Engenharia hídrica: o papel essencial da simulação na segurança de barragens
Conheça o papel fundamental da simulação para tomadas de decisões assertivas, mitigando riscos e garantindo maior segurança, eficiência e sustentabilidade de barragens.
As barragens desempenham um papel importante no controle de enchentes, geração de energia, armazenamento de rejeitos, abastecimento de água e irrigação. No entanto, também representam ameaças significativas. Uma barragem pode falhar devido a deficiências estruturais no projeto ou devido a eventos externos que desencadeiam condições que ultrapassam as capacidades estruturais. A falha da barragem resulta em graves inundações repentinas que afetam as comunidades locais, animais, propriedades e infraestrutura.
Em muitos países não são registradas de forma apropriada informações sobre rompimento de barragens. Desta forma, existe uma dificuldade de se encontrar precisamente os motivos e as frequências dessas ocorrências. Nos Estados Unidos, uma lista compilada pelos programas estaduais de segurança de barragens mostra que de janeiro de 2005 a junho de 2013, foram registradas 173 falhas de barragens e 587 “incidentes” – episódios que, sem intervenção, provavelmente teriam resultado em falhas catastróficas.
De acordo com a ASDSO (Association of State Dam Safety Officials) as causas das falhas em barragens podem ocorrer por uma dessas 5 razões:
- Transbordamento causado pela água derramando sobre o topo de uma barragem
- Defeitos na Fundação, incluindo assentamento e instabilidade de taludes
- Rachaduras causadas por movimentos como o assentamento natural de uma barragem
- Manutenção e conservação inadequadas
- Erosão interna causada por infiltração (falha por piping), que ocorre quando a infiltração através de uma barragem não é devidamente filtrada e partículas de solo continuam a progredir, formando cavidades na estrutura
O gráfico a seguir ilustra incidentes de falhas de barragens ocorridos nos anos de 2010 a 2019 nos Estados Unidos.
Banco de Dados de Incidentes de Barragens da ASDSO (Associação de Segurança de Barragens), incidentes de falhas de barragens ocorridos nos anos de 2010 a 2019.
O Relatório de Infraestrutura de 2017 da Sociedade Americana de Engenheiros Civis detalha a importância da segurança pública e da manutenção adequada de barragens:
“Para melhorar a segurança pública e a resiliência, o risco e as consequências da falha de barragens devem ser reduzidos. O progresso exige um melhor planejamento para mitigar os efeitos das falhas; aumento na supervisão regulatória da segurança de barragens; aprimoramento da coordenação e comunicação entre as agências reguladoras; e o desenvolvimento de ferramentas, treinamento e tecnologia. As falhas de barragem não apenas colocam em risco a segurança pública, mas também podem custar milhões de dólares à economia em danos. A falha não se limita apenas aos danos à própria barragem. Pode resultar no comprometimento de muitos outros sistemas de infraestrutura, como estradas, pontes e sistemas de água. Quando uma barragem falha, recursos devem ser dedicados à prevenção e tratamento de riscos à saúde pública, bem como às consequências estruturais resultantes.”
Assista ao episódio “Respostas Tecnológicas às Enchentes” do podcast CAE Talks
Barragens no Brasil e a simulação como aliada
O Brasil tem buscado aprimorar a fiscalização de barragens. O governo brasileiro, por meio da Agência Nacional de Mineração (ANM) e de outros órgãos reguladores, tem tomado medidas para fortalecer as normas e os procedimentos de segurança de barragens. Isso inclui revisões nas regulamentações, implementação de novos padrões de segurança, aprimoramento do monitoramento e auditorias mais rigorosas.
Nesse contexto, a simulação computacional oferece ferramentas e tecnologias para análises estruturais e fluidodinâmicas em barragens existentes ou para novos projetos, visando segurança, adequação em normas e mitigando os efeitos das falhas. O uso dessa ferramenta tem aumentado significativamente nas empresas como forma de redução de custo e tempo, além de oferecer uma alternativa diante das dificuldades encontradas para desenvolver protótipos que represente adequadamente os fenômenos de interesse.
A simulação pode oferecer diversas análises para garantir segurança, eficiência e sustentabilidade. Alguns exemplos de análises relevantes incluem:
Análise de Estabilidade de Barragens
Avaliação da estabilidade estrutural das barragens, considerando fatores geotécnicos, hidráulicos e estruturais para prevenir riscos de colapso.
Estudo de Impacto Ambiental (EIA)
Análise dos impactos ambientais, incluindo efeitos na fauna, flora, qualidade da água e comunidades locais.
Simulação da distribuição de temperatura e padrões de escoamento em descarga térmica industrial.
Análise de Risco e Segurança
Identificação de falhas e avaliação de riscos, com o objetivo de desenvolver estratégias para minimizar acidentes e impactos ambientais catastróficos.
Simulação 3D de rompimento de pilhas de rejeitos em topografia.
Estudo Hidrológico e Hidráulico
Análise das características hidrológicas da bacia e do comportamento hidráulico do rio para otimizar projetos de engenharia e a gestão da água.
Simulação do campo de escoamento sob topografia do terreno.
Avaliação de Sedimentação
Estudo da deposição de sedimentos nos reservatórios das hidroelétricas ao longo do tempo, visando mitigar os impactos na capacidade de armazenamento.
A modelagem CFD (Computational Fluid Dynamics) tem sido utilizada para investigar o transporte de sedimentos induzidos pela água.
Monitoramento Geotécnico e Instrumentação
Implementação de sistemas de monitoramento para avaliar continuamente a estabilidade das estruturas, como barragens, por meio de inclinômetros, piezômetros, entre outros. A simulação pode ser utilizada para identificar pontos críticos e desta forma selecionar o local mais adequado para instrumentação e monitoramento. Além disso, a simulação computacional desempenha um papel significativo na manutenção preditiva e pode ser usada também para simular as condições de operação ao longo do tempo, permitindo a análise de desgaste, fadiga e outros fenômenos que podem levar a falhas.
Análise de falha na comporta da usina hidrelétrica de Tucuruí.
Análise de Viabilidade Técnica e Econômica
Avaliação criteriosa dos aspectos técnicos, econômicos e financeiros para determinar a viabilidade do empreendimento antes de sua construção. A simulação computacional pode ser utilizada para avaliar diversos cenários e soluções de engenharia, verificando a efetividade de cada solução e desta forma estimar um tradeoff de custos e benefícios na implementação da solução.
Análise da variação do campo de velocidades em função de alterações de projeto. (imagem de https://www.abendi.org.br/abendi/Upload/file/forum_analise_falhas/Analise-de-Falha-na-Haste-da-Comporta-do-Vertedouro-da-Usina-Hidreletric….pdf)
Análise de Vertedouro Escalonado
O vertedouro escalonado é projetado para minimizar a erosão e a energia cinética da água, evitando danos à infraestrutura e ao leito do rio ou canal abaixo do vertedouro. A simulação computacional pode auxiliar na análise da dissipação da energia da água e predizer a redução da velocidade do escoamento.
Simulação computacional do campo de escoamento ao longo de um vertedouro escalonado.
Em suma, a simulação computacional desempenha um papel crucial para análise hidráulica, estabilidade estrutural, gestão de reservatórios, avaliação de riscos e impacto ambiental. Além disso, ela permite a monitorização virtual de deformações e tensões, contribuindo para a manutenção preditiva, e pode ser empregada no treinamento de equipes para cenários de emergências. Integrar a simulação no processo de avaliação de engenharia proporciona uma tomada de decisão mais consciente, melhorando a segurança, eficiência e sustentabilidade dos projetos de barragens, pilhas de rejeitos, vertedouros, entre outras aplicações.
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