a presença ou ausência de um núcleo de argila. Froehlich também concluiu que, sendo todos os outros fatores iguais, as brechas causadas por transbordamento são mais amplas e corroem lateralmente a uma taxa mais rápida do que as brechas causadas por outros meios como o piping foco de estudo desde trabalho. Utilizando o embasamento empírico proposto por Froehlich desenvolveu-se uma planilha de cálculo com o auxílio da ferramenta EXCEL de forma a comparar os diferentes métodos propostos pelos autores. É importante ressaltar os fatores condicionantes ao piping e que podem ocasionar o surgimento de fendas ou aberturas em maciços de seção homogênea são a ausência de filtros verticais ou horizontais que tem papel fundamental abaixando a linha do gradiente hidráulico o que minimiza a ocorrência de piping, nível de compactação do solo que quando executado corretamente tem efeito ligado a diminuição da percolação da água através do maciço, assim como granulometria e tipo de solo em análise. Esses fatores que minimizarão a ocorrência da erosão interna não estão sendo considerados nos cálculos de formação de brecha, com o intuito de se desenvolver uma brecha para posterior análise, esta então por não conter os requisitos mínimos de segurança e ou coeficientes característicos do solo ira ocasionar o pior cenário para a barragem de estudo. É importante que seja desenvolvido este tipo de análise pois com os resultados poderá ser gerado um plano de emergência PAE caso ocorra um sinistro para o pior caso de ruptura. 42 3.2 DEFINIÇÃO DO LOCAL DE ESTUDOS. Será Barragem de terra CGH (Central geradora Hidrelétrica) Três Marias, Localizada no município de Vacarias-SC, com filtro vertical e tapete horizontal constituídos por areia, além de rip rap e proteções em enrocamento, conforme seções típicas apresentadas na Figura 19. Coordenadas geográficas Latitude: 28°17'46.34“S Longitude: 50°51'13.87”O, ver Figura 15. (GODOI, 2017) Figura 15: Localização geográfica da barragem. Fonte: Google earth. O arranjo geral da barragem pode ser visto na Figura 16. Figura 16: Arranjo geral da barragem. Fonte: Projetos CGH Três Marias. 43 3.2.1 BREVE DESCRIÇÃO DA GEOLOGIA LOCAL POR GODOI 2017 – NUMERO DO RELATÓRIO. Em relação à geologia local, basicamente, o sítio de implantação está inserido na sequência basalto, formação Serra Geral, período Cretáceo, abrangendo a fácie Paranapanema. A Fácie Paranapanema caracteriza-se pelo predomínio de basalto de textura granular fino a médio e mesocrático. Os solos que foram coletados e ensaiados são formados pela alteração das rochas da sequência vulcânica, tipicamente compostos por argila vermelha pouco siltosa, comuns para esse tipo de formação. (GODOI, 2017) O leito do rio no local do barramento é em corredeiras e por isso, não deve ocorrer depósito aluvionar. A margem direita se refere ao lado externo da curva do rio, inclinada e com cobertura de solo pouco desenvolvidaa nula. A margem esquerda se refere ao lado interno da curva do rio, onde também são observados perfis de solo pouco desenvolvido, predominantemente solos residuais, (ver Figura 17). (GODOI, 2017) Figura 17: Seção AA da barragem de estudo. Fonte: Projeto Básico CGH Três Marias 44 A Figura 18 ilustra o arranjo das estruturas da CGH Três Marias, alinhadas com o canal no rio Três marias. Figura 18: Planta de situação do reservatório Fonte: Projeto Básico CGH Três Marias 45 3.3 PARÂMETROS HIDRÁULICO E GEOMÉTRICOS ADOTADOS. Os parâmetros geométricos e hidráulicos, utilizados nos cálculos, são dimensões características da seção geométrica determinada com o projeto Geotécnico da barragem de terra em Três Marias ver Figura 19. Figura 19: Seção transversal da Barragem de estudo Fonte: Projeto Básico CGH Três Marias A Tabela 2 resume informações das principais dimensões da Seção em estudo da Barragem CGH Três Marias usadas nos cálculos de brecha. Tabela 2: Parâmetros geométricos da barragem Características Valor [m] Largura media da Brecha 45,00 Altura máxima da barragem de Terra 23,75 Altura de água acima do fundo da Brecha 21,75 Altura máxima 19,00 Fonte: do Autor 46 3.4 REALIZAR MODELAÇÃO ATRAVÉS DO SOFTWARE. Após a determinação das linhas freáticas, e consequentemente da porção saturada da seção do barramento estudado, procedeu-se às análises de estabilidades dos taludes, Realizou-se a modelagem da Barragem, com auxílio do software de elementos finitos Phase 2 da Rocscience. Na sequência estão apresentados os principais casos de análise de percolação referente à Seção A, seção de maior altura da Barragem. Figura 20 : Poropressões e as seções com vazão específica. Fonte: GODOI, 2017. Quando o fluxo de água ocorre sempre na mesma direção, como no caso dos permeâmetros diz-se que o fluxo é unidimensional, nestas situações a percolação da água pode ser calculada por meio da utilização de gráficos denominados redes de fluxo Figura 20, cujo conceito define a condição de percolação em regime permanente. Com os resultados obtidos, o valor de vazão específica proveniente da fundação pelo NA Max é de 5,59E-5m³/s/m (somatório dos valores obtidos pela fundação), o qual resulta em 3,36l/min/m.(GODOI, 2017) Para a situação de NA Normal, o valor de vazão específica proveniente da fundação é de 5,59E-5m³/s/m (somatório dos valores obtidos pela fundação), o qual resulta em 3,10l/min/m. Ou seja, tendo em vista as características geológico-geotécnicas dos materiais de fundação e do corpo da Barragem, esses valores são coerentes. (GODOI, 2017) “A compreensão adequada dos mecanismos de fluxo em meios porosos contínuos representa um dos campos mais apaixonantes e inesgotáveis da Geotecnia, para que ocorra movimento de água entre dois pontos (A e B) de um meio poroso, é necessário que haja, entre eles, uma diferença de carga total (ΔH=HA-HB). De acordo com a equação de Bernoulli, a carga total em um ponto na água em movimento pode ser dada pela soma das cargas piezométrica, cinética e altimétrica.” (CRUZ, 2004). 47 Os gradientes hidráulicos obtidos nesta seção foram coerentes, sendo que os maiores concentram-se no contato entre solo compactado e filtro, conforme se observa na Figura 21. Na saída do talude de jusante, os gradientes hidráulicos são mínimos, ou seja, considerando os materiais propostos e a adequada execução das obras de acordo com os critérios propostos, não ocorrerão elevados gradientes de saída, comportamento considerado satisfatório.(GODOI, 2017) “[...] O coeficiente de permeabilidade mede a resistência “viscosa” que o solo impõe ao fluxo da água os coeficientes de permeabilidade são tão menores quanto menores os vazios nos solos e, consequentemente, quanto menores as partículas. (MASSAD, 2003). Figura 21: Gradientes hidráulicos da seção A. Fonte: GODOI, 2017. O modelo hidrogeotécnico dos maciços é a base fundamental para a elaboração de qualquer análise de percolação. O critério de projeto da Eletrobrás (2003), estabelece que a definição de gradientes, pressões neutras e vazões poderá ser obtida pelo traçado de redes de fluxo, através de soluções analíticas bem como através de soluções numéricas obtidas pelo método de elementos finitos, além de outras técnicas como diferenças finitas e modelagem analógica. As análises de percolação têm por objetivo prever a distribuição de pressões e o valor das vazões no maciço, nas fundações e demais áreas de interesse, de modo a fornecer subsídios para estudos de estabilidade, para dimensionamento dos dispositivos de drenagem interna e para seleção e dimensionamento dos sistemas de impermeabilização e drenagem da fundação. 48 3.5 ANÁLISE DA ESTRUTURA A estrutura da barragem esta assentada sobre rocha sã e é composta por um maciço compactado de solo saprolítico de cascalho (SC), Enrocamento Graúdo (EP), Enrocamento Fino (T) em sua face de jusante existe um cobrimento vegetal e ainda em seu interior existe a presença de filtro vertical e horizontal. O local de implantação do empreendimento caracteriza-se como um local bem ajustado à concepção de barragem de terra em termos de disponibilidade de materiais adequados e em quantidades suficientes, ver detalhes das margem esquerda e direita respectivamente nas Figuras 22 e 23. Figura 22: Margem esquerda ou montante da barragem. Fonte: Projeto CGH Três Marias O trecho de barragem de enrocamento é apoiado em fundação em rocha na qual foram realizadas prospecções dando maior estabilidade para o enrocamento sobre o maciço rochoso. Em relação a parte apoiada na face da barragem foi projetado um sistema de transição no enrocamento do tipo rip-rap, que é uma proteção de talude constituído de enrocamentos de diâmetro adequado, espalhados na face do talude numa camada de espessura determinada em projeto, de modo a obter uma superfície estável, com objetivo de diminuir a erosão superficial de grãos finos. 49 Figura 23: Margem direita ou jusante da barragem Fonte: Projeto CGH Três Marias A engenharia não conseguiu ainda desenvolver uma técnica que cofira total segurança às barragens. Então devemos considerar que não e possível evitar que a água percorra o interior dos aterros compactados e alcance o talude de jusante, para resolver esta problemática foi desenvolvido sistemas de filtro vertical e horizontal no interior da barragem. O objetivo do filtro vertical e horizontal tem com função criar um ponto de “ruptura” conhecida. Como mencionado anteriormente diante do estudo de barragens pode-se determinar que sempre existirá um ponto de percolação na face de jusante ou mesmo na fundação. O filtro, então, disciplina a vazão, forçando o fluxo para uma direção determinada, obtendo-se com isso maior controle sobre as poropressões desenvolvidas, evitando-se a remoção de partículas sólidas proveniente do fluxo de água através do material do aterro, exercendo a função de dreno, disciplinando a água interceptada e a conduzindo para fora do aterro, podendo assim ser medida e analisada. A execução destes filtros deve ser cuidadosa, tanto que é necessário que os vazios nas partículas que os compõem sejam pequenos para que o solo não migre através deles, ocasionando seu entupimento e levando a outros problemas estruturais. 50 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO. Com base nos dados geométricos da seção de estudo da barragem foi possível estimar os parâmetros de ruptura usando a ferramenta EXCEL junto com as formulações empíricas dispostas por Costa (1985) e Wahl (1998) como segue detalhado, ver procedimento de calculo na Figura 24. Tabela 3: Calculo no execel da formação de brecha Fonte: do autor, 2017. Inicialmente, elaborou-se planilhas em Excel, Na figura 15 está apresentada os parâmetros de entrada para cálculo da vazão de pico, tempo de formação da brechae volume de material erodido. Destacado em verde, estão os valores calculados, enquanto que no destaque em amarelo, estão os dados de entrada que representam a geometria da barragem. A largura da brecha foi obtida através da média da largura entre a crista e a fundação da barragem (ver seção apresentada na Figura 19) como a nível máximo de água acima da fundação. O coeficiente empírico característico do material foi obtido 51 através das formulações de Froehlich que é determinado pelo tipo de rompimento estudado. Para determinar a variável de volume de água acima do fundo da brecha foi estimado o volume de água do reservatório utilizando a planta topo-altimétrica em escala de 1/1500 representada na Figura 18. Determinando-se assim a área aproximada de superfície do reservatório em 10.000 m² e utilizando a altura de água acima do fundo da brecha, foi calculado o volume de água do reservatório. Embora não sejá um valor exato do volume da barragem, esses cálculos aproximados são suficientes para a análise aqui pretendida. Tendo os valores geométricos da barragem foi feita uma breve comparação entre diferentes autores para os parâmetros de Largura Média da Brecha, Tempo de Formação e Vazão de pico. Estas equações são de formulações empíricas e foram desenvolvidas através do estudo de ruptura de uma série de barragens sendo que segundo os autores não existe um padrão de ruptura, ou seja, cada evento tem seu próprio fator determinante. Os mais comuns estão apresentados na Tabela 1. Tabela 4: Equações empíricas para dimensionamento da brecha Fonte: do autor, 2017. Analisando percebe-se que Froehlich foi o único a trazer as três variáveis para estudar um possível caso de ruptura. 52 Tempo de formação: O início do processo de piping se da quando a água começa a escoar no barramento de jusante, não necessariamente causando processo erosivo. Estágio em que ainda é possível intervir adotando medidas de contenção. O início da brecha se da quando a face da barragem se rompe pelo processo erosivo e então forma-se um tubo ligando à montante e à jusante agravando rigorosamente a erosão. Largura media: Após o início de formação ocorre um intensivo processo erosivo no corpo da barragem gerando uma brecha de seção trapezoidal. Vazão de pico: É a quantidade máxima de água que passará pela seção da brecha. Ao final da planilha temos um conjunto de informações que representam a magnitude do evento, analisando estas informações podemos estimar o volume de água que passara pela brecha e a quantidade de material erodido, como representado nas equações a seguir. Tendo em mente que estes resultados foram obtidos considerando um solo homogêneo sem filtro ou enrocamento na face da barragem tais fatores geram condições propicias à ruptura facilitando o estudo, segue equação utilizada adaptada de Froehlich para determinar o alargamento da brecha com decorrer do tempo de atividade. Para determinar a vazão de ira atravessar a brecha, são necessários quatro parâmetros. Esses parâmetros incluem a largura media da brecha, a área de água acima 53 da superfície do reservatório, o tempo de formação da brecha e a altura de água acima do fundo da brecha. Com estes parâmetros de análise e considerando as formulações de Froehlich calculadas na Figura 25 é possível estimar o volume de agua que a ruptura da barragem causará, alguns autores e órgãos responsáveis pela segurança de barragens determinaram faixas de tempo para início de ruptura para poder gerar um plano de ações emergenciais. O foco da análise deste trabalho e estimar a vazão que ira atravessar a brecha utilizando coeficientes ligados ao processo erosivos do piping, a formação do processo tubular ligando a montante com a jusante, processo este que gera erosão interna na estrutura. As causas mais comuns de ruptura de barragens são os efeitos de erosão causados por piping ou galgamento. O processo se inicia pela percolação de água entre as partículas do solo, causando o carregamento das mesmas e gerando a formação da brecha. Esta sofre um alargamento continuo da seção transversal até que a estrutura falhe e se rompa. Contudo durante o período de atividade a seção rompida continua a sofre intensa erosão, assim, considerando faixas de tempo determinadas por órgãos reguladores de segurança em barragem pode-se estimar uma vazão de pico pós ruptura, (ver a Tabela 3). Tabela 5: Faixas de tempo para formação de brecha Fonte: Harrington, 1999. 54 Aplicando os valores calculados com embasamento nas formulações de Froehlich, ver Figura 18. Foi possível determinar a vazão de pico de 15.134,58 m³/hr de água que passará pela brecha dentro de um período de atividade maior que 5 horas, utilizando o tempo de formação de brecha de 0,06 hora calculado na Figura 25 pela equação empírica determinada por Froehlich, considerando um tempo de formação de brecha superior de 0,19 hora e aplicando ao volume de agua acima do fundo da brecha foi obtido um valor mais conservador de 17.939,91 m³/hr. Tabela 6 : Valores de calculo do alargamento em função do tempo. Fonte: Adaptado, HARRINGTON, 1996. Fazendo a mesma análise de vazão de pico e utilizando o tempo de formação de brecha igual a 0,19 hora, determinado pelos órgãos reguladores de segurança em barragens e considerando a taxa de alargamento da seção deixando a largura media 113,75 m, obtemos o valor de 38.213,13 m³/hr de água para uma faixa de tempo maior que 5 horas. Ao final com o objetivo de simular a propagação da erosão na barragem foi elaborado um gráfico do alargamento da seção rompida e com base na linha de tendência e possível perceber que depois do evento da ruptura ocorrer ainda existe uma taxa de alargamento a ser estudada, fato importante considerando a onda de propagação e o volume de material erodido, ver Figura 26. 55 Figura 24: Gráfico representativo da vazão pelo tamanho da brecha Fonte: do Autor, 2017. 56 5. CONCLUSÕES E DISCUSSÕES Deve-se ressaltar que as variáveis presentes na formulações empíricas impostas por Froehlich foram desenvolvidas ,por ele, estudando e observando a ruptura de dezenas de barragem ate que representassem um parâmetro próximo do real. Assim para facilitar o estudo de uma possível ruptura neste trabalho foram adotadas as variáveis relacionadas ao processo de piping, criando um sistema com as formulações empíricas propostas. Ao final obteve-se os resultados de um eventual caso de ruptura, um total de 15.134,58 m³/hr de água que passará pela brecha dentro de um período de atividade, sendo que o tempo de formação da brecha de largura media 45m foi de 0,06 hr, a importância destes resultados se da na elaboração de Planos de Ações de Emergências (Lei 12.334/10) com base em mapas de inundação realistas, principalmente no que se refere ao tempo de formação da brecha e à vazão de pico defluente, para os casos de piping. Porém, dependendo da escolha do método de análise de ruptura de barragem disponível na literatura referenciada neste trabalho, podem-se estimar resultados bastante variados dadas as equações empíricas. A diferença entre os resultados causa variações importantes na quantificação dos danos potenciais a jusante, tendo que o plano de ações ser elaborado utilizando o pior cenario. O estudo do projeto da CGH Três Marias em conjunto com as análises de percolação e estabilidade permitiram avaliar a viabilidade geotécnica da construção da barragem. A metodologia adotada possibilitou dividir a pesquisa em fases distintas proporcionando um estudo metódico. A verificação dos materiais contra a erosão regressiva piping, realizada através dos critérios de filtro presente na barragem de estudo, indicam que a granulometria dos materiais utilizados na construção da barragem atendem as condições de contenção e fluxo da água. Em relação à geometria da barragem,