UM NOVO CONCEITO DE SEGURANÇA DE BARRAGENS BASEADO NA ANÁLISE DE PROBABILIDADE DE RISCO

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1 UM NOVO CONCEITO DE SEGURANÇA DE BARRAGENS BASEADO NA ANÁLISE DE PROBABILIDADE DE RISCO Carlos Henrique de A. C. Medeiros (1) Engenheiro Civil pela Escola Politécnica da Universidade Federal da Bahia. Mestre em Geotecnia pela Universidade de São Paulo USP. PhD. em Geotechnical Engineering, pela Newcastle University, FOTOGRAFIA Inglaterra. Prof. Adjunto de Engenharia de Barragens, Universidade NÃO Estadual de Feira de Santana UEFS. Diretor da Geoexperts Engenheiros Consultores Ltda. Consultor em Engenharia de Barragens DISPONÍVEL e EIA/RIMA de barragens. Cesar Silva Ramos Engenheiro Sanitarista pela Escola Politécnica da Universidade Federal da Bahia. Engenheiro Projetista e Operacional da Empresa Baiana de Águas e Saneamento S/A - EMBASA. Gerente Técnico da Geoexperts Engenheiros Consultores Ltda ( ) e Gerente de Projetos da Consulplan Engenharia S/A ( ). Endereço (1) : Av. ACM, Edifício Royal Trade, sala Salvador - BA - Brasil - geo@cpunet.com.br RESUMO O tema, segurança das barragens, tem sido objeto de grande interesse nas ultimas décadas em todo o mundo, com pode-se observar, devido a melhoria nos critérios de projeto e métodos construtivos adotados, assim como a crescente preocupação com o monitoramento das barragens, imediatamente após o início de sua operação. Contudo, os riscos de acidentes continuam sempre presente, principalmente devido as incertezas inerentes aos estudos hidrológicos a geológico geotécnicos e, a possibilidade de erro humano. Do exposto, conscientes de que a condição de risco nulo não existe, torna-se imperativo a adoção de medidas e/ou técnicas mais avançadas desenvolvidas principalmente para a estimativa, avaliação e gerenciamento de situações de risco, a exemplo da técnica denominada Probabilistic Risk Assessment (PRA) ou Avaliação de Probabilidade de Risco, bastante utilizada em projetos industriais, desenvolvida inicialmente para a avaliação da probabilidade de risco de acidente em usinas nucleares, industrias petrolíferas, industriais químicas, etc. e, recentemente aplicada em barragens. Cabe ressaltar que apesar de franca utilização, a técnica PRA tem sido objeto de críticas principalmente no que tange a confiabilidade dos cálculos estatísticos, visto que são poucos os acidentes ou rupturas de barragens bem documentados e por outro lado, o numero de variáveis incógnitas, responsáveis pelo processo de acidente e/ou ruptura é significativo. Neste trabalho procura-se apresentar a importância de utilização dessa nova técnica nos estudos de avaliação segurança de barragens existentes e os procedimentos utilizados, com ênfase para a análise de causa x conseqüência através da individualização das causas 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 3389

2 de acidente e seus respectivos impactos e correspondente definição de medidas reparadoras necessárias. PALAVRAS-CHAVE: Barragens, Análise de Risco, Segurança, Meio Ambiente. INTRODUÇÃO Observa-se, atualmente, um aumento significativo de estruturas de barramento em numero, altura e extensão; concomitantemente, com aspectos relativos a ocorrência de novos desafios técnicos, devido ao fato de que, em termos mundiais, as barragens tem sido projetadas e construídas em sítios cada vez mais desfavoráveis, sob os pontos de vista topográficos, hidrológicos e geológico geotécnico. Acidentes com barragens, via de regra, resultam em catástrofe (ex., ruptura brusca com decorrente propagação de violenta onda de cheia), com considerável perda de propriedades e/ou benfeitorias e/ou perdas de vidas. Em decorrência disso, observa-se uma crescente preocupação com os riscos de acidentes ou segurança das barragens (BLIND, H.; 1983). CAUSAS DE ACIDENTES COM RUPTURAS EM BARRAGENS As principais causa de acidentes com barragens de terra, por exemplo, são: i) transbordamento, por insuficiência hidráulica do sangradouro ou falha operacional, ii) erosão interna (piping), iii) recalques excessivos do aterro ou fundação, iv) defeitos na interface, aterro-fundação, estrutura-fundação ou tomada d água-aterro, v) deficiências de compactação do aterro, vi) liquefação, etc. Na maioria dos casos, as causas de ruptura podem ser atribuídas não apenas a falhas de projeto mas, devido a falta de fiscalização durante a construção. No primeiro caso, pode-se afirmar que o projeto não foi executado por profissional experiente e no segundo, que a construção não foi executada por empresa devidamente habilitada. Em sua maioria, as barragens que romperam eram desprovidas de sistema de monitoramento do seu desempenho e de alerta. Os erros podem ser atribuídos a falha humana, durante as fases preliminares das investigações para o projeto (ex. investigação geológico-geotécnica simplificada); dados e critérios de projeto deficientes, fiscalização deficiente e fase pós-construtiva, devido a negligência durante o primeiro enchimento, operação inadequada, monitoramento inadequado e erros de interpretação de dados do monitoramento e devido a operação indevida das estruturas hidráulicas, negligência com manutenção das estruturas e/ou equipamentos hidráulicos, etc. Tais erros poderiam ter sido evitados se alguns desses pontos fossem devidamente observados. Os acidentes com barragens, normalmente têm suas origens em algum tipo de anormalidade em seu comportamento ou em algum tipo de falha, a qual se devidamente detectada poderia ser diagnosticada como um sintoma que poderia resultar em acidente ou até mesmo a ruptura da barragem. Torna-se imperativo um eficiente sistema de inspeção e monitoramento da barragem, assim como, o pronto tratamento, análise e interpretação dos dados, em qualquer programa que vise a avaliação e garantia de segurança de barragens. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 3390

3 Tabela 1: Mecanismos de Ruptura. Mecanismo: Middlebrooks USCOLD Transbordamento 30 % 38 % Erosão Interna (piping) 38 % 44 % Escorregamentos 15 % 9 % Outros 7 % 9 % PROCEDIMENTOS UTILIZADOS NA AVALIAÇÃO DE RISCO Risco é uma função dos danos, da probabilidade e conseqüência de possíveis eventos. Tecnicamente, risco diz respeito a avaliação quantitativa de funções de probabilidade e conseqüências (custos) desses possíveis eventos (STUART, G. R., 1989). Pode-se dizer que: Risco = ƒ(danos, probabilidade, conseqüência) ou, Risco (conseqüência/unidade de tempo) = freqüência (eventos/unidade de tempo) x magnitude (conseqüência/evento). por conseguinte, Segurança = 1/Risco As principais características de risco, são: Natural / Produzidas pelo Homem Controlado / Incontrolado Local / Global Continuo / Periódico Familiar / Não Familiar Velho / Novo Conhecido / Desconhecido Certo / Incerto Voluntário / Involuntário Compensado / Descompensado Ocupacional / Não Ocupacional Continuo / Periódico / Discreto Na avaliação de risco, geralmente são utilizados os seguintes procedimentos: i) Identificação do Risco compreende o reconhecimento e listagem de todos os fatores que poderiam contribuir com o acidente da barragem e a ordenação desses fatores de maneira organizada, de uma forma lógica e seqüencial; procurando-se estabelecer o(s) modo(s) de ruptura. A melhor forma de se proceder a tal organização é através da construção da árvore de eventos (event tree). 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 3391

4 TOP EVENT: TRANSBORDAMENTO PROGRESSIVO OU E E FLUXO PELO SANGRADOURO FLUXO PELO SANGRADOURO > CAPACIDADE DE CALHA DE JUSANTE CANAL DE FLUXO > CAPACIDADE DE JUSANTE FLUXO CANAL DE JUSANTE E E VAZÃO DE CHEGADA > CAP. DE REBAIX. DO NA RESERVATORIO CHEIO RESERVATORIO CHEIO VAZÃO DE CHEGADA > CAP. DE REBAIX. DO NA OU OU VAZÃO DE CHEGADA > χ PMF CAP. DE REBAIX. DO NA REDUZIDA VAZÃO DE CHEGADA > χ PMF CAP. DE REBAIX. DO NA REDUZIDA ii) Estimativa do Risco compreende a avaliação de probabilidades de ocorrência para cada fator (ou evento) considerado em cada ramo da árvore de evento, estimando-se as respectivas conseqüências da ruptura da barragem para cada modo ou mecanismo de falha observado. O resultado da estimativa é a determinação da probabilidade de ruptura com respectivas avaliações de perdas de propriedades e/ou benfeitorias e perdas de vida e correspondentes perdas econômicas. No caso do(s) risco(s) estimados serem considerados inaceitáveis, prossegue-se com o próximo passo, iii) Aversão ao Risco compreende a formulação e avaliação das alternativas para mitigação do(s) risco(s), através de medidas de recuperação e/ou reabilitação das estruturas (ou sistema); permitindo assim uma redução da probabilidade de risco associada a cada ramo da árvore de eventos, ou através da redução das conseqüências; via medidas de intervenção na(s) estrutura(s) do barramento ou de caráter não-estrutural, como por exemplo, na área do reservatório. Por último, seguindo-se o processo de avaliação de risco, têm-se o processo de decisão sobre o grau de risco ou condições de segurança da barragem; 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 3392

5 iv) Aceitação do Risco tal decisão deverá ser objeto de profunda reflexão por parte, principalmente, do proprietário, projetista, construtor equipe de operação. Normalmente, trata-se de uma decisão bastante complexa, visto que, envolve riscos de vida e/ou perdas econômicas e, via de regra, demandam grandes investimentos para a garantia do nível aceitável de segurança com pouco ou nenhum efeito nos benefícios ou rentabilidade do empreendimento (BAECHER, G. B., et ali., 1980; MELCHERS, R. E. e STEWART, M. G.; 1993 e CLIFTON, J.J. et ali., 1984). TOP EVENT Falha do Sistema Porta Lógica Falha do Subsistema 1 Falha do Subsistema 2 Falha do Subsistema 3 Porta Lógica Falha do Componente Básico 1 Falha do Componente Básico 2 Características de risco: Com relação a tomada de decisão, cabe ressaltar, por exemplo, a seqüência de procedimentos adotados pelo Bureau of Reclamation dos Estados Unidos: Análise das conseqüências do acidente sobre as pessoas e propriedades, com e sem ruptura da barragem; Determinação da probabilidade de acidente com ruptura, para determinadas situações de nível d água do reservatório (ex. cheias, abalos sísmicos, etc); Comparação entre conseqüências, benefícios e custos entre ações alternativas; Comparação entre fatores qualitativos de alternativas (ex. aspectos sociais, ambientais, políticos e probabilidade de sucesso do empreendimento). Nas análises com vistas a tomada de decisão sobre segurança de barragens, recomenda-se que se proceda aos seguintes questionamentos: ocorreria um acidente com ruptura, na hipótese de solicitações (carregamentos) previstas em projeto? 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 3393

6 a) ocorreria um acidente com ruptura, em decorrência de possíveis eventos (ex. cheias), durante a fase normal de operação? b) seriam as conseqüências de inundação de jusante (antes da barragem), piores em decorrência da ruptura da barragem? c) existe possibilidade de perdas de vida, na eventualidade de uma ruptura? d) as medidas de segurança da barragem e proteção de vidas e propriedades, são suficientes? No presente trabalho, a palavra segurança deve ser entendida dentro de um contexto moderno, com o seguinte significado: Segurança = segurança ambiental + segurança estrutural + segurança operacional + segurança social e econômica + segurança financeira. onde, Segurança ambiental: capaz de introduzir modificações no ambiente dentro de limites de tolerância aceitáveis e preconizadas em legislações ambientais específicas; Segurança estrutural: capaz de suportar as diversas solicitações previstas em projeto, sem oferecer risco de inquietação ou temor da comunidade; Segurança operacional: capaz de cumprir as diversas funções previstas em projeto; Segurança social e econômica: capaz de atender aos anseios e expectativas da população e propiciar o seu desenvolvimento de forma sustentável; Segurança financeira: capaz de garantir o retorno do investimento sob forma de desenvolvimento. MÉTODO CONVENCIONAL DE ANÁLISE DE PROBABILIDADE DE RISCO Para um melhor entendimento sobre o conceito de acidente/evento, imagine-se uma carga (ou demanda), D, e uma resistência (ou capacidade), C, de um determinado sistema, no caso, representado por uma estrutura de barramento. Do exposto, pode-se dizer que, um acidente/evento, E, somente poderá ocorrer se e somente se: D > C (1) Como exemplo, imagine-se que, no caso de risco de acidente/evento, E, com ruptura por transbordamento de uma barragem de terra, D = volume de cheia (dentro da área de drenagem da barragem) e C = capacidade de amortecimento de cheia, do reservatório. A segurança da barragem poderia ser medida em termos de um Fator de Segurança, FS, e definida pela seguinte relação, de forma determinística: FS = C/D (2) Observa-se que o valor de FS, depende de fatores, tais como: i) solicitações atuantes sobre a estrutura: ex. cargas devido ao aterro e reservatório; volume de cheias, etc., as quais variam ao longo do tempo; ii) características físicas dos materiais de fundação /ou ombreiras e do aterro 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 3394

7 e, iii) métodos de cálculos analíticos utilizados. Todos os 3 (três) fatores implicam num elevado grau de incerteza para a obtenção do valor de FS. Nesses casos, é recomendável a adoção de técnicas de análise de probabilidade, para a determinação do valor de FS em termos de: Probabilidade de acidente/evento com ruptura, P f. Do exposto, pode-se dizer que: a probabilidade de ocorrência do acidente/evento com ruptura da barragem, P f, pode ser obtido da seguinte forma: P f = P[E] = P [ruptura] = P [FS 1] onde, P[E] =, a probabilidade de ocorrência do acidente/evento, E (no caso, ruptura por transbordamento). PROBABILIDADE DE RISCO DE ACIDENTE COM BARRAGENS A maioria dos acidentes com barragens ocorrem durante os primeiros 5 (cinco) anos e, especialmente, durante o primeiro enchimento, quando as fundações e ombreiras e os materiais naturais de construção (aterro) são submetidos as tensões devido ao reservatório, pela primeira vez. De acordo com a literatura internacional, o numero de acidentes com barragens tem decrescido significativamente nas ultimas décadas. Pode-se afirmar que de acordo com dados estatísticos de acidentes, registrados em todo o mundo, a probabilidade de ruptura de uma determinada barragem é da ordem de 1/100 ou 1% do total de barragens construídas. A taxa de acidentes (com rupturas) em barragens, pode ser considerado uma função de muitas características, dentre as quais, merecem destaque: tipo, altura, métodos construtivos, nível tecnológico, geologia e geotecnia, idade (50 anos, pode ser considerado como a idade média de uma barragem, a partir da qual os problemas começam a aparecer, comprometendo a sua segurança), etc. No caso de barragens e reservatórios, em termos globais, pode-se dizer que a probabilidade de acidente com ruptura é da ordem de 10-4 barragens por ano, ou uma ruptura a cada anos. Este mesmo valor pode ser explicado da seguinte forma: 1 (uma) barragem em 100, considerando-se uma vida útil de 100 anos por barragem (ICOLD, 1976). De acordo com o USCOLD (1975), num total de barragens analisadas nos Estados Unidos, 74 sofreram ruptura, resultando numa taxa de ruptura de 7 x 10-4 barragens por ano (PARRETT, N. F., (19 -); AVALIAÇÃO DE PROBABILIDADE DE RISCO (PROBABILISTIC RISK ASSESSMENT - PRA As principais áreas de interesse de estudos, com a utilização da técnica PRA, são: i) a identificação de eventos indesejáveis (ex. modos de ruptura), ii) a probabilidade de ocorrência desse evento e, iii) a avaliação das conseqüências decorrentes desses eventos. O interesse em utilizar essa técnica em barragens e reservatórios, surgiu em razão das conseqüências catastróficas de um acidente com ruptura. A técnica PRA, envolve a 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 3395

8 análise criteriosa e detalhada do projeto e construção, os procedimentos de operação da barragem e circunstâncias que contribuíram com o processo de ruptura. O método mais utilizado em análise de risco compreende a elaboração de árvore de eventos (event tree) e árvore de falhas (fault tree). Tais métodos foram primeiramente utilizados em estudos de segurança de reator nuclear, denominado WASH-1400, pela Comissão de Energia Nuclear dos Estados Unidos, em A árvore de eventos, representa as possíveis seqüências de eventos responsáveis pelo sucesso ou falha do sistema (barragem) ou sub-sistemas, o qual foi concebido para executar funções específicas. A árvore de eventos se desenvolve a partir de um determinado evento inicial, expandindo-se em uma cadeia de eventos interrelacionados os quais resultam, como dito anteriormente, em sucesso ou falha do sistema (GRUETTER, F. e SCHNITTER, N.J., 1982; MELCHERS, R. E. e STEWART, M. G., 1993). A árvore de falhas, compreende a representação de combinações e seqüências de eventos (sub-sistemas) os quais poderiam causar uma falha específica no sistema. É construída de trás para a frente, ou seja, a partir de uma determinada tipo de falha do sistema, estendendo-se do topo para a base, no sentido do evento(s) ou causa(s) de natureza elementar, como por exemplo, falha humana. Pontos de decisão lógica, tipo E ou OU, são utilizados para definir a relação de dependência causal entre os diversos eventos. A árvore é utilizada para a estimativa da probabilidade de ocorrência do evento principal (top event) a partir de estimativas da probabilidade de ocorrência dos eventos elementares ou básicos. As árvores de eventos e de falhas são baseadas em lógica e, consequentemente, sujeitos a erros de elaboração e/ou interpretação. Os principais problemas são aqueles devido a: i) incerteza na estimativa da probabilidade de ocorrência dos eventos básicos, ii) propagação de erros na estimativa das probabilidades, iii) a ocorrência de múltiplos eventos de falha, devido a causas comuns, iv) e tendência por simplificação demasiada do problema. Cabe ressaltar que os métodos de análise numérica são facilmente solucionados, o que não ocorre com os problemas relacionados com as estimativas de valores numéricos de probabilidade. Os problemas que demandam uma grande dose de incertezas, tem sido bastante criticados, desde que é sabido que risco, não poderia ser precisamente quantificado e avaliado sem um fator ou margem de erro da ordem de 10 ou mesmo 100. Em engenharia de barragens, são vários os eventos interdependentes, cuja probabilidade de ocorrência dependem da probabilidade de ocorrência de outros eventos. As conseqüências decorrentes da falha do sistema são geralmente expressas em termos quantitativos dos custos esperados, ou seja, numero de perdas de propriedades e/ou benfeitorias, numero de mortes, etc. Pode-se dizer que em termos de utilização da técnica PRA, os riscos são avaliados com relação aos custos esperados ou perdas. Os métodos são normalmente, fundamentados em comparações de situações de risco, eficiência das medidas adotadas para redução dos riscos e/ou através da análise e comparação de relações Custo Risco Benefício. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 3396

9 Numa análise de Custo Benefício, procura-se quantificar monetariamente, as possíveis perdas e ganhos decorrentes de uma determinada ação. Se os benefícios (ganhos) com um determinado empreendimento forem maiores que os custos(perdas), a ação é recomendada. Quando existe o risco de perdas de vidas humanas e problemas de saúde pública envolvidos, com previsão de custos significativos, recomenda-se a utilização do termo análise de Risco - Benefício. Atualmente, tem sido utilizado a expressão: custopara-salvar-uma-vida, no lugar de custo-de-uma-vida; significando o excedente do custo das medidas de reabilitação sobre os benefícios econômicos, expressos em numero de vidas à serem salvas com a implementação dessas medidas. Pode-se dizer que os custos com manutenção das estruturas de barramentos, se enquadram perfeitamente nas medidas de preservação e garantia de segurança dessas estruturas. CONSIDERAÇÕES FINAIS Segurança de barragens tem sido objeto de significativo avanço ao longo das ultimas décadas. Contudo, observa-se que o risco de acidentes permanece sempre presente, face as incertezas e possíveis falhas humanas durante as fases de projeto, construção e operação. No presente trabalho procura-se apresentar uma nova técnica aplicada em análise de risco, baseada essencialmente no princípio de análise de falha conseqüência. Inicialmente são identificados os principais eventos, supostamente responsáveis pelo acidente e suas causas com suas respectivas probabilidades de ocorrência. Finalmente, as possíveis conseqüências são determinadas e quantificadas em termos monetários e suas respectivas probabilidade de ocorrências. O método apresentado permite a obtenção de melhores resultados para a análise da segurança de uma determinada estrutura, desde que, ressalta os eventos e condições que contribuem decisivamente para os acidentes com barragens e proporciona a escolha das medidas corretivas e/ou mitigadoras mais apropriadas. Permite principalmente, uma avaliação quantitativa do acidente e suas conseqüências, via de regra dependentes de falhas humanas. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA 1. BAECHER, G. B., et ali. Risk of Dam Failure in Benefit-Cost Analysis. Water resources Research, Vol. 16, No.3, pp , June, BLIND, H. The Safety of Dams. Water & Dam Construction, May, pp , CLIFTON, J.J. et ali. A Feasibility Study Into Probabilistic Risk Assessment For Reservoirs, United Kingdom Atomic Energy Authority, UK, GRUETTER, F. e SCHNITTER, N. J. Analytical Risk Assessment For Dams; 14 th Congress International on Large Dams, Q.52, R.39, Rio de janeiro, MELCHERS, R. E. e STEWART, M. G. Probabilistic Risk and Hazard Assessment, Balkema, Rotterdam, PARRETT, N. F. U.S. Bureau of Reclamation Use of Risk Analysis. 7. STUART, G. R. Risk Assessment, Research Report No. R591, The University of Sydney, Australia, o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 3397

10 CHEIA > CHEIA DE PROJETO FALHA DO SANGRADOURO OBSTRUÇÃO DO SANGRADOURO FALHA NA(S) COMPORTA(S) FALHA NA OPERAÇÃO DA(S) COMPORTA(S) OU P20 COTA NA > COTA DA CRISTA PERIGO NÃO RECONHECIDO FALHA NO SISTEMA DE ALARME Pa Pb OU TRANSBORDAMENTO PROVOCA RUPTURA I NÃO SIM P21 P21 FALHA NO ALARME FALHA NA ORGANIZAÇÃO DO ALERTA Pa + Pb Pc E DANOS NA BARRAGEM E/OU INSTALAÇÕES FALHA NA EVACUAÇÃO DA ÁREA A SER UNUNDAD I P22 NÃO SIM P22 I P23 I - P23 NÃO SIM P23 P23=(Pa+Pb) Pc SEM DANOS A BARRAGEM INUNDÇÃO + PERDAS FATALIDADES + INUNDAÇÕES CONSEQUENCIAS E/OU INSTAL. DA BARRAGEM E PRODUÇÃO + PERDA DA BARRAG. E PRODUÇÃO P20 (i-p21) (I P22) P20 (I-P21). P22 P20. P21 ( I - P23) P20. P21. P23 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 3398