Em 1983, uma comissão técnica formada por ARS e SCS, inspecionou 800 vertedores de emergência de vegetação, e relatou que apenas quatro sofreram erosões
que acarretaram em seu rompimento. E apenas um desses quatro vertedores rompeu a ponto de esvaziar o reservatório.
Em relatórios técnicos elaborados por (SCS, 1984, 1985, 1986, 1987 e 1988) foram apontadas, como principais causas em comum de falha desses vertedores a descontinuidade na concentração da energia e a capacidade erosiva dos materiais que compõem o perfil do solo no local da construção dos vertedores em questão.
Testes realizados por SCS (1985) mostraram que a vegetação utilizada para a cobertura do canal tem limites de resistência à erosão. Esses limites são determinados em função da capacidade que a vegetação tem de suportar a freqüência do escoamento, que está diretamente ligado às características da vegetação, (TEMPLE, 1992).
As características da cobertura vegetal influenciam nas dimensões de projeto do vertedor, bem como o tipo de solo. Dentre essas características, o tipo e altura da vegetação de cobertura do vertedor ocasionam a formação de degraus, retardando o escoamento no canal do vertedor.
Os solos que compõe a seção do canal podem ser classificados como resistentes à erosão e de fácil erosão. Solos resistentes à erosão são aqueles com alto teor em argila e alta plasticidade como: argila siltosa, argila arenosa e argila. E os solos de fácil erosão são os que contem alto teor de areia fina ou silte, e baixa ou nenhuma plasticidade (areia fina, silte, turfa arenosa e turfa siltosa).
Em análises feitas por USDA, SCS e NRCS (TEMPLE, 1990 e 2002) em uma grande quantidade de vertedores de vegetação, observou-se que seu desempenho geralmente é satisfatório nos escoamentos de cheias. Entretanto, foram encontrados problemas principalmente de erosão devido às falhas de projeto e principalmente de manutenção.
Dois exemplos de desempenho de vertedores observados pela NRCS utilizando uma cobertura vegetal de grama de boa qualidade, projetado corretamente e com manutenção adequada resistiu à passagem de escoamentos de cheias com danos mínimos. Outro vertedor que foi projetado corretamente, mas com falhas na uniformidade da cobertura vegetal de proteção, sofreu danos com escoamentos relativamente baixos. Nestes casos ficou evidente que a manutenção inadequada da cobertura foi a fonte dos problemas de erosão, mostrado na Foto 5.2.
Foto 5.2 Erosão no vertedor depois de um escoamento de cheia Fonte: TEMPLE, 2003.
A manutenção, vegetação, e características do solo determinam o desempenho do vertedor de vegetação para um determinado evento de escoamento, (LOBRECHT, 2003).
Com a utilização de modelos computacionais, o estudo do processo erosivo no vertedor de vegetação ficou muito mais preciso, podendo-se destacar três fases distintas de erosão (TEMPLE, 2003):
No inicio, a erosão é pontual. Desta forma o contorno erodível é inicialmente protegido da erosão pela presença da cobertura de grama. No entanto, se o
escoamento persistir por tempo suficiente ou a tensão for alta o suficiente, a erosão vai iniciar numa área onde exista a descontinuidade da cobertura, devido à não homogeneidade dos materiais naturais como vegetação e solos. Como conseqüência a cobertura vegetal apresentará falha. Esta área aumentará até que a cobertura vegetal não seja mais efetiva e o escoamento tenderá a se concentrar na área da erosão. Essa remoção local é a primeira fase do processo de falha, representada na Foto 5.3.
Foto 5.3 Primeira fase do processo de falha Fonte: TEMPLE, 2003.
A segunda fase do processo inicia com o aumento e aprofundamento da área de erosão pelo descolamento da superfície, como resultado da concentração do escoamento e das tensões. O fim dessa fase é o ponto onde o escoamento tende a romper, e um “Headcut” se forma como mostra a Foto 5.6. A profundidade da erosão correspondente ao final da segunda fase depende da descarga.
Foto 5.4 Segunda fase do processo de falha Fonte: TEMPLE, 2003.
A terceira fase do processo de falha é o aprofundamento e o alargamento do “Headcut”, ocorrendo simultaneamente com a movimentação do “Headcut” na direção de montante Em condições extremas o avanço do “Headcut” pode resultar no rompimento do vertedor e conseqüentemente no esvaziamento do reservatório, observado na Foto 5.5.
Foto 5.5 Terceira fase do processo de falha Fonte: TEMPLE, 2003.
Portanto, para grandes cargas e grandes declividades dos degraus do canal de saída do vertedor, a primeira fase é insignificante (TEMPLE, 2003). A Foto 5.6 ilustra a erosão em um vertedor de emergência, causada por um processo de “Headcut” após a passagem de um escoamento.
Foto 5.6 Erosão “Headcut” depois de um escoamento Fonte: TEMPLE, 2003.
DEY et al (2006) ressaltam em seu trabalho, a preocupação em conhecer melhor o comportamento do “Headcut”, devido a que o mesmo provoca alterações no escoamento, tendo como conseqüência, além dos problemas citados anteriormente, a sedimentação a jusante do local de formação do “Headcut”.
Segundo os autores, o “Headcut” ocorre quando uma excessiva erosão localizada acontece por causa do impacto de jato do escoamento sobre o solo do leito, no lugar onde existe uma mudança súbita na declividade do leito. Com a progressão da erosão, o “Headcut” movimenta-se no sentido de montante. A Figura 5.5 representa o conceito da erosão e da migração do “Headcut”. Essa erosão, normalmente acontece
protegida pode ser formada por uma camada de solo coesivo ou ainda por uma cobertura de grama.
Figura 5.5 Erosão e migração do “Headcut” Fonte: DEY et al., 2006.
Vários ensaios laboratoriais comprovaram que o processo erosivo do “Headcut” é governado pela vazão e a altura do “Headcut”. Porém, a morfologia do leito a jusante do “Headcut” pode influenciar na migração do mesmo, se os sedimentos resultantes do processo de erosão são transportados como vazão sólida.
Nos ensaios de DEY et al (2006) foram analisados os processos de migração do “Headcut” em solos não coesivos homogêneos e não homogêneos. Nestes testes foram observados dois tipos de migração do “Headcut”. O primeiro tipo chamado de modo de não equilíbrio na migração ocorre quando o sedimento proveniente da erosão do “Headcut” é transportado como vazão sólida de arrastamento, sendo a quantidade de sedimento maior que a capacidade de transporte. O segundo tipo chamado de modo de equilíbrio na migração ocorre quando o sedimento oriundo da erosão do “Headcut” é transportado como carga de lavagem, não ocorrendo nenhum deposito a jusante.
Embora a migração do “Headcut” se desenvolva de maneira distinta para solos homogêneos e não homogêneos, as conseqüências do processo de falha do “Headcut” podem levar a uma erosão do vertedor, colocando em risco a barragem. Apesar de todos os estudos desenvolvidos para o aperfeiçoamento das técnicas de projeto e
construção do vertedor de emergência de vegetação, uma manutenção inadequada do vertedor pode ocasionar sérios danos na estrutura e a jusante da obra.