APLICAÇÃO DO MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS EM

O desenvolvimento de novas técnicas computacionais, associado ao desenvolvimento das aplicações do método dos elementos finitos à Engenharia Geotécnica, tem permitido que sejam implementadas análises de modelos cada vez mais complexos de forma rápida e barata. É nesse contexto que as análises de percolação via MEF em barragens de rejeito estão inseridas.

Diferentemente das barragens de terra convencionais, pioneiras na utilização desta técnica, as análises de percolação via MEF em barragens de rejeito, vem se desenvolvendo e consolidando ao longo dos últimos anos frente à necessidade de se estabelecer de forma cada vez mais fidedigna o comportamento do fluxo d’água no interior do maciço, já que o mesmo, além de estar recheado de variáveis oriundas da tipologia dos materiais depositados, é fator condicionante na estabilidade de um depósito de rejeitos.

As peculiaridades inerentes ao lançamento e deposição dos rejeitos na barragem, a anisotropia, a geometria variável da barragem (os alteamentos não se dão de uma só vez), a velocidade nos alteamentos bem como o baixo controle tecnológico aplicado à execução de tais estruturas faz com que análises via MEF, apesar de complexas para tais situações, sejam, talvez, a única maneira de pleitear informações de projeto ou mesmo de operação a respeito das condições de fluxo no interior da barragem.

Com o intuito de ilustrar o que foi dito anteriormente, podemos citar o caso da anisotropia de permeabilidade dos rejeitos depositados. Até mesmo pelas dificuldades de serem obtidas amostras indeformadas de rejeitos (até o presente momento não se tem relatos de tal tipo de amostragem) é praticamente impossível estabelecer previamente, para um determinado modelo, a magnitude do fluxo vertical bem como do horizontal. O que se tem utilizado na pratica é definir a permeabilidade em um dos sentidos, e, via MEF, comparando com dados de instrumentação de campo, procurar estabelecer qual é essa relação de anisotropia.

Ainda neste contexto, cita-se a própria condição geométrica da barragem, onde, muitas das vezes, os alteamentos são condicionados pela produção de rejeitos da empresa. Tal

fato faz com que análises de percolação ou mesmo as análises de estabilidade estejam submetidas, de forma bastante diferente, para uma condição de alteamento e para uma de pós-alteamento.

Ainda neste âmbito, quando se deseja calibrar um modelo de fluxo, em virtude dessa geometria condicionada ao nível dos alteamentos, deve-se estabelecer, de maneira coerente, uma faixa de leituras de instrumentação que corresponda a uma determinada etapa geométrica da barragem, muito diferentemente de barragens de terra, onde um conjunto de leituras históricas de instrumentação geralmente está associado a um mesmo quadro final de geometria da barragem.

A todas estas peculiaridades somam-se ainda diversas outras, como a ausência de critérios de execução, a complexidade de sistemas de drenagem e principalmente o baixo controle tecnológico aplicado na operação destas estruturas.

Nesse sentido, alguns trabalhos vêm sendo desenvolvidos ao longo dos últimos anos com o intuito de se caracterizar melhor o fluxo no interior de um maciço de rejeitos e minimizar a influência destas peculiaridades nas análises. Dentre estes, podemos destacar os de Amorim (1993) e Amorim et al (1995) o de Dupas (1993) e mais recentemente o de Gouvêa (2004), além de outros trabalhos referente a consultores e pesquisadores da área. Adicionalmente, as análises e conclusões obtidas pelos autores são de grande valia para o enriquecimento de trabalhos subseqüentes, incluindo este, uma vez que se tratam das poucas referências específicas acerca do assunto.

Dentre algumas conclusões importantes acerca de simulações de percolação em barragens de rejeitos, destaca-se que:

i) É interessante que se adote uma condição de pós-alteamento ou uma condição de alteamento tal qual bem definida, uma vez que condicionam resultados bastante diferentes. Em geral, em uma fase preliminar de projeto, é interessante que se simule cada geometria de alteamento da barragem de rejeitos ao longo de sua vida útil, desde o dique inicial até a cota final. Já em uma fase de alteamento da barragem é interessante que seja simulada a condição geométrica atual bem como as subseqüentes, ressaltando esta condição.

ii) Para barragens de rejeito, mediante a geral complexidade de seu sistema de drenagem interna, é interessante que se adote pelo menos duas seções de análise (não só a seção crítica, como normalmente feito em barragens de terra convencionais), com o intuito de se obter uma média de resultados entre elas e assim gerar maior controle, maior representatividade e conseqüentemente consistência aos resultados.

iii) Em barragens de rejeito é muito importante destacar o papel da fundação. Em muitos casos, quase todo o volume percolado é pertinente à mesma. Portanto a adoção de permeabilidades consistentes e representativas para a fundação é muito importante para o sucesso das análises.

iv) Um ponto bastante importante diz respeito à anisotropia de permeabilidades, visto a dificuldade de estabelecimento preliminar deste parâmetro. Amorim et al (1995), para se estimar a anisotropia do rejeito considerou coeficientes de permeabilidade horizontal (Kh) e vertical (Kv), variando de 2 a 20, ou seja, 2 < Kh/Kv < 20. Comparando as posições da linha freática simulada com as medidas fornecidas pelos piezômetros instalados os autores concluíram que o valor de Kh/Kv que mais se assemelha da condição de campo é da ordem de 10. Este valor por sua vez é compatível com os dados disponíveis em Vick (1983) que estabelece para o rejeito, com granulometria de areia fina, uma faixa de variação de anisotropia entre 1 e 20.

v) Nas barragens de rejeito, o formato e posição do dique de partida bem como sua condição de permeabilidade também exerce certa influência na posição da freática. É interessante ressaltar a importância de se alocar com precisão, no modelo, as estruturas internas na barragem, como os diques e sistemas de drenagem, uma vez que remete a uma maior consistência para as simulações. Merece destaque, que grande parte das barragens de rejeitos já construídas não possuem um “as built”, ou seja, não se tem informações de como foi construída (por exemplo, a presença ou não de drenos projetados) bem como das características reais dos materiais utilizados na construção da barragem (por exemplo, o material especificado em projeto não condiz com o utilizado). Tal fato dificulta análises de percolação subseqüentes, uma vez

que, a mesma terá que ser embasada em parâmetros de projeto ou então parâmetros que posteriormente serão obtidos em intensas campanhas de investigação de campo visando recompor o “as built” da barragem.

vi) Uma importante conclusão verificada por Dupas (1993), em sua dissertação de mestrado, foi a inexistência de interferência da baixa permeabilidade da lama ou da interface lama/areia. O fluxo efluente de percolação no sentido montante/jusante só existe, de fato, pelo contato direto entre a areia do rejeito e a fundação em solo ou rocha permeáveis. Assim, ao contrário do que se imaginava, a vazão efluente recebe interferência desprezível provocada pela lama e pela interface lama areia, ficando o fluxo delimitando entre a praia (ponto de entrada de água) e o aterro da barragem, como pode ser observado na Figura 2.19. Este fato, por sua vez, permitirá a otimização dos modelos numéricos propostos para este trabalho.

Figura 2.19 – Condições físicas do meio – Exemplo da Barragem B6. (Modificado - Dupas, 1993)

vii) Dupas (1993) observou também o forte efeito do dreno sobre a superfície freática e sobre a vazão, que deve ser controlado através de artifícios oferecidos pela combinação das variáveis do meio. Estas variáveis são N.A. de operação, características geotécnicas do rejeito, da fundação, dos solos de empréstimo, e ainda, hidrologia, topografia e produção.

viii) Dupas (1993) e Gouvêa (2004) afirmam que, sempre que possível, é de grande importância incluir nas análises realizadas pelo MEF a permeabilidade dos drenos. A permeabilidade dos drenos faz com que a superfície freática seja inteiramente definida. A não colocação deste parâmetro nas análises pode ser adotada apenas em condições especiais onde existe grande diferença de permeabilidade entre os materiais que constituem o maciço e o dreno.

ix) Finalmente, em simulações desta natureza, é muito importante se definir as fronteiras adotadas nos modelos. É interessante que sejam feitas análises de sensibilidade envolvendo diversos comprimentos e estruturas de malhas visando minimizar as possíveis distorções numéricas. Amorim et al (1995) adotaram como comprimento de malha, a partir da crista, em seu estudo para a Barragem do Germano, dezoito vezes a altura da barragem. Gouvêa (2004), por outro lado, utilizou em suas análises duas vezes a altura da barragem como limite de montante.

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3 BARRAGEM DE REJEITOS B5

3.1 SISTEMA DE DISPOSIÇÃO DE REJEITOS DA BUNGE