O histórico de rompimentos de barragens nos últimos anos mostra que é reconhecida a importância de adequar os procedimentos de gestão de riscos. O presente trabalho tem como objetivo avaliar a durabilidade de uma barragem de terra para diferentes cenários de análise de risco de ruptura.
Justificativa
Com a análise de escoamento efectuada é possível, com base nos conhecimentos geotécnicos e nos efeitos de métodos pré-determinados, atestar a estabilidade da estrutura da barragem, bem como estabelecer medidas preventivas para um risco potencial identificado. Por fim, o objetivo é mostrar que embora este procedimento permita um direcionamento da análise de risco e mostre a criticidade da estrutura, ele desconsidera diversos fatores fundamentais que deveriam compor uma análise de risco funcional mais detalhada, incluindo variação de resistividade, imprecisão na determinação de geotécnica parâmetros e análise de percolação interna.
Barragens de Terra
Este capítulo descreve de forma objectiva as barragens de terra e as suas características, bem como a instrumentação geotécnica efectuada nestas estruturas, bem como a gestão dos riscos associados à segurança destas barragens.
Segurança de Barragens
Reavaliação da Segurança de Barragens
De acordo com o Guia Básico para Reavaliação de Barragens (1999), o nível de detalhamento necessário para uma reavaliação satisfatória deve ser função da significância do projeto, conservadorismo e tamanho da barragem, bem como as consequências de seu rompimento. De acordo com o Manual de Segurança e Inspeção de Barragens (2002), a data da próxima reavaliação deve ser indicada no relatório de cada reavaliação.
Gestão de Riscos em Barragens
E se ocorrerem mudanças significativas na estrutura ou nas condições locais, como: mudanças de projeto, eventos hidrológicos ou terremotos, uma reavaliação de segurança imediata deve ser realizada.
Instrumentação Geotécnica em Barragens
Princípios e Instrumentos para a Medição do Nível D’água
Segundo Fonseca (2003), a determinação da posição do lençol freático dentro do maciço de uma barragem é de grande importância na análise de sua estabilidade. A medição do nível de água em um maciço de terra é realizada entrando na água em profundidade através da execução de furos e lendo a altura de sua superfície por meio de um cabo graduado equipado com um sensor elétrico na extremidade e um emissor de som na a superfície. Os instrumentos de medição de nível de água (INA) consistem em um tubo de PVC perfurado, envolto em geotêxteis e areia, além de uma camada de vedação utilizada para vedar o espaço entre o furo e o tubo.
Uma estrutura de concreto foi feita em sua superfície para garantir a proteção do instrumento contra atos de vandalismo.
Princípios e Instrumentos para a Medição de Poropressões
- Piezômetros de Tubo Aberto (Casagrande)
Para a leitura do nível d'água para piezômetros de tubo aberto, existe um cabo elétrico com dois condutores, graduados metro a metro, com um sensor na ponta constituído por eletrodos, isolados eletricamente entre si, conforme Figura 5. Quando o sensor atinge o nível da água dentro do tubo, o circuito elétrico formado pelo conjunto de medição é fechado. A Figura 7 mostra o diagrama do piezômetro de tubo aberto com a proteção contra vandalismo e todos os seus componentes para a correta medição das leituras.
Uma importante questão levantada por vários profissionais de instrumentos geotécnicos diz respeito à instalação de piezômetros de tubo aberto em determinadas áreas onde há fluxo de água entre solos impermeáveis. Nos hidrômetros, as leituras são feitas em todos os pontos ao longo da tubulação, pois ela é perfurada praticamente em toda a sua extensão.
Análise de Estabilidade em Barragens
Esses métodos diferem dependendo da forma da superfície de ruptura considerada e das simplificações adotadas para calcular o fator mínimo de segurança. Nesse processo de análise, a estabilidade da superfície é determinada por um fator de segurança (FS) que relaciona a resistência disponível com a resistência mobilizada. O fator de segurança obtido pelo balanceamento dos momentos está relacionado à resistência mobilizada com base no critério linear de Mohr-Coulomb e pode ser expresso pela equação 3.1:.
N = força de arrasto normal na base do wafer; f = braço de alavanca da força de arrasto normal na base do wafer; u = poropressão média na base do wafer; β = espessura da fatia W = peso da fatia;. 3.2) A determinação do coeficiente de segurança total pelo método do equilíbrio limite é baseada na congruência dos coeficientes de segurança acima mencionados.
Descrição da Seção da Barragem Analisada
Parâmetros Geotécnicos
Instrumentação
A carga pressórica obtida pelas leituras nos pontos onde estão instalados os instrumentos serve de ferramenta para uma instrumentação rigorosa do lençol freático ao longo da extensão do maciço. Na Tabela 3 consta a designação dos instrumentos conforme explicado acima, as alturas do terreno nos pontos onde estão instalados os piezômetros, além dos valores de alturas da boca dos tubos, alturas do fundo do poço dispositivos e as profundidades de cada piezômetro. Todas as medições apresentadas na Tabela 3 foram obtidas em campo utilizando a topografia do local e com a correta representação geométrica no software SLIDE do trecho crítico da barragem.
A profundidade dos quatro instrumentos foi obtida pela diferença entre a altura do tubo do piezômetro na seção e sua profundidade. Esses valores dimensionais foram retirados da seção da estrutura onde estão localizados todos os pontos de instalação do piezômetro.
Análise de Estabilidade para o Nível Freático Atual
Programa SLIDE
Estudo da Estabilidade da Seção Crítica
A Figura 10 ilustra o resultado da análise de estabilidade da seção com sua superfície de ruptura circular e o respectivo coeficiente mínimo de segurança encontrado. Com a análise da superfície de ruptura e consequente obtenção do fator mínimo de segurança, é possível realizar o estudo gráfico de fatores importantes para um melhor entendimento da análise de estabilidade. Para as condições de poropressão presentes na base dos discos de superfície de fratura, o gráfico 2 é mostrado.
Com a forma da superfície de fratura imposta pelo método de análise, o diagrama de poropressão aparece como uma parábola invertida. Como resultado das análises efectuadas, para além do valor do coeficiente de segurança obtido e das análises gráficas da superfície de fractura gerada, revelam-se também os materiais relevantes na estabilidade da secção interceptada pela superfície de fractura crítica.
Análise de Sensibilidade dos Parâmetros de Resistência
Esses materiais terão diferentes parâmetros para analisar a influência das condições críticas da estrutura. Com esta variação e com o auxílio do software SLIDE, foi gerada graficamente a influência destes parâmetros no valor do fator mínimo de segurança. Pelo gráfico acima pode-se perceber que o ângulo de atrito assume uma influência muito significativa nas condições críticas do trecho analisado, pois com uma variação de 10% acima e abaixo do valor médio obteve-se uma grande variação do fator mínimo de segurança. .
Quanto à coesão, esses valores afetaram o fator de segurança de forma mais discreta, mas ainda relativamente significativa. Feita a análise de sensibilidade, é fato que existem deficiências no método determinístico implementado em estudos de estabilidade, pois uma pequena variação do parâmetro afeta significativamente os fatores de segurança obtidos.
Níveis de Sinalização de Segurança
Nota: quando as anomalias encontradas não comprometem a segurança da barragem a curto prazo, mas precisam ser reparadas ou monitoradas. Atenção: Quando as anomalias encontradas colocarem em risco a segurança da barragem, medidas devem ser tomadas para eliminar o problema. Emergência: Quando as anomalias encontradas representam um risco iminente de ruptura, devem ser tomadas medidas para prevenir e reduzir os danos materiais e humanos decorrentes de uma possível ruptura.
Os níveis de risco adotados neste trabalho, relacionados aos seus respectivos fatores de segurança, foram estabelecidos com base no que é aplicado pelos projetistas na avaliação da segurança deste tipo de estrutura.
Análises dos Níveis de Risco
O lençol freático no interior do maciço foi elevado até atingir o referido fator de segurança. O lençol freático foi elevado no maciço até se obter coeficientes de segurança de 1,3 para a condição Atenção e 1,1 para a condição Alerta. Para justificar a não adoção deste valor do fator de segurança para a condição de emergência, é necessário expor as limitações envolvidas na análise do equilíbrio limite.
Em termos de análise do nível de risco, pode-se dizer que a emergência ocorre com um fator de segurança superior ao explicado na Figura 16. Esse aumento da pressão intersticial está diretamente relacionado à altura do nível freático no trecho analisado, levando a , aos fatores de segurança aplicados na elaboração da análise de risco de quebra.
Elaboração da Análise de Perigo de Ruptura
Estabelecimento dos Níveis de Risco para os Piezômetros Instalados na Seção
Tendo como artefato a altura do lençol freático para elaboração da análise de risco de fratura, cotas piezométricas (nível d'água no instrumento) em seus pontos de instalação. No estudo do presente trabalho, foram estabelecidos níveis de água para os quatro piezômetros do trecho analisado nas condições operacionais definidas como Normal, Atenção, Alerta e Emergência. A Tabela 5 apresenta os instrumentos e seus respectivos valores de nível máximo de água para as condições de operação citadas acima.
É notório que os fatores de segurança diminuem com o aumento do nível de risco no trecho analisado, o que pode ser observado na Tabela 5, onde para o nível de emergência existem limites de cotas piezométricas maiores que para o nível normal, devido à altura do lençol freático no maciço da barragem, criando uma situação mais provável de ruptura circular no talude de jusante, conforme demonstrado anteriormente. Sabe-se pela Tabela 5 que a seção crítica refletiu os níveis de risco para todas as quatro condições impostas na análise de perigo de fratura, o que é de grande importância para o monitoramento adequado da estrutura.
Leituras Piezométricas a partir da Instrumentação em Campo
A Tabela 6 mostra a altura média do nível d'água no instrumento PZ-01 durante um ano. Além disso, também são mostrados os níveis de água no tanque em condições normais de operação para o mesmo período de tempo. A Tabela 7 abaixo mostra as alturas médias do nível de água no instrumento PZ-02 durante o período de monitoramento da barragem.
Além disso, como mostrado anteriormente, também são indicados os níveis de água no reservatório na condição normal de operação para o mesmo período. As duas tabelas abaixo, assim como para o PZ-01 e PZ-02, mostram os níveis de água no tanque em condições normais de operação.
O Gráfico 5 mostra a correlação para o piezômetro PZ-01 entre os níveis de água subterrânea de segurança determinados na Hazard Analysis, além dos níveis de água nos instrumentos e no reservatório, durante o período de monitoramento. Neste instrumento existe uma margem de segurança quanto à comparação de níveis uma vez que suas cotas piezométricas possuem valores menores que as cotas correspondentes dos níveis de sinalização de segurança. O objetivo deste trabalho foi avaliar as condições de segurança da parte crítica de uma barragem por meio de instrumentos piezômetros e o estudo da análise de risco de ruptura.
Para os níveis de risco já definidos, foi realizada uma análise de risco de ruptura, adotando-se os fatores mínimos de segurança recomendados na literatura técnica para sinalização de segurança de barragens. Um fator de segurança proposto foi obtido para todas as condições de fluxo simuladas e medições piezométricas nos instrumentos associados a esses fatores.
