CENTRO TECNOLÓGICO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL CURSO ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL
Gabriella Franzoni da Silveira
Rompimento Hipotético e Delimitação de Área de Inundação da Barragem Barra do Leão no município Rio Bonito de Iguaçu/PR
Florianópolis 2020
Gabriella Franzoni da Silveira
Rompimento Hipotético e Delimitação de Área de Inundação da Barragem Barra do Leão no município Rio Bonito de Iguaçu/PR
Trabalho Conclusão do Curso de Graduação em Engenharia Sanitária e Ambiental do Centro Tecnológico da Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia Sanitária e Ambiental
Orientador: Prof. João Henrique Macedo Sá, Dr. Coorientadora:Eng. Patrícia Becker, Msc.
Florianópolis 2020
Gabriella Franzoni da Silveira
Rompimento Hipotético e Delimitação de Área de Inundação da Barragem Barra do Leão no município Rio Bonito de Iguaçu/PR
Este Trabalho Conclusão de Curso foi julgado adequado para obtenção do Título de “Bacharel em Engenharia Sanitária e Ambiental” e aprovado em sua forma final pelo Curso de
Engenharia Sanitária e Ambiental
Florianópolis, 30 de novembro de 2020.
________________________ Profa. Maria Elisa Magri, Dra.
Coordenador do Curso
Banca Examinadora:
________________________ Prof. João Henrique Macedo Sá, Dr.
Orientador
Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC
Eng. Patrícia Becker, Ma. Co-orientadora
Prosenge Projetos e Engenharia
Prof.(a) Patrícia Kazue Uda, Dra. Avaliador(a)
Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC
Camyla Innocente dos Santos, Ma. Avaliador(a)
“Science is much more than a body of knowledge. It is a way of thinking.” (Carl Sagan, 1990)
AGRADECIMENTOS
Concluir uma graduação em Engenharia no Brasil é no mínimo desafiador, mas eu não poderia fazê-lo sem o suporte de pessoas incríveis na minha vida.
Agradeço primeiramente aos meus pais, Renata e Sérgio, que me permitiram estudar e nunca mediram esforços para realizar meus sonhos. Agradeço também a todos os membros da minha família que me incentivaram e incentivam, com palavras de admiração e motivação. Agradeço também ao meu namorado e parceiro de vida, e agora de engenharia, Allan, pela paciência, apoio e auxílio em diversos momentos durante a graduação, e por sonhar um futuro lindo ao meu lado.
A minha cachorrinha Pureza, pelas companhias nas horas de estudo e por alegrar minha vida.
Aos engenheiros Henrique Yabrudi e Patrícia Becker, pela oportunidade de aprendizado, auxílio e principalmente pela inspiração de profissionais que são.
Ao meu orientador João, pela dedicação e parceria em realizar esse trabalho. A todos os professores, que compartilharam seu conhecimento para enriquecer minha jornada na graduação.
A todos os meus amigos e colegas de curso, que contribuíram para o meu crescimento, partilhando aprendizados, dando suporte e dividindo comigo a escolha de melhorar o mundo através da Engenharia Sanitária e Ambiental.
Por fim, agradeço a todos os meus amigos que de certa forma contribuíram para formar a pessoa que sou hoje e para que eu pudesse chegar até aqui.
RESUMO
Barragens são estruturas com diversas finalidades como irrigação, produção de energia, navegação, retenção de chuva, entre outros. No entanto, independente do propósito, há o risco de rompimento caso haja problemas em relação ao projeto, construção, manutenção ou até mesmo um evento extremo de chuva para o qual não foram dimensionadas. O rompimento de uma barragem traz consequências significativas devido ao grande volume de água liberado de forma rápida, repentina e descontrolada. As Leis nº 12.334/2010 e nº 14.066/2020 que regem a Política Nacional de Segurança de Barragens, dispõe sobre o Plano de Segurança de Barragens (PSB) e o Plano de Ação de Emergência (PAE), abrangem todas as informações necessárias e ações a serem tomadas em casos de uma ruptura, sendo este último elaborado com auxílios de modelos matemáticos, a fim de determinar a área de inundação. O presente estudo objetivou modelar e avaliar a inundação causada pelo hipotético rompimento da Barragem Barra do Leão, a ser construída no Rio Chagu, em Rio Bonito de Iguaçu, no Paraná. A simulação foi realizada através do software HEC-RAS, considerando três cenários hidrológicos de diferentes intensidades. O primeiro cenário é referente a uma condição comum, caracterizada como um dia seco, com uma vazão de pico com tempo de retorno de 10 anos. O segundo cenário considera uma cheia relativamente comum de acontecer, com um pico de vazão com tempo de retorno de 100 anos. Já o terceiro, é indicado por uma condição extrema, em que o rompimento da barragem ocorre durante um pico de vazão com tempo de retorno de 10.000 anos. De modo geral, concluiu-se que a onda gerada pela ruptura não altera de forma significativa as condições de jusante, principalmente se comparada à inundação ocorrente na cheia natural. A classificação da barragem foi enquadrada como de baixo risco e dano potencial associado baixo. Conforme estabelecido pela Política Nacional de Segurança de Barragens, os resultados obtidos com o estudo de rompimento podem ser utilizados tanto na elaboração de um plano de ação emergencial, no intuito de suavizar os danos de um eventual rompimento, quanto para orientar a formulação de planos diretores, evitando a construção e assentamento de pessoas em áreas de risco.
ABSTRACT
Dams are structures with many usages, such as irrigation, power production, suppress floods, and others. However, regardless of the purpose, there is a risk of dam failure due to problems in its design, construction, maintenance, or even a natural but rare extreme precipitation event. Dam failures have significant consequences in reason of the sudden, rapid, and uncontrolled release of impounded water. In view of the severity of an eventual breach, and in accordance with the National Dam Safety Policy (NDSP) in Brazil, the evaluation of the possible dam failure is essential to determine the inundation zone and, consequently, to study impact and mitigation actions. The present study aimed to simulate and understand the evaluate the inundation caused by a hypothetical failure of the Barra do Leão Dam, to be built in the Chagu river, in Rio Bonito de Iguaçu, Paraná. The simulation was performed through the HEC-RAS software, considering three hydrological scenarios of different intensities. As a general outcome, it was seen that the flood wave does not significantly affect downstream conditions, especially when compared to the inundation occurring in natural flooding. Considering the damage risk rating, the dam was classified as low risk. As established by the NDSP, the results obtained with the dam failure simulation can be used for both, formulating an emergency action plan in order to mitigate the consequences of dam failures, and supporting decisions related to municipal master plans, and therefore avoiding constructions and settlement of people in areas of risk.
Keywords: Dam-break. Hydraulic modeling. Flood area.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Barragem Serra da Mesa, Goiás – de aterro (enrocamento com face em argila) ... 19
Figura 2: Barragem do Castelo do Bode, Portugal - de concreto (arco-gravidade) ... 20
Figura 3: Barragem em alvenaria ... 20
Figura 4: Rompimento da Barragem de Algodões (PI) – barragem de água ... 22
Figura 5: Rompimento da Barragem em Brumadinho (MG) – barragem de rejeitos... 22
Figura 6: Formação da brecha por galgamento ... 25
Figura 7: Formação de brecha por infiltração ... 25
Figura 8: Classificação das barragens brasileiras por DPA e CRI ... 31
Figura 9: Localização da Área da Bacia da CGH Barra do Leão ... 35
Figura 10: Arranjo Geral da CGH Barra do Leão ... 36
Figura 11: Localização das estações fluviométricas analisadas ... 41
Figura 13: Superfície e seções criadas no Autocad Civil 3d ... 47
Figura 14: Perfil do Rio Chagu com os respectivos níveis d`água ... 49
Figura 15: Barramento da CGH Barra do Leão ... 50
Figura 16: Geometria final do modelo ... 51
Figura 17: Brecha de ruptura ... 53
Figura 18: Ponte 2 (Passagem Molhada) ... 55
Figura 19: Ponte 1 em seca (a) e cheia (b) ... 56
Figura 20: Mapa de Inundação TR 10 anos ... 57
Figura 21: Inundação nas seções de interesse – TR 10 anos ... 58
Figura 22: Mapa de Inundação TR 100 anos ... 59
Figura 23: Inundação nas seções de interesse – TR 100 anos ... 60
Figura 24: Mapa de Inundação TR 10.000 anos ... 61
LISTA DE QUADROS
Quadro 1: Rompimentos de Barragens no Brasil de 2000 a 2019 ... 21
Quadro 2: Causas de ruptura de barragens de 1975 a 2011... 23
Quadro 3: Lista de material da barragem e causas prováveis de acidentes no Brasil de 2017 a 2019 ... 24
Quadro 4: Classificação quanto a CRI para barragens de acumulação de água ... 29
Quadro 5: Classificação quanto ao DPA ... 30
Quadro 6: Matriz de Classificação quanto ao CRI e DPA ... 31
Quadro 7: Cenários utilizados na modelagem ... 42
Quadro 8: Periodicidade de Inspeção de Barragens de acordo com a classe ... 65
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Parâmetros para brecha de ruptura ... 26
Tabela 2: Estações Fluviométricas e informações ... 42
Tabela 3: Vazões máximas normais por tempo de recorrência ... 43
Tabela 4: Vazões máximas instantâneas por tempo de recorrência ... 43
Tabela 5: Níveis d`água disponíveis ... 48
Tabela 6: Parâmetros da brecha de ruptura ... 52
Tabela 7: Níveis na Casa de Força e Ponte – Natural e com rompimento da Barragem Barra do Leão ... 54
Tabela 9: Tempo da onda de inundação para seções de interesse ... 63
Tabela 10: Altura da onda para as seções de interesse ... 63
Tabela 11: Resultado da CRI ... 64
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 15 1.1 OBJETIVOS ... 17 1.1.1 Objetivo Geral ... 17 1.1.2 Objetivos Específicos ... 17 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 18 2.1 BARRAGENS ... 18 2.1.1 Tipo de Barragens ... 18 2.2 ROMPIMENTO DE BARRAGENS ... 20 2.2.1 Histórico... 20
2.2.2 Causas de Rupturas de Barragens ... 22
2.2.2.1 Galgamento... 24
2.2.2.2 Infiltração (piping) ... 25
2.2.3 Formação da brecha ... 25
2.3 LEGISLAÇÃO VIGENTE ... 26
2.3.1 Classificação de Categoria de Risco e Dano Potencial Associado ... 27
2.4 HEC-HAS ... 31
3 METODOLOGIA ... 34
3.1 CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO ... 34
3.1.1 Localização ... 34 3.1.2 Clima ... 37 3.1.3 Características da Bacia ... 37 3.1.4 Uso do Solo ... 38 3.2 ESTUDO HIDROLÓGICO ... 40 3.3 ELABORAÇÃO DO MODELO ... 44
3.3.1 Levantamento Topográficos e Batimétrico ... 45
3.4 APLICAÇÃO DO MODELO HEC-RAS ... 48
3.4.1 Coeficientes de rugosidade (Manning) ... 48
3.4.2 Calibração ... 48
3.4.3 Inserção do barramento ... 50
3.4.4 Geometria final do modelo ... 50
3.4.5 Dados das brechas de ruptura ... 52
3.4.6 Condições de contorno ... 54
3.5 CLASSIFICAÇÃO ... 54
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 54
4.1 ÁREAS ATINGIDAS E COTA MÁXIMA ... 54
4.2 MAPA DE INUNDAÇÃO ... 56
4.3 TEMPO DE ONDA ... 63
4.4 CLASSIFICAÇÃO ... 63
5 CONCLUSÃO E RECOMENDAÇÕES ... 65
REFERÊNCIAS ... 67
APÊNDICE A – Hidrograma para diferentes tempos de recorrência ... 71
APÊNDICE B – Tabela de Resultados de Cotas, velocidades e vazões para todas as seções e cenário 1 ... 74
APÊNDICE C – Tabela de Resultados de Cotas, velocidades e vazões para todas as seções e cenário 2 ... 76
APÊNDICE D – Tabela de Resultados de Cotas, velocidades e vazões para todas as seções e cenário 3 ... 78
1 INTRODUÇÃO
A construção das primeiras barragens serviu para mitigar problemas de escassez de água e de cheias, contribuindo com atividades econômicas como agricultura e pecuária, e auxiliando na qualidade de vida da população que vivia no entorno dessas estruturas (BRASIL, 2010). No Brasil, os primeiros barramentos surgiram para diminuir a migração da população do nordeste, que fugia das longas secas na região. Ao mesmo tempo, surgia no Sudeste as primeiras usinas hidrelétricas, voltadas para geração de energia (COMITÊ BRASILEIRO DE GRANDES BARRAGENS, 1982).
De acordo com Vichi e Mansor (2009), a energia proveniente de usinas hidrelétricas é uma das maiores fontes de energia renováveis existentes no planeta, sendo explorada em mais de 160 países. Somente o Brasil é encarregado por cerca de 14,9% dela, sendo o terceiro maior produtor de energia hidráulica do mundo.
Esses tipos de barragens são responsáveis pelo armazenamento de um grande volume de água, portanto, seu rompimento traz danos significativos, que vão desde a destruição de estruturas, impactos ambientais até morte de pessoas e animais. Por esse motivo, essas consequências devem ser impedidas (COLLISCHONN, 1997).
Nos últimos anos, observou-se no Brasil uma crescente em relação ao número de acidentes e incidentes com barragens, tendo como destaque o rompimento das estruturas em Mariana e Brumadinho, com inúmeros prejuízos materiais e humanos (BRASIL, 2020). Corroborando com essa preocupação, a Política Nacional de Segurança de Barragens (PNSB) objetiva criar meios que forneçam uma cultura de segurança de barragens em todo o País. Assim, é obrigação do empreendedor realizar algumas ações que garantam a proteção desses empreendimentos.
De acordo com a PNSB, a classificação de barragens no Brasil é realizada de três maneiras: pela categorização quanto ao risco, quanto ao dano potencial associado, e por volume. Assim, essa classificação indica quais procedimentos e monitoramentos serão adotados, considerando a frequência, conteúdo mínimo das inspeções regulares, e especiais e da revisão periódica, e a obrigatoriedade ou não de elaboração do Plano de Ação de Emergência (PAE) da barragem. Todas essas medidas buscam garantir uma maior segurança para as barragens e seguem os regulamentos dos agentes fiscalizadores da segurança de barragens (Brasil, 2012).
Alguns modelos matemáticos diferentes, simulam o movimento da onda de cheia ao longo do vale a jusante da barragem e, podem ser utilizados na elaboração do PAE, permitindo a determinação de profundidades, velocidades, tempo de chegada do pico da onda, como também contribuindo para estimar o dano potencial e a duração da inundação (LAURIANO, 2009).
A escolha do modelo HEC-RAS é justificada já que ele é uma ferramenta testada em vários tipos de aplicação, bastante documentada e de uso muito disseminado no Brasil, além de ser um software gratuito. O modelo HEC-RAS vem sendo utilizado para análises de impactos de rompimentos de barragens tanto no Brasil como no exterior (ENGECORPS, 2012).
Visando a seriedade do estudo de ruptura de barragens, esse trabalho propõe o rompimento hipotético e delimitação da área de inundação da barragem da Central Geradora Hidrelétrica (CGH) Barra do Leão, que será construída no município de Rio Bonito do Sul, no oeste do Paraná. Esta simulação, foi realizada por meio do software “HEC-RAS 5.0.5”, modelo criado pelo corpo de engenheiros do exército dos Estados Unidos, que é amplamente utilizado em modelagens hidráulicas em todo o mundo.
1.1 OBJETIVOS
1.1.1 Objetivo Geral
Analisar o rompimento hipotético de uma barragem que será construída no Rio Chagu, em Rio Bonito de Iguaçu, PR.
1.1.2 Objetivos Específicos
i. Comparar a inundação causada por evento de chuva e pelo rompimento da barragem;
ii. Analisar as áreas atingidas, cotas máximas e tempos de chegada da onda de cheia natural e por rompimento da barragem, para três cenários;
iii. Indicar a classificação da barragem por categoria de risco e dano potencial associado.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 BARRAGENS
De acordo com o Comitê Brasileiro de Grandes Barragens (1982), barragens são obstáculos artificiais, que podem ser de diversos tamanhos e materiais, e que tenham a capacidade de conter água ou qualquer outro líquido, rejeitos ou detritos com o objetivo de contenção ou acumulação. As finalidades ainda hoje mais utilizadas são: fornecimento de água, energia hidrelétrica, mineração, irrigação e controle de cheias.
As barragens sempre fizeram parte das civilizações, principalmente nas que mais necessitavam de reserva de água e irrigação. Conforme as sociedades foram avançando, outros usos foram atribuídos como controle de inundações, controle de sedimentação e geração de energia, por exemplo (JANSEN, 1983).
No Brasil, a construção de grandes barragens foi impulsionada pela seca do ano de 1877, a qual trouxe consequências devastadoras para o Nordeste brasileiro (COMITÊ BRASILEIRO DE GRANDES BARRAGENS, 1982). A partir disto, a existência de barramentos vem se tornando mais comum principalmente pela disponibilidade de rios com grande potencial hidrelétrico no País (BRASIL, 2002). Existem no Brasil mais de 19 mil barragens cadastradas no Sistema Nacional de Informações sobre Segurança de Barragens (SNISB), porém sabe-se que esse número em relação ao total de barragens existentes está subestimado, uma vez que nem todas elas estão catalogadas pela Agência Nacional de Águas e Saneamento Básico (ANA) (2019).
2.1.1 Tipo de Barragens
De acordo com o Comitê Internacional de Grandes Barragens (1996), as barragens são classificadas em três principais tipos, de acordo com seu material constituinte:
-Barragens de aterro (terra e enrocamento)
-Barragens de concreto (gravidade, contrafortes, arco ou multiarco) -Barragens de alvenaria (gravidade, contrafortes ou multiarco)
Na Figura 1 temos um exemplo de uma barragem de aterro, na Figura 2 um exemplo de uma barragem de concreto e na Figura 3 um exemplo de barragem de alvenaria.
Além disso, as barragens também podem ser classificadas como mistas ao longo de seu traçado, quando elas são formadas por mais de um tipo de material ao longo de seu corpo.
Ainda, de acordo com Franco (2008), as barragens podem se enquadrar em outro tipo de classificação: de armazenamento, desvio ou retenção. Os barramentos construídos para armazenamento compreendem a função de acumular água em períodos de condições favoráveis para utilizar esse volume em períodos de seca. Por outro lado, barragens de desvio dispõe-se a desviar uma massa d`água para uma região específica, enquanto a de contenção retém água em alguns períodos mais curtos, servindo de controle de cheias ou mesmo acúmulo de sedimentos ou rejeitos.
Figura 1: Barragem Serra da Mesa, Goiás – de aterro (enrocamento com núcleo em argila)
Figura 2: Barragem do Castelo do Bode, Portugal - de concreto (arco-gravidade)
Fonte: ANA, 2016.
Figura 3: Barragem em alvenaria
Fonte: Engwhere
2.2 ROMPIMENTO DE BARRAGENS
2.2.1 Histórico
Segundo o Manual de Segurança e Inspeção de Barragens (2002), a ruptura de uma barragem é:
“A perda estrutural, podendo ocorrer uma liberação incontrolável do conteúdo de um reservatório, ocasionada pelo colapso da barragem ou alguma parte dela.”
No Quadro 1 apresenta-se os rompimentos de barragens acontecidos no Brasil de 2000 a 2019, na Figura 4, a imagem da Barragem de Algodões, em Buriti dos Lopes e na Figura 5, a imagem da Barragem Mina Córrego do Feijão em Brumadinho, ambas após o rompimento. Essas imagens podem mostrar visualmente o impacto gerado a jusante de uma barragem, num rompimento, independente do seu tipo de barragem.
Quadro 1: Rompimentos de Barragens no Brasil de 2000 a 2019
Local Ano Nome Tipo Impacto
Nova Lima (MG) 2001 Barragem dos
Macacos
Rejeitos 5 óbitos
Cataguases (MG) 2003 Não informado Rejeitos Danos Ambientais
Alagoa Nova (PB) 2004 Camará Água 5 óbitos e 3 mil
pessoas desabrigadas
Miraí (MG) 2007 Não informado Rejeitos Mais de 4 mil
pessoas desabrigadas ou
desalojadas
Vilhena (RO) 2008 Apertadinho Água Danos Ambientais
Buriti dos Lopes (PI)
2009 Algodões Água 9 óbitos e 2000
desabrigados ou desalojados Laranjal do Jari (AP) 2014 Santo Antônio do Jari Água 4 óbitos
Itabirito (MG) 2014 Não informado Rejeitos 3 óbitos
Mariana (MG) 2015 Fundão Rejeitos 19 óbitos e milhares
de desabrigados ou desalojados
Mariana (MG) 2015 Santarém Rejeitos 19 óbitos e milhares
de desabrigados ou desalojados Brumadinho (MG) 2019 Mina Córrego do
Feijão
Rejeitos 259 óbitos e milhares de desabrigados ou
desalojados
Figura 4: Rompimento da Barragem de Algodões (PI) – barragem de água
Fonte: O Globo.
Figura 5: Rompimento da Barragem em Brumadinho (MG) – barragem de rejeitos
Fonte: Vinícius Mendonça/Ibama.
2.2.2 Causas de Rupturas de Barragens
A causa de um rompimento de uma barragem vem a ser um artigo muito importante, uma vez que é dessa maneira que se determina a velocidade com que ocorre a formação de
brechas. De acordo com Engecorps (2012), as razões mais corriqueiras são: galgamento e infiltração (piping).
O Quadro 2 apresenta as principais causas de ruptura de barragens de 1975 a 2011, documentado pela Federal Emergency Management Agency of United States (2013).
Quadro 2: Causas de ruptura de barragens de 1975 a 2011
Causas de ruptura Número de rupturas Porcentagens de rupturas
Galgamento 465 70,9% Entubamento 94 14,3% Estrutural 12 1,8% Humano (relacionado) 4 0,6% Animais (atividade) 7 1,1% Vertedouro 11 1,7% Instabilidade 13 2,0% Desconhecido 32 4,9% Outros 18 2,7% Total 656
Fonte: Baima (2015), adaptado de Federal Emergency Management Agency of United States (2013).
Os fatores do rompimento também são influenciados pelo tipo das barragens, por exemplo, estruturas de concreto ou terra geralmente rompem mais facilmente por condições e causas diferentes. Barragens de concreto por gravidade possuem brechas parciais em uma ou mais seções durante o rompimento, enquanto barragens de concreto em arco costumam romper de forma total e súbita. Entretanto, barragens de terra habitualmente não rompem de forma completa, uma vez que a formação da brecha acontece por conta de um processo erosivo (COLLISHONN, 1997).
Em alguns estudos de rompimentos de barragens de terra e enrocamento estudados, verificou-se que a maioria das rupturas são causadas respectivamente por percolação, galgamento, instabilidade e outros. Enquanto isso, as maiores causas de rupturas e acidentes em barragens de concreto seguiram a mesma sequência, sendo a maior parte por conta infiltração (piping), seguido de galgamento (BAIMA 2015).
No Quadro 3, podemos ver uma lista de acidentes ocorridos em barragens no Brasil entre 2017 a 2019, o tipo de barragem de acordo com o material e também a principal causa de rompimento.
Quadro 3: Lista de material da barragem e causas prováveis de acidentes no Brasil de 2017 a 2019 Data Material da Barragem Causa Provável
Jan-2017 Terra Cheia
Fev-2017 Terra Percolação
Mar-2017 Terra Percolação
Dez-2017 Terra Galgamento
Fev-2018 Terra Cheia
Abr-2018 Terra Cheia
Abr-2018 Terra Cheia
Jan-2019 Rejeitos Sem informação
Mar-2019 Sem informação Sem informação
Mar-2019 Sem informação Sem informação
Mar-2019 Terra Galgamento
Mar-2019 Sem informação Sem informação
Mar-2019 Terra Galgamento
Mar-2019 Terra Vertedouro
Jul-2019 Terra Galgamento
Out-2019 Rocha Alterada Rompimento de Dique
Nov-2019 Terra Cheia
Nov-2019 Terra Cheia
Nov-2019 Sem informação Sem informação
Fonte: ANA (2018, 2019, 2020). 2.2.2.1 Galgamento
O galgamento ocorre quando há a passagem da água por cima da crista da barragem. Em barragens de terra, produz um arraste de materiais, o qual pode levar a um rompimento. Por outro lado, em barragens de concreto, a ruptura pode ocorrer por conta das sobrecargas causadas pelo aumento do nível d’água não previsto.
O galgamento pode ser causado pela má operação do reservatório durante a cheia, por uma cheia extraordinária onde o dispositivo extravasador (vertedouro) não possui capacidade de vazão compatível, ou até mesmo por conta do rompimento de uma barragem à montante. Nesse caso, o nível de água se eleva acima da crista e acontece o chamado de ruptura em cascata (ENGECORPS, 2012).
Se o tempo e a intensidade do galgamento são altos o suficiente, inicia-se uma brecha em um ponto qualquer mais fraco na crista da barragem e a brecha cresce com o tempo, por erosão, numa velocidade que depende da vazão de galgamento, do material da barragem e das características do reservatório (COLLISHONN, 1997).
Na Figura 6 podemos visualizar a formação de uma brecha por galgamento, na sequência: início em um ponto mais fraco; brecha em forma de “V”; aprofundamento da brecha e aumento lateral por erosão.
Figura 6: Formação da brecha por galgamento
Fonte: COLLISCHONN, 1997. 2.2.2.2 Infiltração (piping)
A falha por piping acontece quando existem infiltrações no corpo da barragem. Essas infiltrações, também chamadas de entubamento, podem ser ocasionadas por algum problema na compactação do maciço da barragem em barragens de terra ou por deficiências do concreto, no caso de barragens de concreto. Esses fatores acabam criando um caminho para a percolação de água (ENGECORPS, 2012). Assim, a água vai gerando um tubo, por conta do arraste de partículas de solo, e esse tubo tende a aumentar de diâmetro, chegando na formação de uma brecha (LADEIRA, 2007).
A Figura 7 apresenta as etapas da formação de uma brecha por conta da infiltração, em que respectivamente vemos o surgimento do poro, o aumento por erosão e o colapso da porção superior.
Figura 7: Formação de brecha por infiltração
Fonte: COLLISCHON, 1997.
2.2.3 Formação da brecha
De acordo com Collischonn e Tucci (1997), a brecha é definida como uma abertura na barragem, causada por uma falha. A formação da brecha pode ser descrita por três parâmetros básicos:
• Tamanho;
• Tempo de formação; • Forma geométrica.
Todos estes parâmetros são fortemente influenciados pela causa do rompimento e pelo tipo de barragem. Eles influenciam diretamente na vazão e na altura da onda de enchente decorrente do rompimento. Uma brecha maior ou rompimento catastrófico e com tempo de
formação mais rápido gera uma onda de enchente de maior volume e o esvaziamento mais rápido do reservatório, enquanto uma brecha menor e com tempo de formação mais lento geram uma onda de enchente menor e com esvaziamento lento do reservatório (MONTE-MOR, 2004).
O manual “Using HEC-RAS for Dam Break Studies” (2010), indica de acordo com referências internacionais valores para formação da brecha, tabela abaixo.
Tabela 1: Parâmetros para brecha de ruptura Tipo de Barragem Média da largura de
fundo da brecha Inclinação das paredes da brecha Tempo de duração da formação brecha (horas) Fonte Terra/Enrocamento (0,5 a 3,0) x HD (1,0 a 5,0) x HD (2,0 a 5,0) x HD (0,5 a 5,0) x HD 0 a 1,0 0 a 1,0 0 a 1,0 0 a 1,0 0,5 a 4,0 0,1 a 1,0 0,1 a 1,0 0,1 a 4,0 USACE 1980 FERC NWS USACE 2007 Concreto (gravidade) Múltiplos blocos
Usualmente ≤ 0,5L Usualmente ≤ 0,5L Múltiplos blocos Vertical Vertical Vertical Vertical 0,1 a 0,5 0,1 a 0,3 0,1 a 0,2 0,1 a 0,5 USACE 1980 FERC NWS USACE 2007 Concreto (arco) Todo o barramento
Todo o barramento (0,8 x L) a L (0,8 x L) a L Incl. do vale 0 a incl. do vale 0 a incl. do vale 0 a incl. do vale < 0,1 < 0,1 < 0,1 < 0,1 USACE 1980 FERC NWS USACE 2007 Rejeito (0,8 x L) a L (0,8 x L) a L 1,0 a 2,0 0,1 a 0,3 ≤ 0,1 FERC NWS
HD = Altura do barramento, L = Largura da crista da barragem
FERC - Federal Energy Regulatory Comission; NWS - National Weather Service Fonte: Using HEC-RAS for Dam Break Studies (2004)
2.3 LEGISLAÇÃO VIGENTE
A Lei nº 12.334 de 20 de setembro de 2010 foi a primeira a ser sancionada a respeito da regulamentação de barragens no Brasil. Ela estabelece a Política Nacional de Segurança de Barragens (PNSB) e cria o Sistema Nacional de Segurança de Barragens (SNISB). Ela foi alterada em 30 de setembro de 2020 pela Lei 14.066. Atualmente a Lei se aplica a toda barragem destinada a acumulação de água de qualquer uso, disposição de rejeitos e acumulação de resíduos que possuam altura do maciço maior ou igual a 15 metros, capacidade total do reservatório maior ou igual a 3.000.000 m³ ou que contenha resíduos perigosos, categoria de dano potencial associado médio ou alto, ou categoria de risco alto.
A PNSB objetiva garantir alguns padrões de segurança e regulamentar algumas ações que devem ser adotadas, visando uma melhor gestão de riscos nas barragens e prevenindo
acidentes e suas consequências. Além disso, visa definir procedimentos emergenciais que possam ser estabelecidos pelos empreendedores, fiscalizadores e órgãos de proteção e defesa civil em caso de incidente, acidente ou desastre. Dessa forma, a PNSB, conta com alguns instrumentos como o Plano de Segurança da Barragem (PSB) e o Plano de Ação de Emergência (PAE), o Sistema Nacional de Informações sobre Segurança de Barragens (SNISB), o Relatório de Segurança de Barragens, o Sistema de Classificação de barragens por categoria de risco (CRI) e por dano potencial associado (DPA), dentre outros.
O PSB deve conter diversas informações, como por exemplo identificação e dados técnicos do empreendedor, o PAE, mapa de inundação, considerando o pior cenário identificado. Estas informações devem estar disponíveis e acessíveis, antes do início da operação da barragem, para a equipe responsável pela operação e gestão, tanto no local do empreendimento quanto para o órgão fiscalizador.
O PAE, que na Lei de 2010 era executado somente quando exigido pelo órgão fiscalizador, é obrigatório para todas as barragens de médio e alto dano potencial associado ou de alto risco. Ele estabelece diversas ações que devem ser tomadas em caso de emergência, como por exemplo recursos humanos e materiais necessários para resgatar atingidos e mitigar impactos ambientais, delimitação de Zona de Autossalvamento e da Zona de Segurança Secundária, plano de comunicação, planejamento de rotas de fuga, dentre outras.
A Lei traz ainda a responsabilidade da fiscalização desde as etapas de planejamento e projeto até as etapas de operação e desativação para órgãos como a Agência Nacional das Águas (ANA), Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) e Agência Nacional de Mineração (ANM).
A ANA é responsável pela fiscalização das barragens de usos múltiplos que ela tenha outorgado o direito de uso dos recursos hídricos quando o objeto for acumulação de água e aquelas que sejam outorgáveis por ela, exceto para aproveitamento energético. A ANEEL é responsável pela fiscalização das barragens com fins de geração hidrelétrica, sendo ela a entidade que concede ou autoriza o uso do potencial hidráulico nesta situação e a ANM é responsável pela fiscalização das barragens de mineração, sendo ela a entidade outorgante de direitos minerários para fins de disposição final ou temporária destes rejeitos (NEVES, 2018).
2.3.1 Classificação de Categoria de Risco e Dano Potencial Associado
A CRI e o DPA são instrumentos da PNSB. De acordo com a Lei 14.066/2020:
“O DPA é definido como dano que pode ocorrer devido a rompimento, vazamento, infiltração no solo ou mau funcionamento de uma barragem, independentemente da sua probabilidade de ocorrência, podendo ser graduado de acordo com as perdas de vidas humanas e impactos sociais, econômicos e ambientais.”
Segundo a Resolução nº 696/2015, da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), as barragens são classificadas quando à CRI considerando aspectos da própria barragem que influenciam na possibilidade de ocorrer um acidente, de acordo com os seguintes critérios:
a) altura do barramento;
b) comprimento do coroamento da barragem;
c) tipo de barragem quanto ao material de construção; d) tipo de fundação da barragem;
e) idade da barragem;
f) tempo de recorrência da vazão de projeto do vertedouro g) confiabilidade das estruturas extravasoras;
h) confiabilidade das estruturas de captação; i) eclusa;
j) percolação;
k) deformações e recalques; l) deterioração dos taludes;
m) existência de documentação de projeto;
b) estrutura organizacional e qualificação dos profissionais da equipe técnica de segurança da barragem;
c) procedimentos de inspeções de segurança e de monitoramento; d) regra operacional dos dispositivos de descarga da barragem; e e) relatórios de inspeção de segurança com análise e interpretação.
Quadro 4: Classificação quanto a CRI para barragens de acumulação de água Altura (m) Comprimento (m) Tipo de Barragem quanto ao material de construção Tipo de fundação Idade da Barragem Vazão de Projeto Casa de Força Altura ≤ 15m (0) comprimento ≤ 200m (2) Concreto convencional (1) Rocha sã (1) entre 30 e 50 anos (1) CMP (Cheia Máxima Provável) ou Decamilenar (3) Barragem/Dique sem Casa de Força Associada (0) 15m < Altura < 30m (1) Comprimento > 200m (3) Alvenaria de pedra / concreto ciclópico / concreto rolado - CCR (2) Rocha alterada dura com tratamento (2) entre 10 e 30 anos (2)
Milenar (5) Casa de Força associada a barragem por meio de conduto forçado ou túnel (2) 30m ≤ Altura ≤ 60m (2) Terra homogênea /enrocamento / terra enrocamento (3) Rocha alterada sem tratamento / rocha alterada fraturada com tratamento (3 entre 5 e 10 anos (3) TR = 500 anos (8) Casa de Força ao Pé da barragem (5) Altura > 60m (3) Rocha alterada mole / saprolito / solo compacto (4) < 5 anos ou > 50 anos ou sem informação (4) TR < 500 anos ou Desconhecida / Estudo não confiável (10) Solo residual / aluvião (5) Fonte: Adaptado de CNRH (2012).
Para barragens de acumulação de água, a classificação considera a altura do barramento, o comprimento, tipo de barragens, o tipo de fundação, a idade da barragem e a vazão de projeto. Cada categoria considera uma pontuação de 0 a 10, dependendo da categoria, e ao final, a Categoria de Risco (CRI) contempla uma soma. Considera-se um CRI alto igual ou acima de 62, médio entre 35 a 62 e baixo, menor ou igual a 35, a não ser que haja algum problema de Estado de Conservação.
Para a classificação quanto ao DPA, os critérios são: a existência de população a jusante com potencial de perda de vidas humanas, a existência de unidades habitacionais ou equipamentos urbanos ou comunitários, existência de infraestrutura ou serviços, a existência de equipamentos de serviços públicos essenciais, a existência de áreas protegidas definidas
em legislação, a natureza dos rejeitos ou resíduos armazenados, quando for o caso, e o volume. Essa classificação é feita segundo o Quadro 5, em que cada categoria recebe uma nota que é somada no final.
Quadro 5: Classificação quanto ao DPA Volume Total do Reservatório
(m³)
Potencial de perdas de vidas humanas
Impacto Ambiental Impacto Socioeconômico PEQUENO
≤ a 5 milhões (1)
INEXISTENTE (Não existem pessoas permanentes/residentes ou temporárias/transitando na área afetada a jusante da
barragem) (0) SIGNIFICATIVO (Área afetada da barragem não representa área de interesse ambiental, áreas protegidas em legislação específica ou encontra-se totalmente descaracterizada de suas condições naturais) (3) INEXISTENTE (Não existem quaisquer instalações e serviços de navegação na área afetada por acidente da barragem) (0) MÉDIO 5 milhões a 75 milhões (2) POUCO FREQUENTE (Não existem pessoas
ocupando permanentemente a área
afetada a jusante da barragem, mas existe estrada vicinal de uso
local) (4) MUITO SIGNIFICATIVO (Área afetada da barragem apresenta interesse ambiental relevante ou protegida em legislação específica) (5) BAIXO (Existe pequena concentração de instalações residenciais e comerciais, agrícolas, industriais ou de infraestrutura na área afetada da barragem ou instalações portuárias ou serviços de navegação) (4) GRANDE 75 milhões a 200 milhões (3) FREQUENTE (Não existem pessoas
ocupando permanentemente a área
afetada a jusante da barragem, mas existe
rodovia municipal, estadual, federal ou outro
local e/ou empreendimento de permanência eventual de
pessoas que poderão ser atingidas) (8) - ALTO (Existe grande concentração de instalações residenciais e comerciais, agrícolas, industriais, de infraestrutura e serviços de lazer e turismo na área afetada
da barragem ou u instalações portuárias ou serviços de navegação (8) MUITO GRANDE > 200 milhões (5) EXISTENTE (Existem pessoas ocupando permanentemente a área afetada a jusante da barragem, portanto, vidas
humanas poderão ser atingidas)
(12)
- -
Para barragens de acumulação de água considera-se um DPA alto se maior ou igual a 16, médio entre 10 e 16 e baixo, menor que 10.
A combinação dessas duas classificações gera a classificação final da barragem de acordo com a Matriz de Classificação do CNRH e da ANEEL que pode ser visualizada no Quadro 6.
Quadro 6: Matriz de Classificação quanto ao CRI e DPA
Categoria de Risco Dano Potencial
Alto Médio Baixo
Alto A B B
Médio B C C
Baixo B C C
Fonte: ANEEL, 2015.
Atualmente no Brasil há 19.892 barragens cadastradas e na Figura 8 pode-se ver a classificação delas por DPA e CRI.
Figura 8: Classificação das barragens brasileiras por DPA e CRI
Fonte: ANA, 2020. 2.4 HEC-HAS
O modelo HEC-HAS (Hydrologic Engineering Centets River Analysis Systems) foi criado pelo corpo de engenheiros do exército americano e é dos modelos hidráulicos mais populares na delimitação de áreas de inundação (USACE, 2007). Sua versão 1D realiza
cálculos unidimensionais, em regimes permanente e não permanente, transporte de sedimentos, modelagem de cabeceiras e análise da temperatura da água em rios, canais e reservatórios (MARANGONI et al, 2017).
O modelo hidrodinâmico HEC-RAS é regido por equações unidimensionais originais de fluxo não permanente em leitos fluviais, desenvolvidas por Adhémar Jean Claude Barre de Saint- 43 Venant e publicadas em 1870 (LAURIANO, 2009). O escoamento obedece a leis da física, e o comportamento é descrito por equações de conservação de massa, energia e quantidade de movimento, que podem ser vistas abaixo.
- Equação da conservação da massa: 𝜕ℎ 𝜕𝑡 + 𝑢 𝜕ℎ 𝜕𝑥+ ℎ 𝜕𝑢 𝜕𝑥= 0 - Equação da conservação da quantidade de movimento
𝜕𝑢 𝜕𝑡+ 𝑢 𝜕𝑢 𝜕𝑥+ 𝑔 𝜕ℎ 𝜕𝑥= 𝑔(𝑆𝑜 − 𝑆𝑓) Onde: t = tempo (s); x = direção do escoamento (m);
u = velocidade média do escoamento (m/s); g = aceleração da gravidade;
h = espessura da lâmina líquida (m); S0 = declividade do leito (m/m);
Sf = declividade da linha de energia (m/m).
O HEC-RAS aplica as equações em regime permanente, para casos em que se necessita simular o fluxo das águas e não permanente, para casos de simulações de rompimentos, e apresenta o resultado em formas de dados, tabelas e figuras que demonstram as seções transversais, o vale atingido pela enchente (de acordo com as informações lançadas pelo usuário) e gráficos.
O pré-processamento é realizado a partir do uso de um modelo do terreno com informação do relevo, realiza a extração das seções transversais do rio e prepara um arquivo em formato compatível para ser importado pelo HEC-RAS. No sentido inverso, com os resultados da simulação hidrodinâmica, é possível realizar o mapeamento da planície de inundação em softwares de geoprocessamento e, dessa forma, avaliar que partes das cidades são atingidas pelas cheias de diferentes magnitudes (NETO et al, 20.
Como vantagens, sabe-se que o modelo permite facilmente a integração com um SIG e ainda é gratuito de fácil manejo pelo usuário. A maior limitação do modelo é o seu carácter unidimensional que, mantendo a cota da superfície livre constante na secção transversal, não é
apropriado quando as secções transversais da linha de água apresentam irregularidades acentuadas (FERNANDEZ et al, 2013). Além disso, o modelo ainda traz outras hipóteses simplificadoras, como a distribuição hidrostática de pressões, que assume a inexistência de componentes de aceleração no sentido longitudinal. Lauriano et al (2009) também evidencia que a perda de carga estimada pela equação de Manning, a declividade do fundo do canal pequena, o fato do fluido ser tratado como incompressível e homogêneo (massa específica constante) e a criação de um perfil uniforme de velocidade na seção transversal do canal, são hipóteses simplificadoras da aplicação das equações de conservação da massa e da quantidade de movimento no estudo da propagação de uma onda de cheia proveniente da ruptura de uma barragem.
3 METODOLOGIA
3.1 CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO
3.1.1 Localização
A barragem deste estudo pertencerá à CGH Barra do Leão, prevista para ser instalada na Bacia do Rio Paraná, no município de Rio Bonito de Iguaçu – PR (Figura 9). Tal será construída em solo compactado com enrocamento de proteção no trecho de montante e vertedouro em soleira livre, dimensionado para suportar uma cheia de 10.000 anos.
A potência instalada é de 3000 kW e a área alagada prevista é de 24,12 ha, incluindo a calha do rio. Atualmente a CGH está em processo de licenciamento no Instituto Ambiental do Paraná (IAP).
Figura 9: Localização da Área da Bacia da CGH Barra do Leão
Figura 10: Arranjo Geral da CGH Barra do Leão
De acordo com o IBGE (2020), a população estimada em Rio Bonito do Iguaçu é de 13.255 pessoas, a densidade demográfica é de 18,31 hab/km² e a área de 681,406 km² (IBGE, 2020).
3.1.2 Clima
Os dados de clima foram retirados do Projeto Básico da CGH Barra do Leão. A região da Bacia do rio Chagu se encontra na transição dos climas de variedade Cfa e Cfb. A variedade "Cfa" se caracteriza por chuvas durante todos os meses do ano, temperatura do mês mais quente superior a 22°C, e a do mês mais frio superior a 3°C. A variedade "Cfb" apresenta chuvas durante todos os meses do ano, a temperatura do mês mais quente inferior a 22°C e a do mês mais frio superior a 3°C.
Utilizando-se a classificação de Köeppen, pode-se concluir que o clima predominante na bacia é do tipo Cf, isto é, temperado chuvoso de ambiente úmido. O inverno é acentuado, estendendo-se de junho a agosto, sendo julho o mês mais frio. A curta duração dos dias e a atuação da massa de ar polar induzem a temperaturas baixas, podendo descer a valores próximos de 0 grau. A região da bacia do rio Chagu varia de 18 a 22 graus Celsius.
Em relação à apresentação, na região da bacia do rio Chagu a precipitação média anual se encontra ao redor dos 2.000 mm médios anuais. O rio Chagu se encontra entre os postos Quedas do Iguaçu – (02552000) com precipitação média anual de 2.044 mm no período de 1982 a 1997 e o posto Santa Clara – (02551004) com precipitação anual de 2.037 mm no mesmo período. Assim podemos esperar precipitação semelhante para a bacia do rio Chagu.
3.1.3 Características da Bacia
A área de drenagem é definida como a projeção em planta da superfície contida entre os divisores de água da bacia. Para definição da área de drenagem do rio Chagu no local da barragem da CGH Barra do Leão, foi utilizado o software Quantum GIS (QGIS), o valor obtido foi de 279,070 km². A declividade média foi obtida através do Projeto Básico da CGH e fornecida pela PROSENGE Projetos e Engenharia. O valor fornecido foi de 0,00989 m/m.
O tempo de concentração é o tempo necessário para que toda a bacia contribua para a vazão em uma determinada seção do rio. Um tempo de concentração baixo significa que o pico de cheia tende a ser mais abrupto. Para a Bacia onde está localizado o rio Chagu o valor encontrado foi de 8,05 horas e foi calculado através do Método Dodge, uma vez que esse
método é recomendado para bacias rurais com áreas entre 140 a 930 km² (TUCCI, 2004). O método utiliza a Equação:
𝑡𝑐 = 21,88 𝑥 𝐴0,77𝑥 𝑆−0,17, em que:
tc = tempo de concentração em horas; A = área da bacia em km²;
S = declividade da bacia em m/m.
3.1.4 Uso do Solo
As áreas urbanizadas não estão presentes nas proximidades do empreendimento, apenas pequenas propriedades. A região possui somente pequenas culturas agrícolas e criação de gado leiteiro, de acordo com o Relatório Ambiental Simplificado, do licenciamento ambiental do empreendimento. A agricultura e a pecuária são as principais fontes de renda familiar da região. Dentre as culturas cultivadas, o milho está presente em 76% das lavouras para a produção de silagem que alimenta o gado, e a soja tem pequena representação na localidade. A comunidade também costuma plantar para sua subsistência batata inglesa, arroz, batata doce, feijão, abóbora, mandioca e verduras diversas. A população local também costuma pescar e caçar animais silvestres na região (ECOSSIS, 2016).
Na Figura 11, pode-se ver o mapa de uso do solo para a região do barramento, em que se observa que ao redor do rio há muita região de vegetação preservada, com alguns cultivos e pastagens.
Figura 11: Mapa de Uso do Solo na região do barramento
3.2 ESTUDO HIDROLÓGICO
O estudo hidrológico tem por função a definição das vazões médias e máximas em diferentes pontos da bacia para os tempos de retorno e cenários pré-determinados. Como não há nenhuma estação fluviométrica instalada no Rio Chagu, não foi possível obter dados diretos de vazões. Dessa forma, optou-se pelo estudo de regionalização de vazões a partir de estações da mesma região hidrológica e com características semelhantes.
Para obtenção dos dados de vazão, utilizou-se a plataforma Hidroweb, da Agência Nacional de Águas, e obteve-se o histórico de vazões das estações mais próximas do empreendimento. Essas estações e sua localização podem ser vistas na Figura 12.
Figura 12: Localização das estações fluviométricas analisadas
Para escolha da estação utilizada, levou-se em consideração a distância até o Rio Chagu, o número de registros de vazão nos dados da ANA, o comprimento e a declividade do rio. Esses valores podem ser vistos na Tabela 2.
Tabela 2: Estações Fluviométricas e informações
Estação Rio
Comprimento do Declividade Área Bacia Dados Distância Rio (km) Média do
Rio (%) (km²)
disponíveis
(km)
Balsa do Santana Paraná 30 2 1720 552 59,37
Porto Santo Antônio Paraná 133 1,2 1080 347 57,00
Ponte do Vitorino Vitorino 93 1,4 554 762 71,43
Salto Claudelino Chopim 416 0,4 1660 645 94,74
Usina do Cavernoso Cavernoso 125 0,8 1490 657 27,07
Fonte: Elaborado pela Autora (2020).
Por esses critérios, e por conta da maior semelhança entre a região do Rio Chagu e a do Rio Cavernoso, a estação fluviométrica selecionada para regionalização foi a Usina Cavernoso, em que havia 56 anos de dados. Com a obtenção das vazões diárias a partir das correlações com a estação, foi possível obter os valores de vazão máxima e vazão média para o local do barramento da CGH Barra do Leão.
Para esse trabalho serão utilizadas vazões em três diferentes cenários, com a vazão de pico considerando os seguintes tempos de retorno (TR):
• Cenário 1: TR de 10 anos • Cenário 2: TR de 100 anos • Cenário 3: TR de 10.000 anos
A justificativa da escolha dos cenários é que o cenário 1 tem como objetivo simular uma ruptura em dia de sol (sem influência da precipitação), o cenário 2 simular uma cheia relativamente comum de acontecer, enquanto o cenário 3 constitui a vazão utilizada para o dimensionamento das estruturas hidráulicas, como o vertedouro, segundo a Eletrobrás (2003).
A análise estatística dos dados das cheias máximas anuais demonstrou que a melhor distribuição estatística para os dados disponíveis é a distribuição exponencial, uma vez que a assimetria dos dados é maior que 1,5 (ELETROBRÁS, 2000). Os parâmetros de distribuição e valores de cheias obtidos para os tempos de recorrência de 10, 100, e 10000 anos podem ser vistos na Tabela 3.
Tabela 3: Vazões máximas normais por tempo de recorrência Vazão Máx Q (m³/s) TR Anos 10 173,51 100 342,10 10.000 679,26
Fonte: Elaborado pela Autora (2020).
Vale ressaltar que, como os postos fluviométricos com séries antigas não possuem registradores contínuos de nível d’água e as leituras de régua ocorrem apenas uma ou duas vezes ao dia, os valores obtidos para as vazões máximas diárias devem ser convertidos em valores máximos instantâneos, através do coeficiente de majoração da expressão empírica de Fuller (NAGHETTINI & PINTO, 2007). Para a obtenção da vazão instantânea de pico, foi utilizada a equação de Fuller (Equação 1), em que a correção da vazão máxima se dá pela área da bacia hidrográfica. O coeficiente de Fuller obtido para área da bacia na barragem foi de 1,49, sendo então, as vazões máximas instantâneas obtidas com a utilização da vazão máxima normal multiplicada pelo valor do coeficiente. Esses valores podem ser vistos na Tabela 4.
𝐹=1+2,66 𝐴𝐷0,3 (1)
Em que:
F = coeficiente de majoração de Fuller (adimensional); AD = área de drenagem da bacia (km²).
Tabela 4: Vazões máximas instantâneas por tempo de recorrência Vazão Máx Derivação Q (m³/s) TR Anos 10 258,72 100 510,10 10.000 1012,85
Fonte: Elaborado pela Autora (2020).
Para calcular o efeito das cheias e da ruptura da barragem na área de influência da CGH Barra do Leão, foram utilizadas as 15 maiores cheias da bacia (Tabela 5). Os valores dos dias anteriores e seguintes foram coletados e distribuídos. Dessa forma, foi estimado o tempo de pico da cheia em 108 horas com a dissipação em 120 horas. Assim, sendo o período de estudo se inicia em 12 horas e segue de 24 em 24 horas até 228 horas. O hidrograma para
cada uma das cheias foi gerado e em seguida foram obtidos os hidrogramas de cheia para cada tempo de retorno (Figura 13).
Tabela 5: 15 maiores cheias da bacia Ano Q (m³/s) 1955 202,91 1982 157,14 1954 137,23 1983 124,03 1952 114,91 1990 97,07 2016 87,97 1998 87,37 2014 87,37 1961 81,36 1956 77,73 1953 72,86 1957 70,53 2015 68,95 1992 65,97
Fonte: Elaborado pela autora (2020).
Figura 13: Gráfico de hidrograma de cheia
Fonte: Elaborado pela Autora (2020). 3.3 ELABORAÇÃO DO MODELO 0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 1000.00 1200.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 Vaz ão (m³/s ) Tempo (horas)
Hidrograma de Cheia
TR 10 TR 100 TR 10.0003.3.1 Levantamento Topográficos e Batimétrico
Os dados referentes aos levantamentos topográficos e topobaltimétricas foram realizados previamente e fornecidos pela empresa PROSENGE Projetos e Engenharia. O levantamento topográfico foi realizado em escala 1:10.000 e possui curvas de nível com intervalos de 5 metros. Também foram cedidos dados de níveis d`água advindos de levantamentos de campo.
3.3.2 Geometria do Modelo
Na elaboração do modelo matemático do rompimento da barragem Barra do Leão, utilizou-se 4 seções topobaltimétricas dispostas (Figura 14). Como não há seções suficientes para representar a geometria real do rio, foi gerada uma superfície no software AUTOCAD Civil 3d a partir das curvas de nível disponibilizadas, para a inserção de seções em toda a extensão do rio. Foram geradas 45 seções ao longo do trecho, conforme Figura 15. Em amarelo podemos ver as seções criadas enquanto em azul estão as seções batimétricas. No entanto, esse método não contempla a parte submersa do rio e, portanto, foi necessário adicionar um fundo ao rio, considerando a média do fundo das quatro seções batimétricas apresentadas. Após esta etapa, a superfície foi exportada para o software HEC-RAS 5.05.
Figura 14: Seções Batimétricas
Figura 15: Superfície e seções criadas no Autocad Civil 3d
3.4 APLICAÇÃO DO MODELO HEC-RAS
3.4.1 Coeficientes de rugosidade (Manning)
No software HEC-RAS foi inserido o número de Manning para cada seção transversal. O valor utilizado foi de n = 0,035, que, de acordo com o livro Open-Channel Hydraulics, Chow (1959), que é a base também no software HEC-RAS, representa um canal natural, com encostas laterais um pouco irregulares, fundo uniforme, limpo e regular e com pouca variação na seção transversal.
3.4.2 Calibração
A calibração do modelo foi realizada a partir de 8 níveis de água distribuídos ao longo de todo o modelo, com intervalo variando de 502,73 a 588,70 m. Os fundos das seções criadas foram ajustados para que os níveis de água fossem compatíveis com os dados reais disponíveis. Na Tabela 6 encontram-se os níveis de água utilizados e a seção na qual eles estão dispostos.
Tabela 6: Níveis d`água disponíveis
Seção NA (m) 5 502,726 8 507,936 11 512,865 22 536,178 27 567,614 34 578,635 40 585,390 43 588,693
Fonte: Elaborado pela Autora (2020).
Foi realizada então, a simulação do trecho do rio, com a vazão média histórica estabelecida no estudo hidrológico de 7,55 m³/s. A figura do perfil do rio após a calibração, com os respectivos níveis d`água pode ser vista abaixo.
Figura 16: Perfil do Rio Chagu com os respectivos níveis d`água
Fonte: Elaborado pela Autora (2020).
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 480 500 520 540 560 580 600
testee Plan: calibracao 17/11/2020
Main Channel Distance (m)
E le v a ti o n ( m ) Legend EG PF 1 WS PF 1 Crit PF 1 Ground OWS PF 1 T o p o 4 T o p o 3 T o p o 2 T o p o 1 b a rr a g e m Chagu Site 1
3.4.3 Inserção do barramento
A Barragem do estudo possui elevação de 581,5 m, com vertedouro em 578 m e 112 m de comprimento, de acordo com os dados do Projeto Básico fornecido pela empresa PROSENGE Projetos e Engenharia. O barramento inserido no modelo pode ser visualizado na Figura 17.
Figura 17: Barramento da CGH Barra do Leão
Fonte: Elaborado pela Autora (2020).
3.4.4 Geometria final do modelo
A geometria final do modelo contou com 45 seções transversais distribuídas ao longo do Rio Chagu, nos 30 km mostrados na Figura 18. As seções se encontram desde uma região a montante do barramento e seguem por toda a extensão do rio, até a região onde está prevista a construção de um reservatório de outra CGH. As 45 seções criadas foram interpoladas, aproximadamente, a cada 150 m, totalizando 211 seções para uma melhor representação do trecho.
A flecha indica o sentido do rio, que é da seção 45 para a seção 1. Na seção 28 está a barragem Barra do Leão, na seção 22, encontra-se a casa de força do empreendimento e nas seções 14 e 3 temos duas pontes, definidas como Ponte 2 e Ponte 1, respectivamente. Cabe evidenciar que no estudo de área inundável, identificar pontes é interessante, já que ela pode interferir na evacuação da população quando houver uma emergência. A casa de força também deve ser analisada com cuidado, uma vez que possui normalmente funcionários trabalhando nela, que são os mais afetados em caso de um eventual acidente.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 560 565 570 575 580 585 590 595
CGHBarraLeao Plan: hotstar Station (m) E le v a ti o n ( m ) Legend Ground Bank Sta
Figura 18: Geometria final do modelo
Fonte: Elaborado pela Autora (2020).
Site 1 45 44 43 42 41 39 37 36 35 34 33 32 31 29 28 27 26 25 24 23 21 20 19 18 17 16 14 13 12 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 C h a gu
3.4.5 Dados das brechas de ruptura
Para este estudo foi determinado rompimento por piping. Os parâmetros de ruptura foram estimados a partir da metodologia de USACE (2007), o qual define parâmetros de ruptura para barragens de terra, conforme mostra na Tabela 1 do capítulo de Revisão bibliográfica. Na tabela abaixo, apresenta-se os dados de entrada da brecha utilizados no modelo e na Figura 19, a imagem da formação da brecha. Também foi estipulado o tempo de formação de ruptura da brecha em 60 minutos, de acordo com critérios da Eletrobrás (ELETROBRÁS, 2003).
Tabela 7: Parâmetros da brecha de ruptura
Parâmetro Valor
Largura do Fundo da Brecha (m) 16 Inclinação das paredes da brecha (H:V) 0,9 Duração da formação da brecha (horas) 1
Figura 19: Brecha de ruptura
3.4.6 Condições de contorno
As condições de contorno estabelecidas para a modelagem deste estudo foram: a montante foram inseridos os hidrogramas de cheias referentes aos tempos de retornos dos cenários propostos (10, 100 e 10,000 anos) e, a jusante utilizou-se a declividade das últimas seções de jusante, com o valor calculado de 0,005.
3.5 CLASSIFICAÇÃO
Para a classificação da barragem por categoria de risco e por dano potencial associado, foram utilizados os Quadro 4 e Quadro 5 apresentados no capítulo da Revisão Bibliográfica “Legislação Vigente”.
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 ÁREAS ATINGIDAS E COTA MÁXIMA
A partir das simulações realizadas, foram obtidos os resultados para cada cenário, tanto na situação natural do Rio Chagu, quanto no rompimento da barragem da CGH Barra do leão, que serão apresentados abaixo.
Em toda a extensão do modelo, verificou-se que não há casas atingidas em nenhum dos cenários simulados, porém, há estruturas como a Casa de Força da Usina e duas pontes. Abaixo encontra-se a Tabela 8, que mostra as cotas de proteção dessas estruturas e os níveis de água máximos atingidos em cada simulação.
Tabela 8: Níveis na Casa de Força e Ponte – Natural e com rompimento da Barragem Barra do Leão
Estrutura Condição Cota de Proteção
(m)
Níveis
TR 10 TR 100 TR 10.000
Casa de Força Barra do Leão Natural sem rompimento 542,05 538,90 540,50 542,57
Com rompimento barragem 541,86 542,40 543,32
Ponte 2 (Passagem Molhada) Natural sem rompimento 525* 522,95 524,49 526,67
Com rompimento barragem 525,38 526,15 527,26
Ponte 1 (Ponte do Rio Chagu) Natural sem rompimento 515* 504,60 506,68 508,36
Com rompimento barragem 506,90 507,67 508,89
*Cota estimada
Fonte: Elaborado pela Autora (2020).
Dessa maneira, observa-se que na condição do cenário 1 (TR de 10 anos), a Casa de Força estaria protegida, já que sua cota é de 542,05 e no rompimento da barragem, o máximo que a inundação atingiria seria de 541,86. No cenário 2 (TR de 100 anos), seria atingida somente com o rompimento da barragem, chegando a uma cota de 542,40 e para o cenário 3
(TR de 10.000 anos), seria atingida em ambos os casos, com cotas de 543,32 no rompimento. Nesse último caso, atingiria mais de um metro acima da cota de proteção da casa de força.
Em relação as pontes, percebe-se que a Ponte 2, mais próxima à barragem, também seria atingida com o rompimento para o cenário 2 (TR de 100 anos) e tanto na cheia natural quanto no rompimento para o cenário 3 (TR de 10.000 anos). Na Figura 20 abaixo, pode-se verificar uma imagem da Ponte 2 (Passagem Molhada). Nesses casos também a inundação da ponte também ultrapassaria 1 m, dificultando a passagem em caso de emergência.
Figura 20: Ponte 2 (Passagem Molhada)
Fonte: Projeto Básico CGH Barra do Leão – PROSENGE Projetos e Engenharia
Já a Ponte 1, mais a jusante do barramento, em todos os cenários simulados estaria protegida. Com uma cota estimada de 515, estaria segura caso fosse necessária para rota de evacuação. Na Figura abaixo, pode-se verificar que a Ponte 1 tanto em época de seca (a) quanto em época de cheia (b) não é alagada, confirmando os dados apresentados.
Figura 21: Ponte 1 em seca (a) e cheia (b)
Fonte: Arquivos pessoais – PROSENGE Projetos e Engenharia. 4.2 MAPA DE INUNDAÇÃO
A partir da onda de inundação, foram gerados os mapas de inundação nas cotas máximas atingidas, tanto para uma inundação somente pela cheia, quanto para o rompimento hipotético da barragem, nos três cenários propostos neste estudo.
Na Figura 22 é possível visualizar a área de inundação pela cheia num tempo de retorno de 10 anos (azul claro) quanto pelo rompimento da barragem (vermelho) em todo o trecho do rio.
Figura 22: Mapa de Inundação TR 10 anos
Nota-se que a diferença na área inundada pela cheia e pelo rompimento da barragem não é expressiva, a justificativa para tanto está associada ao tamanho do reservatório caracterizado por ser um reservatório pequeno, no caso em questão, com 1,2 hm³.
Na Figura 23, podemos visualizar as seções de interesse, que foram atingidas tanto pela cheia quanto pelo rompimento da barragem. Na imagem (a), temos a seção identificada pelo barramento, na (b), onde se encontrará a casa de força do barramento, na (c) a Ponte 2 e na (d) a Ponte 1.
Figura 23: Inundação nas seções de interesse – TR 10 anos
Fonte: Elaborado pela Autora (2020).
Pode-se notar que na Ponte 2 (c), o rompimento da barragem atinge uma área mais significativa se comparado a cheia natural, diferente das seções que mostram a barragem (a) e a casa de força do barramento (b). Já na Ponte 1 (d), nota-se que a cheia natural não atinge a área próxima dela, enquanto no rompimento seria observado um aumento do NA nessa seção.
Na Figura 24 é possível visualizar a área de inundação pela cheia de um tempo de retorno de 100 anos (azul claro) e pelo rompimento da barragem (vermelho).
Figura 24: Mapa de Inundação TR 100 anos
O resultado para este cenário foi semelhante ao cenário anterior, sendo o rompimento da barragem pouco expressivo se comparado à área de inundação referente a cheia natural.
Figura 25: Inundação nas seções de interesse – TR 100 anos
Fonte: Elaborado pela Autora (2020).
Na Figura 25, temos as inundações nas seções de interesse, (a) no barramento, (b) na casa de força, (c) na Ponte 2 e (d) na Ponte 1, que também se nota uma maior diferença entre a cheia natural e rompimento próximo às pontes. No entanto, para esse cenário, a cheia já estaria influenciando em áreas próximas a Ponte 1.
Na Figura 26, apresenta-se o mapa de inundação para a TR extrema, de 10.000 anos, com a cheia natural (azul claro) e com o rompimento da barragem (vermelho) e na Figura 27, as inundações nas seções de interesse (a), (b), (c) e (d), sendo barramento, casa de força, Ponte 2 e Ponte 1, respectivamente.
Figura 26: Mapa de Inundação TR 10.000 anos
Nessas imagens pode-se notar novamente que o rompimento da barragem atinge poucas áreas além do que a cheia natural já atingiria, corroborando com os cenários anteriores. Assim, pode-se confirmar os critérios estabelecidos na Lei de Segurança de Barragens, que exige este tipo de estudo de rompimento somente para barramentos com reservatórios iguais ou acima de 3 hm³, já que em reservatórios pequenos, o rompimento da barragem não impacta de maneira muito mais significativa que a cheia natural.
Figura 27: Inundação nas seções de interesse – TR 10.000 anos
Fonte: Elaborado pela Autora (2020).
Apesar do entorno não possuir pessoas próximas habitando, ainda há possibilidade de dano material num eventual acidente que pode e deve ser evitado. Por fim, esse tipo de estudo pode contribuir com o Plano Diretor do município, para que não se permita construções em áreas próximas a previsão de alagamento, evitando agravos maiores em casos extremos, como também para que se previna prejuízos maiores relacionados ao meio ambiente.
