ASPECTOS COTIDIANOS DE PROJETOS GEOTECNICOS DE BARRAGENS

APOIADOS EM MICROINFORMATICA

Eng$ Maria do Carmo Reis CavalcantiEng4 Manuel de Almeida Martins

Eng4 Luciano Jacques do Moraes Jr.

IESA - Internacional de Engenharia S.A.

RESUMOSao aprosentadas, atravas do oxemplos do aplicacao rocentes, metodologias para analises doestabilidade do taludes, percolacao sm mobs porosos a do tonsao•deformacao em macicoscompactados do barragens, a partir da utilizarao da microinformatica. 8 dostacado o nivel deabrangencia, agilidade e confiabilidade qua a obtido corn o desenvolvimento atual dos recursoscomputacionais existentes, sempre proplcios, entretanto, a novas atualizagoes a otimizagoes,principalmente na facilitacao grafica de preparo dos dados de entrada e safda do resultados.Apesar da extrema utilidade da microinformatica destaca-se que a mesma deve ser oncaradacomo importante ferramenta, poram os engenheiros que preparam os dados, manipulam osrecursos e analisam os resultados, sao os elementos mais importantes a essenciais nas decisoesdo solucoes a aplicaroes de projeto.

1. INTRODUcAO

A utilizagao de recursos computacionais em geotecniamuito tem contribuldo para que projetos de barragensde terra e de terra/enrocamento sejam mais abrangen-tes e confiaveis, tornando possiveis estudos e verifica-c3es que antes eram muito dificies e, em aiguns casos,ate inviaveis. Tais recursos permitem a redurao deprazos e custos de projeto e rfipida convergencia paraatendimento de crit6rios de seguranca, alem de per-mitirem a pronta absorcao de modificag es de projetobuscando a meihoria da quaiidade e/ou adaptacoesconstrutivas.

Este artigo enfoca aigumas utilizagoes de microinfor-matica dentro do projeto de barragens de terra a deterra/enrocamento, tais como: estabilidade de taludes,analises de percoiagao em meios porosos e tensao-deformagao de machos compactados.

Outras frequentes aplicacaes valiosas da microinfor-matica, apesar de nao abordadas no presente trabaiho,podem ser citadas:

• Tratamento de volumosa massa de dados de en-saios correntes a especiais de laboratbrio, atravesde planiihas eletr6nicas programadas para calculoautom&tico das variaveis de interesse, a montagemde graficos que permitam a interpretarao dos en-saios;

• Verificagao de balanco de materials naturals deconstrugao para otimizacao da segao da barragemde acordo com a disponibilidade dos mesmos,utilizando planilhas eletronicas programadas;

• Determinacao dos off-sets de aterros e escavagoesa partir de planilha eletronica programavel, que per-mitem absorver facilmente adaptacoes decorrentesde modificagao de secao e/ou condicao de fundacaoapes a obtengao da mesma;

• Elaborarao dos desenhos de projeto em softwaresgraficos (CAD), que alem de agilizar as frequentesmodificacoes e adaptagoes, permitem um inter-faceamento direto para obtencao do dados para asanalises geotOcnicas abordadas no presente trabaiho.

2. ESTABILIDADE DE TALUDES

O desenvolvimento de grandes barragens acarretoudemanda crescente de segoes tipicas do terra e/ouenrocamento cada vez mais complexas a com condi-roes de carregamento sofisticadas. Tais secoes tipica-mente levam em consideracao:

• Caracteristicas da fundacao (pianos preferenciaisde ruptura, posicao da linha freatica, condicoes deporopressoes);

• Oualidade e quantidade do materials naturais dis-

poniveis (escavagbes obrigatorias x emprastimo);

• Condigoes especiais de carregamento (etapasconstrutivas, enchimento do reservatbrio concomi-tants com a execuCao, galgamentos a submersao).

Um exemplo de secao otimizada para o manor coefi-ciente de seguranga admissive) 6 apresentada naFigura 1, onde a largura e o posicionamento (elevacao)da berma de jusante necessaria a estabilizagao, em

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decorrencia da presenga de areia fofa na fundacao, foideterminada para atender a um coeficiente de segu-ranp do 1,40.Outra situacao exemplar foi a de uma barragem deenrocamento em que as abas externas foram sub•divididas em zonas de diferentes tensoes verticais,sendo a cada regiao atribuido angulos de atrito cor-respondentes a faixa de tensoes , simulando assim demaneira simplificada a envolt6ria curva de resistenciado enrocamento , cujos resultados obtidos para a situa-cao de regime permanente sao mostrados na forma decurvas de igual valor na Figura 2.

A Figura 3 mostra o resultado final, pars a condicao deNA maximo corn aplicacao de aterro para estabilizacao,dos estudos efetuados Para uma barragem antiga(cerca de 41 anos ) em operagao , onde a influencia douma possivel elevarao do NA do reservatorio foi exaus-tivamente estudada considerando diversas situacoesde NA , diferentes conjuntos de parametros, solucoes deestabilizacao diferenciadas e condicoes de solicitacao

estaticas e pseudo -estaticas . Os estudos descritoslevaram aproximadamente 2 meses , incluindo trata-mento e p6s processamento grafico dos resultados.

As analises anteriormente citadas foram apoiadas eexecutadas com a implementacao de um pacote deprogramas computacionais cujas caracteristicas saodescritas resumidamente a seguir:

• PreparaCao e verificacao de dados de entradautilizando AUTOCAD como auxiliar da geracao erotina interna ao programa em FORTRAN paraverificacao dos arquivos de entrada quanto a

geometria (saida grafica ) e consistencia dos dados;

• Processamento do calculo do fator de seguranga dasuperficie circular em equilibrio limite polo metodode Bishop simplificado , em FORTRAN;

• Tratamento grafico dos resultados obtidos atraves

de interface entre o programa de calculo e os soft-wares graficos utilitarios SURFER a/ou AUTOCAD.

Para a ana lise de superficies n ao circulares ( poligonais)utilizou -se planilha LOTUS para preparacao dos dadosde entrada e processamento do calculo pelo metodo deJanbu generalizado em linguagem FORTRAN.

Apenas para demonstrar a agilidade adquirida com autilizanao da microinformatica , tomemos urn exemplohipot6tico de uma analise de estabilidade de taludespara uma barragern de m6dio porte , contemplando oscasos de final da construcao ( montante e jusante),regime permanente e rebaixamento rapido e uma malhade centros ampla o bastante para cobrir todos ospossiveis minimos locais . A analise constaria de 400centros , e a cada centro corresponderiam 15 circulos,o que somaria para os quatro casos um total de 24.000circulos . Supondo -se que cinco estagiarios fizessem oscalculos do coeficiente de seguranca por Bishop de 10superficies provaveis de ruptura por dia cada um, otempo necessario para efetuar a referida analise seriade 480 dias uteis (quase 2 anos ). Utilizando-se osrecursos de microinformatica o resultado da mesmaanalise , inclusive p6s - processamento grafico na formade curvas de igual fator de seguranca , pode ser obtidoem menos de um mos.

O paragrafo anterior demonstra a facilidade que asmicro-computadores trouxeram para os calculos de

projeto, o quo pormito aos engenheiros tornarem seuscalculos mais abrangentes e suas concepcoes melhorfundamentadas. Adicionalmente deve-se salientar queo acoplamento de recursos graficos aos programas decalculo tornou o processo de depuracao dos resultadosextremamente mais facil , com a apresentacao dos fato-res de seguranga na forma de curvas de igual valor etracado automatico da superficie critica.

Em resumo, a utilizando de recursos computacionaisnas analises de estabilidade de taludes permite, emtempo reduzido:

• Verificarao e otimizacao das secoes tipicas da bar-ragem;

• Analises abrangentes das diversas situag6es limitesde projeto a avaliacao da mais critica;

• Analises parametricas para determinaCao de possi-veis influencias futuras no macico devido a modifica-coes nos parametros de resistencia;

• Acompanhamento da construcao, avaliando-se aestabilidade do aterro em execuaao com base nas

poro-pressoes medidas em piezometros instalados.E importante salientar que os engenheiros que prepa-

ram os dados e analizam os resultados sao os elemen-tos essenciais e decis6rios nas analises em questao,tendo sempre em mente que a extensao das analisesdove ser orientada polo bom sendo e a confiabilidadedos resultados sujeita a critica da experiencia, jamaisesquecendo quo somente os homens cometern orros e

quo as maquinas aponas es multiplicam o es prepagam.

3. PERCOLACAO

Antigamente , para o tracado de rode de fluxo em meiosporosos , utilizava -se o processo grafico respeitandocondicionantes conhecidas , tais como: equipotencial decontato , limite impermeavel assim como perpendicula-ridade e proporcionalidade entre linhas de fluxo e equi-potenciais , simulanao da anisotropia de permeabilidadeatraves do artifjcio de deformar a secao conforme aanisotropia , usualmente para Kh=9Kv ou Kh=4Kv,deformando respectivamente as escalas em 3 e 2.0 metodo dos elementos finitos permite resolver osistemade equag6es diferenciais complexas que mode-la satisfatbriamente o fenomeno , simulando ate a aniso-tropia de permeabilidade , variando de maneira iterativaa linha freatica ate que atenda as condicoes de contornodentro da precisao estabelecida . Utiliza-se programaem FORTRAN com facilidade de saida grafica de resul-tados atraves de interface corn os softwares graficosSURFER, para as equipotenciais a curvas de igualpressao e velocidade e/ou o AUTOCAD.

A Figura 4 mostra um exemplo tipico onde, em um

macico executado por hidromecanizacao , a heteroge-

neidade do aterro (camadas alternadas de major emenor permeabilidade ) foi simulada atraves deanisotropia , variando - se a relacao Kh/Kv ate obter-se

resultados compativeis com as valores registradospelos piezometros instalados . Uma vez aferido o

modelo foram efetuadas analises para diversos NA's

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objetivando a concopgao do colugoes do impe rmoa-bilizacao e/ou drenagem a serem aplicadas para

viabilizar o alteamento do NA do reservatorio.A Figura 5 mostra o comportamento do fluxo em umabarragem de rejeitos assente em fundacao permeavel,onde a grande permeabilidade da fundacao fez com queo fluxo se processasse verticalmente polo macigo,apesar da anisotropia do material compactado, em

direrrao a espessa camada mais perme'vel, resultandoem queda acentuada da linha freatica.

A analise bidimensional de percolac ao, utilizandoelementos finitos, a limitada no sentido de nao permitira modelagem do comportamento do fluxo tridimen-sionalmente. No entanto a sem duvida nenhuma muitospassos a frente do matodo grafico, umavez que permitefacilmente:

• Analises de fluxo considerando materials de diferen-tes permeabilidades bern como anisotropia em um

mesmo material;

• Analises paramatricas para determinar o compor-tamento de macigo e fundarao em funcao da varia-cao dos coeficientes de permeabilidade;

• Retroanalises com base em dados de medidores devazao e piezometria para verificar os parametros dopermeabilidade determinados no projeto.

4. TENSAO-DEFORMACAO

A analise da distribuicao de tensoes e deformacOes emmachos compactados, utilizando o matodo dos elemen-tos finitos, permite, simulando o processo de construraodo aterro em camadas, detectar o aparecimento deefeitos nocivos a seguranga da barragem, tais como:regiaes onde a mobilizagao de tensoes excede aresistancia do material, regioes tracionadas, transfe-rancia excessiva de carga aos materiais mais rigidos(arqueamento) ou estruturas rigidas no interior domacico. Tal analise pode levar a modificacao da secaoou das especificacoes do processo executivo, alam deser de grande ajuda para a locacao de instrumentacaode auscultacao nos trechos criticos.

O programa indicado, em linguagem FORTRAN, estabaseado no FEADAM, oriundo da California. Foi desen-volvido ha alguns anos um outro programa, tamb6m emFORTRAN, para determinadao dos parametros dedeformabilidade do modelo hiperbblico adotado combase no resultado de ensaios triaxiais. Pretende-se emfuturo proximo implementar a otimizacao e automati-

tar o da goraoao da maiha de elementos finitos. Foiacrescentada ao programa uma interface com

softwares graficos para apresentagao dos resultados naforma de curvas de igual valor, o quo torna bern maisfacil a intepretacao dos resultados.

A Figura 6 mostra resultados tipicos de distribuirao detensoes verticais na forma do curvas de igual valor parauma barragem de enrocamento com 150 m de altura,que, alum das grandes dimensoes, apresentacaracteristicas executivas especiais tais como:

Construgao em S octagios, sendo o aterro executadoapenas na estacao seca (7 meses);

Submersao do aterro do primeiro estagio, devendoo recinto entre as ensecadeiras galgaveis de concre-to compactado ser esgotado e o material superficialafetado pela submersao retirado, antes de dar con-tinuidade a construcao do aterro.

Para o Segundo e terceiro eStfigioo o macigo execuladopassa a funcionar como ensecadeira na estacaochuvosa, atingindo nivel d'agua maximo proximo dacrista, sendo o reservatorio rebaixado, devido aoperacao ininterrupta dos tGneis de desvio, ate a cristadas ensecadeiras galgaveis, permanecendo o recintoentre ensecadeiras e aterro cheio. Ou seja, a cadaestagio construtivo o macico passa por solicitag6es demaximo nivel d'agua e rebaixamento rapido doreservatorio. Ao final da construcao do quarto estagioos tuneis de desvio sao fechados e o reservatorioprossegue o enchimento concomitantemente com asubida do aterro.

A simulanao da sequancia executiva exigiu que a cadaestagio fossem simulados os efeitos de enchimento eesvaziamento do reservatorio, tais como os empuxoshidrostaticos nos espaldares permeaveis e de agua naface de montante do nucleo impermeavel. No totalforam efetuadas 12 analises sequenciais , onde osresultados de uma foram utilizados como dados iniciaisde entrada para a seguinte, gastando-se 49 horas deprocessamento ininterrupto em um PC-XT (em um PC-386-20MHz seriam necessarias apenas 5 horas deprocessamento). A sequancia da analise efetuada eapresenta na Figura 7.

5. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem a IESA Internacional de Enge-nharia S/A os recursos e a oportunidade da apresenta-cao do presente trabalho.

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CONSTRUQAO DOPRIMEIRO ESTAGIO

SIMULAQAO DASUBIDA DOS NA's

DE MONTANTE

EJUSANTE

JCONSTRUcAO DO

SEGUNDO ESTAGIO

SIMULACAO DASUBIDA DOS NA's

DE MONTANTEEJUSANTE

ISIMULACAO DADESCIDA DO NADE MONTANTE

CONSTRUQAO DOTERCEIRO ESTAGIO

SIMULACAO DA

SUBIDA DO NADE MONTANTE

ISIMULAQAO DA

DESCIDA DOS NA

DE MONTANTEI

CONSTRUQAO DOQUARTO ESTAGIO

SIMULAQAO DASUBIDA DO NADE MONTANTE

JCONSTRUQAO DOQUINTO ESTAGIO

SIMULAcAO DASUBIDA DO NADE MONTANTE

MUDANCrA DE PARAMETROS DOSMATERIALS GRANULARES SUBMERSOS

MUDANQA DE PARAMETROS DOSMATERIALS GRANULARES SUBMERSOS

MUDANGA DE PARAMETROS DOSMATERIALS GRANULARES SUBMERSOS

FECHAMENTO DOS TUNEIS DE DESVIO

MUDANGA DE PARAMETROS DOS

MATERIAIS GRANULARES SUBMERSOS

MUDANGA DE PARAMETROS DOS

MATERIAIS GRANULARES SUBMERSOS

FIGURA 7 - SEQUENCIA DA ANALISE

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