ITABIRA E O VALE DO RIBEIRÃO DO PEIXE – UMA PROPOSTA

COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS XXX – SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS FOZ DO IGUAÇU – PR, 12 A 14 DE MAIO DE 2015 RESERVADO AO CBDB

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XXX Seminário Nacional de Grandes Barragens

ITABIRA E O VALE DO RIBEIRÃO DO PEIXE – UMA PROPOSTA DE

METODOLOGIA AUTOMATIZADA PARA A MITIGAÇÃO DOS RISCOS

Antonio Carlos Felício LAMBERTINI

Consultor – GEOSERVICE Geologia de Engenharia Ltda.

Carla Schmidt OBERDIEK

Consultor – M.Sc. in Sustainable Forestry and Land Use Management

RESUMO

A cidade de Itabira tem seu crescimento condicionado ao vale formado pelo ribeirão do Peixe, a jusante de importantes de barragens de contenção de rejeitos. O risco associado a este tipo de barragem é sensivelmente superior a barramentos de qualquer outra atividade.

A proximidade destes barramentos com a área urbana do vale a jusante exige uma reavaliação estatística das deteriorações físicas ocorridas, bem como a instalação de métodos mais ágeis de avaliação do comportamento destas barragens.

Este artigo propõe uma metodologia que de fato automatiza a captura e processamento das informações sobre o comportamento dos barramentos.

ABSTRACTS

The city of Itabira has its growth conditioned by the valley formed by the do Peixe

stream in the downstream region of major tailings impoundment dams.

The hazard associated to this kind of dam is considerably higher than any other dam

of any purpose.

The proximity of these dams to the urban area requires a statistic reassessment of

the phisical deterioration occured, as well as the adoption of more ágil methods of

assessing the behavior of theses dams.

This paper proposes a methodology that indeed automate the capture and

processing of the dam behavior informations.

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1. INTRODUÇÃO

Com cerca de 120.000 habitantes, o município de Itabira localiza-se a aproximadamente 100 km da capital do Estado de Minas Gerais. Encontra-se inserido na extremidade nordeste da unidade geológica denominada Quadrilátero Ferrífero cujas reservas medidas de minério de ferro atingem a marca de 10 bilhões de toneladas.

Limítrofe à área urbana do município, encontra-se o Complexo Itabira, responsável pela produção anual de 50 milhões de toneladas de minério de ferro. A infraestrutura necessária para atender a demanda operacional das 3 minas abrangidas pelo Complexo conta com 7 cavas, 11 pilhas de estéril, 14 barragens e 16 diques, conforme delineado na Figura 1.

FIGURA 1: Mapa do Condicionamento Geográfico da Cidade de Itabira

Fonte Vale (2011).

A presença destas instalações de mineração em quase toda a circunvizinhança condiciona o crescimento da área urbana em direção à planície Sul e Sudoeste do município, obrigando-o a acomodar parte de seus habitantes, oriundos de seu constante crescimento demográfico, junto ao vale formado pela calha do ribeirão do Peixe.

Esta área da cidade destaca-se não só pela sua exuberante paisagem, como também por abrigar dois importantes distritos industriais onde se encontram grandes indústrias de base e um complexo universitário onde está localizado o campus avançado de uma prestigiada universidade federal.

A infraestrutura urbana desta área conta com rede viária bem desenvolvida e com o tramo terminal de um ramal ferroviário de transporte de minérios o qual serve as minas do complexo com três peras ferroviárias. Conta ainda com sistemas de adução, sistemas de comunicação e uma robusta rede de distribuição elétrica de média e alta tensão.

A geomorfologia da região, esboçada na Figura 2, indica mais precisamente o posicionamento geográfico do município de Itabira e as principais instalações

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mineradoras de sua cercania, mostrando a forte influência da bacia do rio do Peixe em todo o vale.

FIGURA 2: Complexo Itabira - Esboço Geomorfológico 2008. Fonte: C.F.Andrade

O esboço mostra ainda as planícies de inundação que normalmente ocorrem por ocasião de chuvas mais intensas. A presença de lagoas e de edificações sobre palafitas de concreto sugere a vulnerabilidade deste vale a inundações

A topografia da região do Complexo Itabira e do seu entorno indica que suas encostas podem chegar a elevações acima dos 1300 metros e o vale do ribeirão do Peixe entre as elevações 670 e 750 numa distância inferior a 5 quilômetros.

Este condicionamento topográfico leva a inclinações muito elevadas, muito próximas ou mesmo superiores à inclinação crítica a qual, dependendo da severidade do fluxo d´água, pode conduzir a um regime de escoamento torrencial (Fr > 1). Neste caso não só haveria inundação, mas esta seria antecedida por um escoamento supercrítico, com prováveis consequências indesejáveis.

Ao se analisar a bacia do ribeirão do Peixe, pode se estimar a área de drenagem de um ponto de controle situado junto ao limite da área urbana de Itabira, em aproximadamente 60 km2. Embora pouco representativa esta área da bacia de contribuição é suficientemente capaz de fazer com que o vale formado por este pequeno ribeirão ganhe proporções equiparáveis ao vale de um rio caudaloso de porte, tendo em conta o reduzido tempo de concentração, determinado pelas altas declividades da circunvizinhança.

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2. DESCRIÇÃO DOS BARRAMENTOS

Dentre os quase quarenta barramentos existentes no município de Itabira, destaca-se a barragem Santana recentemente construída no trecho urbano do vale formado pela calha do ribeirão do Peixe. Muito próximo e a montante deste corpo d’água destacam-se outros quatro barramentos: Cambucal I e II, na cabeceira de um pequeno córrego que atravessa a cidade até desaguar no rio dos Peixes, da Conceição que barra os córregos Pedra Branca e Conceição afluente do ribeirão do Peixe, e a barragem de Itabiruçu, no próprio ribeirão do Peixe.

Todas elas foram construídas em aterro, sendo que as duas primeiras são para conter sólidos provenientes de erosões, e as outras se prestam somente para contenção de rejeitos provenientes das minas adjacentes.

2.1 BARRAGEM SANTANA

Inserida no vale do ribeirão do Peixe, muito próximo à área urbana, encontra-se um importante corpo d´água contido pela Barragem Santana, recentemente construída. Este barramento destina-se à captação de água do rio do Peixe para o abastecimento de boa parte das necessidades do município. Sua crista encontra-se aproximadamente na elevação 750m com uma altura de 60m, seu reservatório possui um volume de 11 hm3. Este barramento está muito próximo e a jusante de todos os outros quatro barramentos descritos a seguir.

2.2 BARRAGENS CAMBUAL I E II

As barragens Cambucal I e II implantadas na cabeceira do córrego das Abóboras, incluindo seu afluente o córrego Pedra Branca, são destinadas à retenção de material líquido proveniente das atividades minerarias e que também carregam sólidos oriundos dos processos erosivos intensificados pela ação antrópica. Nota-se a presença de processos erosivos avançados junto à ombreira esquerda de uma das barragens, o que pode vir a comprometer sua estabilidade.

A capacidade de armazenamento é pequena, aproximadamente 2 hm3 cada uma, entretanto ambas encontram-se a montante do córrego das Abóboras, no perímetro urbano de Itabira, onde seu leito foi retificado para caminhar paralelamente a uma importante avenida municipal.

2.3 BARRAGEM DA CONCEIÇÃO

A oeste da cidade de Itabira, entre as minas do Meio e Conceição, encontra-se o barramento dos córregos Pedra Branca e Conceição, denominado Barragem Conceição. Construída na década de 1980 com a finalidade de conter os rejeitos gerados nas minas. Sua crista encontra-se aproximadamente na elevação 970m e apresenta 60 metros de altura e uma capacidade de armazenamento de 40 hm3. Em toda a margem esquerda de seu reservatório encontra-se a pilha de deposição de estéril denominada Mangueira. Pouco mais a jusante da barragem encontram-se as pilhas Vale da Dinamitagem e Correia. Todas estas pilhas sofreram pequenas

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ocorrências de instabilidade como aberturas, recalques, depressões e erosões, porém sem maiores consequências.

2.4 BARRAGEM DE ITABIRUÇU

Na cabeceira do rio do Peixe, a cerca de três quilômetros a montante da Barragem Santana, encontra-se a barragem de Itabiruçu onde são contidos os rejeitos gerados pela Mina Conceição, com uma capacidade de reservação de 230 hm3.

Esta barragem, cuja crista atualmente encontra-se aproximadamente na El. 835m, foi construída no início dos anos 1980 com uma altura de aproximadamente 50 metros. Seu projeto original já previa um alteamento por jusante de outros 20 metros. Este alteamento por jusante, conforme previsto em projeto, deu-se na primeira década dos anos 2000.

O controle do nível do reservatório se dá através de um vertedouro tulipa seguido de uma galeria extravasora em concreto com cerca de 500 metros de comprimento.

A galeria extravasora do vertedouro tulipa foi instalada numa região com grande probabilidade de ocorrência de solo residual de alta compressibilidade de modo que a galeria pode ter sofrido um deslocamento, muito provavelmente, maior que a capacidade de deformação do solo do maciço, o que eventualmente pode ter ocasionado o surgimento de grandes vazios que se estabilizam temporariamente, porém, com o alteamento da crista da barragem podem ocorrer vazamentos de água sob pressão pelas juntas da galeria chegando a provocar rompimentos hidráulicos prejudiciais ao maciço, com consequências irreversíveis e, em alguns casos, desastrosas.

Em sua ombreira esquerda, o barramento conta com um vertedouro de superfície do tipo crista livre e rápido com um desnível de 70 metros. A bacia de dissipação no final do rápido encontra-se a pouco mais de 100 metros da rodovia BR 434, com a direção da descarga em sentido oposto ao fluxo do córrego.

Em sua margem esquerda, ao longo do reservatório e logo a jusante, encontram-se as pilhas de deposição de rejeitos denominadas Canga superior e inferior. Estas pilhas iniciadas em 1980 já apresentaram sérios problemas de estabilidade quando, em 1995, época em que a pilha atingia uma altura de aproximadamente 50m, começou a serem observadas surgências a jusante e em áreas adjacentes ao talvegue. Esta surgência provocou o rompimento do dreno de fundo tendo como consequência a exposição de camadas drenantes e a saída descontrolada de água. Para atenuar esse problema, construiu-se uma bacia de retenção com barramento em dique com bombeamento das águas para o exterior.

Na eventualidade do rompimento da barragem de Itabiruçu o turbilhonamento formado pela extravasão do reservatório muito provavelmente atingirá o dique da bacia de retenção da pilha acima mencionada podendo, desta forma, deflagrar um perigoso processo erosivo.

2.5 O MÉTODO CONSTRUTIVO E DE ALTEAMENTO POR JUSANTE DE BARRAGENS DE

CONTENÇÃO DE REJEITOS

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A geologia da região de implantação dos barramentos apresenta solos residuais, depósitos aluvionares, saprolitos e xistos muito fraturados. Este terreno, embora não ideal, possui características de suporte aceitáveis à obra além de uma condição de equilíbrio estável, desde que mantidas as hipóteses de projeto.

Após a conclusão da primeira fase de implantação do barramento, com o início da deposição do rejeito no espaldar de montante da barragem, originam-se tensões de tração que são absorvidas pelo próprio maciço, conforme previsto em projeto. Entretanto, com a implantação dos alteamentos posteriores no espaldar de jusante do barramento, há uma nova configuração temporária de carregamento durante a construção, solicitando ainda mais o maciço à tração. Esta tração é muito difícil de ser combatida, podendo originar consequências severas como rachaduras ou mesmo deslocamentos angulares e verticais do maciço com a consequente perda da continuidade estrutural prevista em projeto. Esta situação é considerada de Perigo Extremo pela legislação.

A condição de fundação das ombreiras também pode comprometer o bom desempenho das estruturas uma vez que podem originar recalques superiores aos previstos em projeto, com o consequente decréscimo das pressões de contato e aumento do risco de ocorrência de fraturas hidráulicas, classificadas pela legislação como Perigosa.

Além da situação acima à época da construção do barramento são feitos cortes que podem descobrir uma eventual fratura abaixo do nível do reservatório. Esta fratura, muitas vezes com permeabilidade consideravelmente maior que a do maciço, após o enchimento do reservatório pode permitir um aumento da velocidade do fluxo d´água na fundação da estrutura provocando a erosão do solo atrás ou abaixo da estrutura descalçando-a e levando-a a ruína em casos extremos. Da mesma forma a legislação de segurança de barragens classifica este fato como Perigoso.

2.6 O CONDICIONAMENTO OPERACIONAL DO RESERVATÓRIO DE CONTENÇÃO DE REJEITO

O ritmo de operação da mina condiciona os níveis intermediários do lago. Esta variação de níveis pode vir a provocar importantes alterações hidrológicas como o período de recorrência, a borda livre do barramento entre outros, os quais devem ser incorporados à nova configuração de segurança do reservatório.

3. A GESTÃO DO RISCO

3.1 A EXPOSIÇÃO AO RISCO

Etimologicamente os acidentes referem-se a acontecimentos inesperados com consequências graves e, algumas vezes, irreversíveis. Já os incidentes referem-se a episódios imprevistos que alteram o desenrolar dos acontecimentos, mas sem consequências desastrosas. Entretanto, a perigosa concomitância de vários incidentes pode levar a um sério acidente com severas e indesejadas consequências.

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Cotidianamente estamos expostos à contingência acidental de fatos que podem levar a algum tipo de incidente no trabalho, no transporte, nos esportes, em desastres naturais e até mesmo no convívio social e nas horas de lazer.

Nota-se que, em qualquer lugar do mundo, muitos acidentes que resultaram em graves consequências ocorreram por algum tipo de falha ocorrida em função do desconhecimento ou não reconhecimento da mínima probabilidade da concomitância de ocorrência de fatos. Isoladamente tais fatos apresentam baixa probabilidade de danos ou perdas, mas, quando ocorrem concomitantemente, ocasionam graves consequências, inclusive com a perda de vidas humanas.

O reconhecimento da probabilidade, mesmo que minimamente remota, de ocorrência destes fatos contribui para a melhoria da nossa segurança evitando, tanto quanto razoavelmente praticável (ALARP- As Low As Reasonably Practicable), a ocorrência de tais fatos. Embora um tanto dissonante, porém bastante eficaz no sentido de alerta e reconhecimento da potencial ocorrência de acontecimentos indesejáveis, denomina-se “risco” a quantificação probabilística de ocorrência destes fatos.

O conceito do risco é, em princípio, atrativo devido ao caráter racional, sistemático e transparente da sua quantificação e do diagnóstico dos assuntos que requerem atenção. Constitui, adicionalmente, uma base formal e consistente para apreciação da aceitabilidade do risco e uma base comum, em termos de custo-benefício, para avaliação de estratégias alternativas de mitigação do risco, tendo em vista a otimização do projeto, bem como um meio para comunicação ao público em geral e às autoridades.

3.2 A GESTÃO DO RISCO NAS BARRAGENS DE CONTENÇÃO DE REJEITOS

A probabilidade de ruína de barragens de contenção de rejeitos de mineração é significativamente mais frequente que a de barragens com outras destinações. Segundo dados mundiais a probabilidade anual de ruptura encontra-se entre 1 em 700 e 1 em 1.750, que não oferece uma comparação favorável com os menos de 1 em 10.000 que parece razoavelmente representativo para barragens convencionais. Esta comparação é ainda mais desfavorável se forem considerados os rompimentos não acompanhados da ruína da barragem ou perda das características estruturais previstas em projeto.

As barragens de contenção de rejeito podem apresentar “rupturas” ambientais enquanto mantém uma aparente integridade estrutural. As consequências, da mesma forma, são muito mais severas, devido ao alto volume de sólidos do resíduo, bem como o seu potencial de contaminação.

Atualmente, com o recrudescimento intangível das imposições ambientais e a devida valorização do ser humano, a importância da gestão do risco de barragem, toma a mesma proporção de outros ramos como transporte, segurança pública, esportes radicais etc.

De modo que, do ponto de vista hidráulico, a gestão do risco nos vales a jusante de barragens tem por objetivo fundamental o controle ou mitigação dos potenciais

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danos induzidos por acidentes hidrogeológicos naturais ou por acidentes e incidentes em barragens.

Como em qualquer outra atividade corriqueira a impossibilidade de eliminação de acidentes ou incidentes em barragens exige a gestão do risco associado em duas partes conceitualmente diferentes:

Avaliação do risco e o

Controle e Mitigação do risco.

3.2 ANÁLISE DE RISCO NO VALE A JUSANTE DE BARRAGENS

Vários são os perigos que ameaçam a segurança dos vales a jusante de barragens. Estes perigos podem ser identificados através de estudos e levantamentos realizados por profissionais especializados. Estudos como, por exemplo, a identificação das deteriorações possíveis na barragem que conduzam à sua ruptura parcial ou total e a correspondente propagação da onda de cheia, são análises relacionadas com a avaliação do risco no vale a jusante. Tais estudos constituem-se em respostas “racionais” ao fato dos vales localizados em regiões urbanas desenvolvidas e em constante crescimento, a jusante de barragens poderem eventualmente vir a sofrer o impacto de cheias de elevada magnitude.

3.3 OS LIMITES DA TOLERÂNCIA AO RISCO

A existência de uma barragem a montante pode dar a percepção de uma falsa segurança à população e resultar no esquecimento das práticas correntes e tradicionais de prevenção de cheias.

Esta percepção equivocada aumenta ainda mais a falsa sensação de segurança quando o vale a jusante apresenta um pequeno caudal com algumas poucas inundações localizadas produto de seu reduzido tempo de concentração.

Os fatos acima ocultam o verdadeiro potencial hídrico que ameaça o vale a jusante, exatamente como acontece na região metropolitana de Itabira junto ao vale do ribeirão do Peixe. O armazenamento hídrico desta região, que pode chegar à considerável marca de algumas centenas de hectômetros cúbicos (hm3), encontra-se potencialmente situado a mais de uma centena de metros acima da região metropolitana do vale do ribeirão do Peixe numa distância de pouco mais 5 quilômetros.

A aceitabilidade dos riscos sociais é calculada por curvas FN, estabelecidas em termos do número de vítimas, N, e a respectiva probabilidade anual de ruína (ou frequência, F, acumulada, por barragem e por ano), com um valor esperado de vítimas igual ou superior a N.

A aceitabilidade do risco parece variar significativamente com a condição socioeconômica do local onde a barragem se insere. Conforme a FIGURA 3, o limite de tolerância ao Risco Social é 10 vezes maior para barragens existentes, do que o é para barragens novas. Entretanto, o alteamento de barragens existentes deve ser regrado com uma curva de tolerância mais restrita seguindo os mesmos limites de tolerância das barragens novas. Além disso, no caso de barragens cujo vale a

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jusante encontra-se em constante desenvolvimento, como é o caso do vale do ribeirão do Peixe, a exposição ao risco de vidas (N) e bens patrimoniais aumenta constantemente.

FIGURA 3: Curva F x N

3.3.1 A redução do limite de tolerância da barragem de Itabiruçu

O desenvolvimento de novas tecnologias que viabilizam o tratamento de minério de ferro de tores mais baixos, assim como de itabiritos compactos, traz um novo horizonte de produção e vida útil ao Complexo Itabira. Para tanto se faz necessário um aumento proporcional da necessidade de contenção do rejeito produzido. A solução mais plausível para esta condição operacional seria a implantação de um terceiro alteamento da barragem de Itabiruçu.

Muito embora o limite de tolerância ao Risco Social seja cerca de 10 vezes maior para barragens existentes, o alteamento destas barragens deve ser regrado com uma curva de tolerância mais restrita, tendendo ao limite estabelecido para uma barragem nova, como mencionado acima. Além disso, no caso de barragens cujo vale a jusante encontra-se em contínuo desenvolvimento, como é o caso da barragem de Itabiruçu, a exposição ao risco de vidas (N) e bens patrimoniais aumenta constantemente inversamente proporcional ao nível de tolerância de sua ocorrência.

Com o advento da possibilidade de alteamento das barragens o risco social ou mesmo individual ultrapassa os limites de tolerância exigindo atualização de opções de providências que diminuam os riscos a níveis abaixo destes limites. Avaliados quanto à conformidade utilizando o principio ALARP “As Low As Reasonably Practicable”, formulando opções de redução de risco adicional os quais trariam o perfil do risco bem abaixo dos limites de tolerância com uma relação custo benefício aceitável.

As condições de segurança atuais e futuras, aliadas ao fato de que o vale a jusante ganhou novas características de desenvolvimento socioeconômico são indicadores

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de que deve haver uma reavaliação estatística das deteriorações física e conceituais da barragem de Itabiruçu, bem como do grau de segurança identificado em estudos anteriores.

4. MITIGAÇÃO DOS RISCOS NOS VALES A JUSANTE DE BARRAGENS

A gestão do risco compreende as fases de avaliação e de mitigação do risco. Tendo sido previamente apresentado um conjunto de procedimentos destinados a apoiar a avaliação do risco nos vales a jusante de barragens, são agora expostas diferentes metodologias cujo propósito visa a mitigação do risco para fazer face às situações de emergência originadas por deteriorações numa barragem.

4.1 CONTROLE DE RISCOS

A segurança de uma barragem é a sua capacidade para satisfazer as exigências do comportamento relativas a aspectos estruturais, hidráulico-operacionais e ambientais, de modo a evitar a ocorrência de acidentes ou minorar suas consequências ao longo de sua vida útil.

O controle dos riscos é um conjunto de atividades integradas que engloba a decisão, a mitigação, a prevenção, a detecção, o planejamento de emergência, a revisão e a comunicação dos riscos. No fundo é um conjunto de medidas com o objetivo de manter ou reduzir o risco e a promoção de reavaliações periódicas da sua eficácia.

A observação dos riscos é concretizada através da implementação de uma monitorização contínua de todos os aspectos envolvidos, que incluem designadamente uma revisão periódica da segurança das estruturas.

4.2 AVALIAÇÃO DO RISCO DA SEGURANÇA DA BARRAGEM

Conceitualmente a Avaliação do Risco é um processo de decidir se os riscos existentes são toleráveis e as providências atuais de controle de risco são adequadas e, se não o forem, se as medidas alternativas de controle de risco são justificáveis ou serão implementadas.

A avaliação do risco associado ao cenário apresentado acima pode ser obtido a partir da consideração de consequências possíveis (designadamente, perdas de vidas e custos) de acontecimentos indesejáveis, conjugada com a probabilidade de ocorrência de fatores (exógenos e endógenos) intervenientes no processo.

Como em qualquer outro acidente, também neste caso o melhor remédio é a prevenção que passa pela gestão do risco do sistema reservatório-barragens em cascata-vale a jusante, que vai desde a probabilidade de ocorrência da cheia induzida até a vulnerabilidade do vale a jusante.

4.2.1 Critério de avaliação do risco

Um dos critérios para a avaliação do risco nos vales a jusante de barragens com maior divulgação mundial foi o desenvolvido pelo Australian National Committee on

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Lage Dams (ANCOLD), que adaptou um princípio, inicialmente desenvolvido para quantificar o risco nos transportes, ao contexto da segurança das barragens.

A análise de riscos é um conjunto de procedimentos qualitativos referentes à identificação dos acontecimentos indesejáveis que conduzem à materialização dos riscos, à análise dos mecanismos que desencadeiam esses acontecimentos e à determinação das respostas das estruturas e das respectivas consequências (estimativa da extensão, da amplitude e da probabilidade da ocorrência de perdas). Numa análise de riscos há três componentes:

Um acontecimento (mecanismo de deterioração).

Uma probabilidade associada à ocorrência desse acontecimento.

Um dano potencial associado a esse acontecimento.

4.2.2 Limitações da Análise de Riscos

As análises de risco ainda não constituem uma prática corrente na Engenharia de Barragens, apontando-se, entre outros, os seguintes motivos (Morris et al., 2000):

A reduzida familiaridade e o cepticismo de parte da comunidade científica e técnica relativamente às técnicas de análise de riscos;

O fato de dados se revelarem inadequados para a aplicação de alguns métodos de análise de riscos;

A dependência do comportamento de uma barragem de interações complexas entre as suas diversas componentes;

A complexidade da estimativa da probabilidade de ocorrência de determinados modos de ruptura, em que a erosão interna do corpo de barragens de aterro é o exemplo mais frequentemente assinalado.

Os custos envolvidos nas análises não comporem as verbas de manutenção das barragens;

A existência de dificuldades de aplicação de alguns métodos e na compreensão ou nas consequências dos resultados associados à avaliação dos riscos de uma barragem.

4.2.3 Análise de Riscos versus Controle da Segurança

As ações de apreciação, de controle e de mitigação de riscos exigem o envolvimento ativo de entidades sociais, políticas e reguladoras, e podem incorporar a comunicação ao público e a participação ativa da sociedade.

Na fase de tomada de decisão e controle e mitigação dos riscos entra-se numa área comum do controle de segurança de barragens que está presente na maior parte das disposições normativas e regulamentares, como sejam, por exemplo, a realização de estudos de ruptura para caracterização das consequências, a realização de Planos de Emergência e a implementação de sistema de aviso e alerta.

Há muito que o controle de segurança de barragens tem sido uma preocupação para fazer face ao elevado número de rupturas ocorridas neste tipo de estruturas e as consequências resultantes.

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5. PROPOSTA DE METODOLOGIA PARA O CONTROLE DE SEGURANÇA DE BARRAGENS DE ATERRO

O controle de segurança para preservação da integridade estrutural de barragens é uma atividade que depende essencialmente das inspeções à estrutura e dos dados resultantes das observações periódicas da obra, apoiando-se em modelos de seu comportamento. Neste sentido, a análise de situações de emergência requer, em regra, a atenção de especialistas em barragens, o qual poderá, perante os resultados da observação disponíveis e da aplicação de modelos do comportamento da estrutura, identificar o nível de alerta adequado à situação real da barragem.

Esta abordagem tradicional de controle de segurança é um processo eficaz, mas que apresenta a desvantagem de poder decorrer um período de tempo significativo entre a identificação de um processo anômalo e a definição do respectivo nível de gravidade. O uso de novas tecnologias de apoio à decisão e o planejamento de emergência podem contribuir para minorar os efeitos desta desvantagem.

A compreensão do comportamento estrutural de barragens é um passo de significativa importância no que diz respeito à sua segurança. Para tal, é preciso dispor-se de modelos capazes de interpretar e prever seu comportamento. Na concepção destes modelos há que se ter em consideração os diferentes tipos de ações que atuam na estrutura, tanto para as condições de operação normal do reservatório como para as situações excepcionais.

Na representação de um fenômeno físico relativo a um determinado sistema podem ser utilizados modelos físicos ou matemáticos, tendo, estes últimos, vindos a generalizarem-se com o desenvolvimento dos métodos numéricos e dos meios de cálculo.

Na fase de projeto de barragens são normalmente utilizados modelos de resolução numérica de equações complexas, como o método dos elementos finitos. Na fase de exploração, recorre-se preferencialmente a modelos de interpretação quantitativa, que se baseiam no tratamento dos resultados do sistema de observação. Estes modelos baseiam-se no estabelecimento de relações entre as ações e as correspondentes respostas das estruturas a partir da análise dos resultados de observação. Neste grupo podem ser incluídas as redes neurais, conforme apresentamos nesta proposta de trabalho.

A presente proposta constitui a aplicação de redes neurais do tipo Perceptron Multicamadas às barragens a serem estudadas, de forma a interpretar a sua resposta para cenários de diferentes níveis de alerta. É de se realçar que, de uma forma geral, o comportamento das barragens tem sido determinado com base em modelos do tipo conceitual e, mais recentemente, em modelos de interpretação quantitativa dos dados da observação.

Com a introdução das redes neurais pretende-se contribuir para o desenvolvimento de metodologias que complementem as anteriores na análise do comportamento de barragens de aterro e de concreto.

5.1 MODELAGEM DE REDE NEURAL ARTIFICIAL

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Existem vários tipos de redes neurais artificiais. A classificação destas redes é feita respeitando-se alguns critérios, dos quais os mais habituais são: a arquitetura da rede e o tipo de aprendizagem da rede.

As redes a serem utilizadas são recorrentes, isto é, permitem uma retroalimentação onde a saída de alguns neurônios alimentam os neurônios da mesma camada (inclusive o próprio ou de camadas anteriores). O sinal percorre em duas direções, tem memória dinâmica, capacidade de representar estados em sistemas dinâmicos.

No processo de aprendizagem a rede utiliza os chamados algoritmos de aprendizagem, que podem ser vistos como algoritmos de otimização que promovem a minimização da função erro, definida em relação aos valores esperados na saída, respeitando os limites de tolerância pré-fixados.

O algoritmo de treino enquadra-se na categoria de aprendizagem supervisionada, onde o desempenho da rede é controlado por uma função de erro, que considera, para um conjunto de diversos padrões de entradas apresentada, o quadrado da diferença entre o valor esperado e a respectiva saída calculada, ou seja, o erro é o somatório dos erros quadráticos.

Na fase do diagnóstico, após o treino da rede, são utilizados os dados registrados pelo sistema de observação das barragens de forma a verificar qual o nível de alerta na barragem que a eles está associado.

5.2 SISTEMA DE OBSERVAÇÃO DA BARRAGEM

5.2.1 Características gerais

Tal como já foi referido, o sistema de observação de uma barragem deve, de um modo geral, ser composto por equipamentos capazes de fornecer informações, precisas e em tempo hábil, de acordo com as necessidades específicas da barragem. As informações recolhidas das campanhas de observação são elementos de extrema importância visto que da sua análise se pode tirar conclusões sobre o comportamento da barragem e a sua correspondente segurança.

A escolha dos equipamentos que compõem um sistema de observação, assim como as grandezas a observar, o número e a localização dos equipamentos distribuídos pela barragem, deve ser feita em concordância com as condições de projeto, tendo em consideração os riscos associados à obra e às ocorrências verificadas durante a fase construtiva. Geralmente a frequência com que são feitas as observações de uma barragem são definidas em função do regime de operação do reservatório e do seu histórico operacional.

5.2.2 Escolha dos sensores a incluir na análise

Um dos aspectos mais importantes no controle de segurança de uma barragem de aterro consiste na monitorização da eficiência do controle de percolação através do aterro e da fundação. Torna-se assim essencial controlar os níveis piezométricos em determinados pontos críticos e relacionar as suas variações com os níveis de água do reservatório.

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Complementarmente, é importante captar e medir as vazões que afluem ao sistema de drenagem, podendo-se, assim, detectar e acompanhar a evolução de quaisquer anomalias que possam surgir durante a vida útil da barragem, como, por exemplo, os fenômenos de erosão interna.

Ainda mais, os marcos superficiais, geofones, inclinômetros entre outros, todos eles monitorados “on line” através de sensores automatizados podem oferecer informações relacionadas com o deslocamento real da estrutura.

5.2.3 Fatores de Risco

Para apoio à definição do sistema de observação e sua exploração, o ICOLD apresentou uma proposta para os fatores de apreciação das condições de risco.

A avaliação das condições de risco é efetuada atribuindo valores α𝑖 a um conjunto de descritores agrupados em três classes, associadas a fatores exteriores ou

ambientais (E), à fiabilidade da obra (F) e fatores humanos e econômicos afins à sua ruína (R), conforme indicados abaixo.

Índice parcial E – Relativo às condições exteriores ou de ambiente

E = 1

5 ∑ α𝑖

5

𝑖=1

Onde:

1. Sismicidade 2. Escorregamento de taludes 3. Cheias superiores ao Projeto 4. Gestão do reservatório 5. Ações agressivas (Clima, água, água de processo, rejeito)

Índice parcial F – Relativo à fiabilidade da obra

F = 1

4 ∑ α𝑖

9

𝑖=6

Onde:

6. Dimensionamento estrutural 7. Fundações 8. Órgãos de descarga 9. Manutenção

Índice parcial R – Relativo a fatores humanos e econômicos

R = 1

2 ∑ α𝑖

11

𝑖=10

Onde:

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10. Volume do reservatório 11. Instalações à jusante

O valor do índice de risco global é o produto dos índices parciais:

α𝑔 = E x F x R

5.2.4 Plano de observação

Na fase de projeto o comportamento das estruturas é simulado com boa precisão utilizando-se teorias consagradas e informações obtidas através de campanhas de sondagens, histórico hidrológico da bacia, conhecimento geológico, materiais de construção disponíveis no sítio da obra.

O método executivo e o controle de qualidade das obras também devem ser observados, pois esta etapa pode introduzir carregamentos intermediários que podem influenciar negativamente no comportamento final da barragem.

Para o monitoramento do comportamento da barragem são previstos, ainda na fase de projeto, um conjunto de instrumentação estrategicamente posicionado para transmitir o desempenho da estrutura quando solicitada para fins de comparação com as hipóteses de cálculo.

Com a entrada em operação da barragem ocorre a inevitável degradação da propriedade dos materiais, provocando deformações, erosões interna e superficial, entre outros efeitos os quais devem ser observados para providencias da manutenção e apreciados para que se conclua a respeito da segurança da barragem.

Todas estas informações integram o banco de dados de informações sobre o comportamento da barragem e oferecem as informações necessárias para as fases de aprendizagem e treino.

5.2.5 Componentes fundamentais do Plano de Observação

Os componentes fundamentais de um Plano de Observação são descritos abaixo.

1. Análise do Projeto

Previsão do comportamento estrutural

Deformações

Níveis piezométricos

Medição de vazões

Níveis de montante e jusante 2. Grandezas a medir

Análises dos índices de risco 3. Dispositivos de observação com especificações para a sua instalação 4. Localização da aparelhagem 5. Inspeção visual 6. Frequência de leituras 7. Modelos de comportamento

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O Plano de Observação deve estimar os mecanismos de acidente que poderão ocorrer na barragem. Um dos métodos mais eficazes de analisar as causas potenciais de deterioração é a análise estatística dos acidentes em barragens.

5.2.6 Plano de monitoramento dos instrumentos

A frequência de monitoramento das estruturas é definida em projeto e na fase operacional, de acordo com o comportamento das estruturas.

De modo que o controle das ações de avaliação de risco através de redes neurais deve ter a mesma periodicidade na qual são tomadas as leituras dos instrumentos de medição e controle, de acordo como definido na fase de projeto e operacional do reservatório.

Define-se a princípio que este controle através de redes neurais seja semanal, ou quando um fato externo que justifique seu processamento.

6. CONCLUSÕES

As características do vale a jusante, por exemplo, o uso e ocupação do solo, evoluíram com o tempo. Com o passar dos anos surgem novas deteriorações nas barragens, as técnicas de simulação de cheias induzidas evoluem, novas exigências legislativas obrigam à adoção de diferentes critérios de segurança e, finalmente, a sociedade pode tornar-se mais exigente no que diz respeito à apreciação do risco. Assim torna-se necessário proceder ciclicamente à revisão da avaliação do risco nos vales a jusante das barragens.

Por outro lado, a segurança acrescida decorrente da elaboração dos planos de emergência não poderá ser garantida se estes não forem enquadrados por um processo adequado de avaliação e acompanhamento. Este processo tem os objetivos específicos de garantir a atualização e de avaliar a credibilidade dos planos de emergência. Em particular, devem realizar-se exercícios para verificação e correção de procedimentos referentes à eficácia de aviso, à capacidade de evacuação das populações e à mobilização e coordenação dos meios de proteção civil.

A atualização e a avaliação, assim como os testes dos planos, possibilitam, igualmente, a detecção de eventuais pontos fracos. Os acidentes que ocorreram no passado também têm esta mesma capacidade, constituindo os relatórios que descrevem as circunstâncias e as consequências dos acidentes passados e as medidas tomadas nas situações de emergência uma fonte excelente para a elaboração de recomendações para alteração de ações e de propostas para novos procedimentos.

O advento da transmissão on line de dados obtidos através de instrumentação que mede o comportamento de uma barragem formalizam um banco de dados de conhecimento deste barramento, bem como incorpora a base de conhecimento deste barramento. Esta base de conhecimento é formalizada pelo projeto técnico e pelas obras civis, de tal forma que, associando-se aos dados de projeto, construção e observações comportamentais podem-se ter conclusões antecipadas e a tempo de correções ou tomada de ações civis que se fizerem necessárias.

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7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] ANCOLD, The Australian National Committee on Large Dams (2003) – Guidelines

on Risk Assessment. Australian National Committee on Large Dams, Sydney;

[2] ANDRADE, C.F. (2012) – “Relêvo Antropogênico associado à mineração de ferro no quadrilátero ferrífero: uma análise espaço-temporal do Complexo Itabira (município de Itabira – MG)”, UFMG-Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte;

[3] BOWLES, D.S., ANDERSON, L.R. e GLOVER, T.F. (1995) – Comparison of

Hazard Criteria with Acceptable Risk Criteria. Proceedings of the Annual Meeting of the Association of State Dam Safety Officials, Atlanta, Georgia;

[4] CASAGRANDE, A. e MACIVOR, B.N. (1970) – Design and construction of tailings

dams, Proceedings, Symposium on Stability in Open Pit Mining, New York; [5] CNRH, Conselho Nacional de Recursos Hídricos (2012) – Resolução nº 143, de

10 de Julho de 2012, CNRH, Brasília; [6] IAEA, International Atomic Energy Agency (1992) – The Role of Probabilistic

Safety Assessment and Probabilistic Safety Criteria in Nuclear Power Plant Safety. Safety Series No. 106, Vienna;

[7] ICOLD, International Comission on Large Dams and UNEP, United Nations Environmental Program (1996) – Bulletin 106: A guide to tailings dams and impoundments – design, construction, use and rehabilitation, ICOLD, Paris;

[8] ICOLD, International Comission on Large Dams and UNEP, United Nations

Environmental Program (2001) – Bulletin 121: Tailings dams risk of dangerous occurrences – Lessons learnt from practical experience, ICOLD, Paris;

[9] STRACHAN, C. (2002) – Review of tailings dams incident data, Mining

Environmental Management January 2002 - Volume 9, nº 6, The Mining Journal Limited, Friary Press, London;

[10] TAVARES, J. L. L. (2011) – “Aplicação de Redes Neuronais no Planeamento de

Emergência em Barragens de Aterro”, Dissertação de Mestrado, ULHT Universidade Lsófona de Humanidades e Tecnologias, Lisboa;

[11] UNEP, United Nations Environment Programme (1996) – “Environmental and

Safety Incidents concerning Tailings Dams at Mines: Results of a Survey for the Years 1980-1996", Industry and Environment. Paris;

[12] USBR, United States Bureau of Reclamation (1997). Guidelines for Achieving Public Protection in Dam Safety Decision Making. Dam Safety Office, Department of the Interior, Denver, Colorado;

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[13] USCOLD, United States Committee on Lage Dams (1994) – “Tailings dams incidents”, a report prepared by the USCOLD Committee on Tailings Dams, Danver, Colorado;

[14] VISEU, T. (2006) – “Segurança dos Vales a jusante de barragens. Metodologias

para apoio à gestão do risco”, Tese de Doutoramento, IST Instituto Superior Técnico, Lisboa;

[10] LOPES, R.A.C., dos Santos, E.P., SALAZAR, G.J.F., GOMES, M.F., VELOSO,

L.A.C.M., (2008) – “Emprego de modelo regressivo linear e rede neural artificial no controle da segurança de barragens de concreto”, Revista Sul-Americana de Engenharia Estrutural – ASAEE Associação Sul-Americana de Engenharia EStrutural – Editora da Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo, v.5, n.2/3, p. 65-80, maio/dez. 2008;

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