Simulação Numérica do Comportamento de Barragens de Aterro

A solução “barragem de aterro” tem-se vindo a generalizar em detrimento das barragens em betão (gravidade, arco ou abóbada) dada a sua adaptabilidade a fundações menos favoráveis e a sua relativa economia, se existir material para aterro de características aceitáveis e a uma distância razoável do local escolhido para a obra de retenção.

Tem sido defendido o aumento da inclinação de taludes de barragens de enrocamento como resultado dos valores elevados de coeficientes de segurança ao colapso habitualmente obtidos pelos métodos clássicos como, por exemplo, o método dos círculos de deslizamento.
Nos vários ramos da Engenharia Civil, e particularmente em Geotecnia, o interesse da aplicação, em projecto, de um qualquer modelo de cálculo de coeficientes de segurança pode ser medido, por exemplo, em termos de 3 parâmetros ou critérios:
- Desvio médio. Quantifica os desvios sistemáticos do modelo em relação à realidade observada;
- Desvio padrão. Quantifica a fiabilidade do modelo;
- Facilidade de utilização e de parametrização.

O terceiro critério é, por norma, concorrente do segundo e é muitas vezes preterido em favor dele nos programas de investigação. Em projecto a situação é mais delicada já que à procura de optimizar soluções se adiciona, de forma mais premente a necessidade de contenção quer do prazo quer do custo de execução do projecto. Há que encontrar uma posição equilibrada.
O primeiro critério é, aparentemente, independente dos outros dois. No entanto a dificuldade na sua quantificação repercute-se na fiabilidade global do modelo, exigindo maiores coeficientes de segurança, deterministas, para um mesmo grau de segurança, probabilista.
O advento de novos algoritmos e meios de calculo poderá deslocar significativamente a posição de equilíbrio acima mencionada.

Em Engenharia Civil, e particularmente em Geotecnia, os problemas são essencialmente de natureza contínua. Existe já um amplo conhecimento das características e propriedades dos materiais de que se poderá constituir uma estrutura.
A resolução analítica, em termos de equações diferenciais ou proposições equivalentes, de domínios contínuos só se revela praticável se esses domínios forem muito simples, tanto no que diz respeito à geometria como ás condições de fronteira.
A resolução de problemas concretos, usualmente mais complexos, tornou-se possível graças a duas técnicas complementares:
- Discretização do contínuo em elementos;
­- Aproximação da função incógnita (deslocamentos ou tensões, em mecânica estrutural) ao nível do elemento por uma função de aproximação.

A quantificação da acção mecânica da água, baseia-se nos seguintes pressupostos:
- O enchimento da albufeira será suficientemente lento para que não se verifiquem, em qualquer altura, diferenças significativas entre os níveis piezométricos no paramento de montante da barragem e na face de montante do núcleo central.
- O enchimento da albufeira será suficientemente rápido para que seja admissível considerar essa mesma face como impermeável.
A relação entre as permeabilidades do maciço estabilizador e do núcleo é, em muitos casos, suficientemente elevada para viabilizar a hipótese acima mencionada. É provável, porém, que em barragens com grande capacidade de regularização o enchimento seja demasiadamente lento para que durante esse período, o núcleo possa ser considerado impermeável.
A distinção entre as várias situações possíveis exige um algoritmo de cálculo de redes de percolação em regime transitório. Um tal algoritmo é também necessário para determinar a acção mecânica da água para um esvaziamento rápido da albufeira. De notar que esta situação é menos gravosa para uma barragem de enrocamento do que para uma barragem de aterro com perfil homogéneo.

Os programas de cálculo de redes de percolação em meios porosos usam, normalmente, um de dois processos:
- Malha de elementos finitos rígidos: a linha de saturação pode dividir um qualquer elemento em duas partes. A formulação ao nível do elemento terá que atender ao facto de que apenas numa dessas partes haverá percolação;
- Malha deformável: o domínio abrangido pela malha de elementos finitos deverá deformar-se de maneira a que a linha de saturação real, a menos das aproximações intrínsecas ao tipo de elementos, coincida com uma das suas fronteiras.
A solicitação “forças de percolação” evidencia algumas diferenças relativamente a solicitação “carga hidrostática”. Essas diferenças originam variações em alguns aspectos dos valores obtidos. A componente horizontal da resultante das forças de percolação é praticamente idêntica à sua homóloga da carga hidrostática. A componente vertical é, porem, superior em quase 40 %, como consequência da elevada inclinação das linhas de corrente nas cotas mais elevadas. O aumento desta componente é mais do que compensado pela impulsão hidrostática no núcleo, abaixo da linha de saturação. Este facto justifica a redução do deslocamento elástico do ponto de referência. De notar que essa redução se restringe à componente vertical.

As forças de percolação distribuem­-se no interior do núcleo e não apenas na sua face de montante, como acontece com a carga hidrostática. Daí resulta uma descompressão relativa do núcleo, na direcção horizontal. Essa descompressão é, naturalmente, desfavorável à estabilidade mecânica desse mesmo núcleo. Esta tendência é mais significativa a montante. A mesma causa origina uma menor descompressão do maciço estabilizador de montante mas muito menos significativa.
Portanto o aumento do deslocamento visco-plástico do ponto de referência é devido a redução da capacidade resistente do núcleo consequente da descompressão. Mantém-se, no entanto o movimento primário da barragem descrito, pelo que a variação do coeficiente de segurança global é muito reduzida.

Autor: Ricardo Emídio Silva de Faria Leite
Excerto Adaptado

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