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SEGURANÇA DE BARRAGENS –condicionantes geotécnicos e casos históricos
18 Abril 2019 - SENGE / ABES
Prof. Luiz A. Bressani(com agradecimentos a Jean P. Rémy, Camila S. Dahm, Verlei O. Santos, Eduardo B. Simões, Deise G. Fávero, Cesar S. Godoi, Eli A. Costa, entre outros)
TIPOS DE BARRAGENS E PRINCIPAIS TIPOS DE RUPTURASo reservação de águao de rejeitos
FORMAS DE RUPTURA
A LEI DE SEGURANÇA DE BARRAGENS
DISCUSSÃO DE ALGUNS CASOS HISTÓRICOS (Malpasset, Teton Dam, Stava, Fundão)
MATERIAIS / AVALIAÇÃO DO RISCO DE RUPTURA/ INSTRUMENTAÇÃO
PLANO DE AÇÃO EMERGENCIAL (PAE)
COMENTÁRIOS FINAIS E CONCLUSÕES
Barragens
Tipos
construtivos
Terra
Terra e enrocamento
Enrocamento com face
ConcretoFinalidade
Reservação/ energia
Depósito rejeitos
Convencionais (terra)
Constr. a jusante
Constr. central
Constr. a montante
TIPOS DE BARRAGENS
April 194
MADEIRA
PEDRA ARGAMASSADA
5
GABIÃO
CONCRETO
6
TERRA
NÚCLEO ASFÁLTICO (Jirau)
April 19 7
7UHE MACHADINHO enrocamento com faceamento de concreto
Barragens convencionais de retenção (água e/ou rejeitos)
Steven G. Vick, 1983. Planning, Design, and Analysis of Tailings Dams, John Wiley
& Sons, New York, pp. 369, ISBN 0-471-89829-5
Construção das fundações de barragem de reservação de água (14 de Julho, rio das Antas)
Vertedouro
Tratamento de fundações de barragens convencionais - D Francisca, RS
Barragens convencionais de retençãoProcedimentos executivos e controles de compactação
Barragens de rejeito construídas sequencialmente
Each lift requires more material – 1,3,5,7, etc.)
Each lift requires more material – 1,2,3,4, etc.)
Construção por aterro hidráulico com o próprio rejeito
Planta de um esquema de fechamento de vale
(Extracted from Vick, 1983. Planning, Design, and Analysis of Tailings Dams)
Barragens de rejeitos (Valley deposit – HVC)
Construção em dique fechado - Kalgoorlie
TIPOS DE RUPTURAS
1.Hidráulica\galgamento
2.Erosão interna ou da fundação
3.Ruptura geral \ taludes
• Importância do tamanho da estruturapequenas (até 15m); médias e grandes (> 50m)
• Da bacia de contenção / reservatórioPequenas (até 3 x 106 m3)
• Tipo de depósito (rejeito ou água)• Categoria do dano potencial • Fundações da estrutura
SEGURANÇA DE BARRAGENS
Comentários sobre a Lei de Segurança de Barragens
Lei nº 12.334, de 20 de setembro de 2010
April 19 20
POLÍTICA NACIONAL DE SEGURANÇA DE BARRAGENS – LEI 12.334 - 2010
BARRAGENS NO BRASIL CLASSIFICADAS COMO RISCO E DANO ALTO (2015)
Agência Nacional de Águas (ANA): existem mais de 24 mil barragens
ANEEL RESOLUÇÃO NORMATIVA Nº 696, DE 15 DE DEZEMBRO DE 2015
1. CLASSIFICAÇÃO DAS BARRAGENS
2. PLANO DE SEGURANÇA
• INSPEÇÃO DE SEGURANÇA REGULAR
• INSPEÇÃO DE SEGURANÇA ESPECIAL
• PLANO DE AÇÃO DE EMERGENCIA (PAE)
• REVISÃO PERIÓDICA DE SEGURANÇA
ANEXO 1 – MATRIZ DE CLASSIFICAÇÃO DE BARRAGENS
ANEXO 2 – CRITÉRIOS PARA CLASSIFICAÇÃO DE BARRAGENS
CLASSIFICAÇÃO DAS BARRAGENS (art. 3º ao 5º)
• Art. 3º: ANEEL - classificadas em classes, segundo categoria de risco, danopotencial associado e volume do correspondente reservatório: matriz declassificação
Critérios ANEELCaracterísticas técnicas, estado de conservação, plano de segurança (instrumentação)
Peso ponder. (ANNEL)
AlturaComprime
nto Material de construção
Fundação IdadeVazão de Projeto
Vazão (casos espec.)
0 ≤ 15m
1 15m < h < 30m Concreto convenc.
Rocha sã30 e 50 anos
2 30m ≤ h ≤ 60m ≤ 200m concreto rolado –CCR
Rocha alterada c/ tratamento
10 e 30 anos
3 h > 60m > 200mTerra
/enrocamentoRocha alterada s/ tratamento
5 e 10 anos
CMP(*) ou Decamilenar
4Saprolito / solo
compacto
< 5 anos ou > 50
anos
TR = 500 anos(8)
5 - -Solo residual /
aluvião- Milenar
TR < 500 anos ou não
confiável (10)
(*) Cheia Máxima Provável
PLANO DE SEGURANÇA – Art 6º e Art 7º
• Plano de Segurança proporcional à complexidade da barragem
• Para barragens classificadas como A ou B, deverá ser elaborado estudo
de rompimento e de propagação da cheia associada
• A área de abrangência da propagação da cheia deverá compreender as
barragens de jusante (com capacidade para amortecimento da cheia )
INSPEÇÃO DE SEGURANÇA REGULAR – Art 9º e Art 10º
A inspeção de segurança regular será realizada por equipe de Segurança deBarragem (...) e deverá abranger todas as estruturas de barramento doempreendimento e retratar suas condições de segurança, conservação eoperação.
Os relatórios de inspeção regular deverão conter, minimamente:• identificação do responsável técnico;• avaliação da instrumentação disponível na barragem, indicando necessidade de
manutenção, .... ;• avaliação de anomalias que acarretem em mau funcionamento, deterioração ou
em defeitos construtivos;• comparativo com inspeção de segurança regular anterior;• indicação de medidas necessárias à segurança da barragem.
NORMAL ATENÇÃO ALERTA EMERGÊNCIA
DISCUSSÃO DE ALGUNS CASOS HISTÓRICOS
MALPASSET DAM (FR)TETON DAM (USA)STAVA (ITA)FUNDÃO (BRA)
MALPASSET DAM (1959), sul da França
Barragem de alvenaria e arco de concreto, reservação de água, –altura de 66m
Bom controle executivo, bom projeto estrutural, alguma instrumentação
Desconhecimento de fenômenos de Mec das Rochas - deslizamento de bloco da fundação, não previsto no projeto (um dos melhores projetistas da época)
Primeiro enchimento começou em 1954, completado pouco antes da ruptura (5 anos)
Ruptura rápida, sem evacuação, 429 vítimas fatais (falta de organização para aviso do perigo) – indecisão sobre os níveis de alerta e alarme.
MALPASSET pouco tempo antes da ruptura
MALPASSET – gnaisse com estrutura desfavorável presente na fundação
TETON DAM (1976), EUA
Barragem mista com solo compactado, reservação de água
Ótimo controle executivo
Desconhecimento / erro de investigação, piping na ombreira direita não previsto no projeto, erosão descontrolada
Quase sem instrumentação
Ruptura rápida (~3,5h), 11 vítimas fatais, tempo para aviso de evacuação
1 - Vista da ombreira direita entre 10:30 e 11:00, mostrando um grande fluxo de água marrom perto da rocha. A mancha acima da saída é um trator D9 (tentando fazer algo !).
8 – O tubo de erosão na face da barragem começa a cortar através da crista da barragem, a saída de água cresce ainda mais e os equipamentos embaixo são inundados (Photo by Mrs.
Eunice Olson, 5 June 1976).
Teton Dam Failure 12 - View northwest toward right abutment. The flow of water increases as the breach widens. (Photo by Mrs. Eunice Olson, 5 June 1976).
Teton Dam Failure (2001) - View NNW of Teton dam site near the position of previous. All that remains of the original dam is the pyramid-shaped hill. The failure occurred on the left (northwest) side of the hill, the cut on the right side was made by engineers to study the internal character of the rock material that made up the dam.
STAVA (1985), Itália
Duas pilhas de rejeito (“barragem a montante”) sucessivas, construídas em encosta íngrime nos Alpes italianos
Durante 20 anos foram sendo erguidas sem qualquer fiscalização mais adequada do Poder Público. Uma análise de estabilidade de 1974 relata “it's hard to believe that they are still standing“.
Péssimo controle executivo, laudos mostravam perigo antes da ruptura
Velocidade estimada do fluxo de areia, rejeitos finos e água de 90km/h, cerca de 180 mil m3 (e incorporou mais 45 mil m3 de solo erodido)
268 vítimas, destuiu 8 pontes, danos estimados de EU$155 milhões
Vista aérea das barragens de rejeito de Stava, ITA antes da ruptura (
FUNDÃO/MARIANA (2015) (TSF – tailings storage facility)
Ruptura abrupta do maciço de contenção de rejeitos de mineração de ferro com 106m de altura ~40 milhões de m3.
19 vítimas, danos ambientais e sociais muito severos a desastrosos
Estrutura em operação, seguidos alteamentos, alguns rápidos, e problemas com drenagem desde o início da construção
Ruptura durante um período seco na região (meses sem chuva)
Presença de materiais lamosos no subsolo do alteamento (com recuo)
Ruptura por liquefação completa do depósito e do maciço
Instrumentação mostrava comportamento não entendido. Diversos problemas executivos foram sendo “resolvidos” com técnicas pouco adequadas
Barragem de Fundão, problemas começaram muito antes da ruptura: piping e surgência em abril 2009
April 19 41
April 19 42
http://fundaoinvestigation.com/
April 19 43
http://fundaoinvestigation.com/
NA
April 19 44
http://fundaoinvestigation.com/
Drenagem no patamar
Grota da Vale
April 19 47
http://fundaoinvestigation.com/
BRUMADINHO (2019)
Ruptura abrupta do maciço e depósito de rejeitos, com grande velocidade de avanço nos primeiros 2-3km
Estava desativada (sem receber rejeitos), mas com poro-pressõesaltas
Ruptura por liquefação completa do depósito e do maciço.
Cerca de 300 vítimas entre mortos identificados e desaparecidos
Danos ambientais muito severos.
Aznalcóllar, Spain – 1998
Algumas estatísticas:rupturas de barragens de rejeito do século 20
10 causas de rupturas
________________________________________________ Type of Failure Number %
________________________________________________Unusual Rainfall 36 24.5 Seismic Liquefaction 21 14.3 Poor Management Operation 15 10.2 Structural Failure 13 8.8 Piping/Seepage 10 6.8 Foundation Failure 9 6.1 Overtopping 9 6.1 Slope Instability 7 4.8 Mine Subsidence 3 2.0 Snow melt 2 1.4 Unknown 22 15.0 _________________________________________________
TOTAL 147 100.0 _________________________________________________
SEGURANÇA DE BARRAGENS
Materiais
Curvas granulométricas do rejeito depositado em Fundão (coletados nas cotas 845-855m)
Figure D4-6 SEM image of Fundão sand (particle size greater than 0,075mm)
Figure D4-7 SEM image of Fundão sand (particle size greater than 0,84mm)
Figure D5-3 DSS test results on sand tailings (monotonic)
Barragens de reservação de água Barragens de rejeito (pilhas úmidas)
Materiais compactados com controle executivo
Materiais depositados por transporte hidráulico
Zonas para controle de fluxo, filtrosZonas mais permeáveis: seleção no transporte (..); presença de lentes de material fino
Solos naturais compactados e ensaios em boa quantidade
Rejeitos produzidos por processos industriais; grande variabilidade lateral e vertical
Investigação da fundação cuidadosa Investigação da fundação variável
Construção em vales escolhidos por diversos critérios (morfologia, geologia, desnível, etc)
Construção em locais próximos da planta de processamento
Estruturas construídas em um período (2 a 4 anos) para durar ~100 anos
Construídas em períodos sequenciais (com até 20 anos)
Monitoramento (instrumentos, auscultação) Monitoramento em geral simplificado
Longo prazo (?) Descomissionadas após enchimento (como?)
Risco quando elementos expostos estão localizados em área que apresente uma probabilidade de um tipo de fenômeno/acidente (perigo).
→ dificuldades em determinar danos prováveis e suas probabilidades.
Risco deve ser calculado para cada processo.
O F. Segurança (FS) é uma boa medida, mas tem variabilidade.
Avaliação do Risco
57
Elementos expostos
58
FS e sua função de densidade de probabilidade (PDF)
Fator de segurança
Pro
bab
ilid
ade
(F
S)
2 FS
59
Índice de confiabilidade (β)
Relação entre β e a probabilidade de ruptura do talude, considerando uma distribuição normal de freqüências (Machado et. al., 2001) .Se o índice é de 3, então temos uma probabilidade de ruptura de 0,001.
0,0001
0,001
0,01
0,1
1
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
Pro
bab
ilid
de
de
ru
ptu
ra
Índice beta
Probabilidade de ruptura x Indice beta
SEGURANÇA DE BARRAGENS
Instrumentação e monitoramento
April 19 61
61
Medidores de vazão
62
LEITURA DE PIEZÔMETROS ELÉTRICOS / AVALIAÇÃO DA SUBPRESSÃO EM BARRAGEMDE CONCRETO
MONITORAMENTO DAS ESTRUTURAS CIVIS
LEITURA DE EXTENSÔMETROS ELÉTRICOS / DESLOCAMENTO DA ESTRUTURA DA BARRAGEM DE CONCRETO
LEITURA DE PÊNDULOS DIRETOS / AVALIAÇÃO DO GIRO DA BARRAGEM DECONCRETO
Deslocamento (mm) x Nível do Reservatório (mm) - 2012
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
Deslo
cam
en
to (m
m)
Nível do Reservatório (m)
Bloco B17 (Montante-Jusante) Bloco B21 (Montante-Jusante)OBSERVAÇÃO:1. Convenção de sinais: (+) deslocamento para jusante e para ME;
Nível do reservatório (m)
Des
loca
men
to (
mm
)
DISCUSSÃO SOBRE PLANO DE AÇÃO EMERGENCIAL (PAE)
• Grande avanço a partir da experiência da ruptura de Algodões (onde os órgãos de Defesa Civil, entidades e população estavam completamente despreparadas)
• Alertas sonoros, treinamentos simulados, discussão de rotas de fuga, mapeamento dos indivíduos com dificuldades de locomoção, etc.
• MAS é para reduzir as consequências pós-evento:o não atua nas causas do desastreo salva muitas vidas (se eficaz), mas não muda o cenário de destruição da
infra-estrutura, nem do meio-ambienteo tem impacto nulo na recuperação pós-evento (casos de Mariana : impactos
ambientais, econômicos, sociais e sócio-políticos)
• deveria ser dependente do cenário da ruptura e da identificação da mancha de inundação
o diferentes no caso de água e rejeito lamosoo muito influenciado pelo volume inicial da ruptura (forma de ruptura)
DISCUSSÃO DO PAE (cont.)
Nos 2 casos recentes brasileiros (Brumadinho e Mariana) o pior cenário por erro de gerenciamento do risco (ou do PAE?).
Internacionalmente estes são casos extremos (O QUE É PREOCUPANTE).
Os casos de Mount Polley (CAN) e Aznalcóllar (ESP) foram grandes vazamentos mas com ruptura parcial dos diques, e menor energia.
COMPARAÇÃO COM INCÊNDIOS: o treinamentos em simulados, rotas de fuga, alertas e alarmes são
fundamentaiso mas reduzir as possibilidades dos incêndioso medidas de controle e medidas de prevenção (sprinklers, isolamento, redução
de chance de ignição, etc)o o plano de fuga é o último recurso
COMENTÁRIOS FINAIS E CONCLUSÕES
• separar as estruturas de barramento nos diferentes tipos: diferentes modos de falha (e de análise)
• as estruturas de rejeito deveriam ser denominadas de Pilhas de Rejeitos Saturados (e assim tratadas)
• segurança (ou risco), depende do conhecimento da estrutura, sua modelagem/ simulação adequada e de controle executivo o Risco e Potencial de Dano não podem ser separados
• o monitoramento das estruturas deveria ser mais completo e ter certificação por órgão independente
• será preciso estudar adequadamente as barragens existentes e fazer um adequado descomissionamento ou estabilização para condição de longo prazo (mais do que 50-100 anos)
• o estudo do potencial de liquefação, e suas consequências, é de fundamental importância para as Pilhas de Rejeito, mas não é importante para outras estruturas de barramento
COMENTÁRIOS FINAIS E CONCLUSÕES (cont.)
PARA REFLETIR
É preciso preservar a sociedade de outros desastres vergonhosos como os de Mariana e Brumadinho.
É preciso defender a boa Engenharia Brasileira, incluindo vários engenheiros juniores engolfados no torvelinho dos dados e que pouco conheciam as barragens em que trabalhavam.
É preciso escrever Leis e Portarias com nexo de engenharia, não no açodamento do desastre ou nos corredores do Congresso, mas com base nos princípios de Geotecnia e Hidráulica, além de Operação, Transporte e Processos.
As Normas devem refletir o melhor do nosso conhecimento, não podem permitir a transigência irresponsável, a tergiversão marota para escamotear brechas na liberação de obras. Permitir isto é inepto, é perigoso, é muitas vezes mortal e/ou criminoso.
Devemos fazer isto em memória das centenas de vítimas recentes e de seus famíliares, elas sofreram o golpe mais pesado deste enorme desastre tecnológico, tristemente passível de prevenção.
COMENTÁRIOS FINAIS E CONCLUSÕES (cont.)
• Lei de Segurança de Barragenso barragens grandes tem maior potencial de danos, por isto exige-se melhor gerenciamento para ter um risco aceitávelo Barragens pequenas podem ter risco inaceitável se perigo alto.
• PLANO DE AÇÃO EMERGENCIAL (PAE) – não reduz a probabilidade de ruptura. É complementar apenas.
o O PAE deve ser o último recursoo Fazer propaganda do PAE é aceitar nossa incapacidade de controlar
os perigos
Sim, devemos ter o PAE como complemento (analogia com incêndio), mas devemos construir medidas efetivas, reais, de redução do perigo.
Proteger a vida de forma proativa. Fazer de tudo para que o PAE não seja acionado.
Mas ainda temos que fazê-lo!
