SIMULAÇÕES NUMÉRICAS APLICADAS AO USO DE ECOBAGS EM BARRAGENS DE REJEITOS

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1 SIMULAÇÕES NUMÉRICAS APLICADAS AO USO DE ECOBAGS EM BARRAGENS DE REJEITOS Nathalie June Marumoto 1 ; Fernando Luiz Lavoie 2 Resumo O presente trabalho analisou a estabilidade de diques auxiliares utilizados em barragens de rejeitos, formados pelo empilhamento de geofôrmas ou ecobags preenchidas com o próprio rejeito. A análise de estabilidade global realizada considerou diferentes cenários, variando-se parâmetros, tais como: altura do nível d água em relação à crista, parâmetros do rejeito drenado e não drenado e utilização de geogrelhas para o reforço da estrutura entre os bags, buscando-se a altura máxima possível de empilhamento dos bags com segurança. Foi possível perceber que a diferença de nível d água analisada exerce pequena influência na estabilidade da estrutura. Também foi evidenciado que a condição não drenada do rejeito armazenado não possui grande influência na estabilidade do dique. No cenário da fundação não drenada, pode-se observar que a altura máxima do dique chegou a ser 4 vezes menor, quando comparada com a situação em que todos os materiais são drenados, evidenciando a influência da resistência ao cisalhamento da fundação na estabilidade global da estrutura. Por fim, com o uso de geogrelhas entre os bags, a altura máxima possível do dique com segurança dobrou no cenário de fundação não drenada para a geogrelha de 35 kn/m. Já para o uso da geogrelha de 80 kn/m, a altura máxima foi 5 vezes superior ao cenário sem geogrelha, atingindo altura máxima de 15m. A implementação da tecnologia dos geossintéticos aumenta a eficiência da estrutura e possibilita o empilhamento do rejeito de uma forma mais racional, contribuindo para a minimização dos riscos de rompimento de uma barragem. Palavras-chave: Barragem de Rejeitos, Geofôrmas, Ecobags, Geogrelhas Abstract The present work analyzed the global stability of auxiliary dams used in tailings dams, formed by the stacking of ecobags filled with the tailings itself. The global stability analysis performed considered different scenarios, varying parameters such as: height of water level in relation to crest, parameters of drained and undrained tailings and use of geogrids to reinforce the structure between the bags, looking for the maximum possible height of stacking the bags safely. It was possible to notice that the difference in water level analyzed exerts little influence on the stability of the structure. It was also evidenced that the undrained condition of the stored tail has no great influence on the stability of the dam. In the undrained foundation scenario, it can be observed that the maximum height of the dam was 4 times lower when compared to the situation in which all materials are drained, showing the influence of the shear strength of the foundation on the overall stability of the structure. Finally, with the use of geogrids between the bags, the maximum possible height of the dam doubled in the undrained foundation scenario for the 35 kn/m geogrid. Already for the use of geogrid of 80 kn/m, the maximum height was 5 times superior to the scenario without geogrid, reaching maximum height of 15m. The implementation of the geosynthetics technology increases the efficiency of the structure and allows the stacking of the tailings in a more rational way, contributing to the minimization of the risks of a dam s failure. Keywords: Dam, Geotextile Tubes, Ecobags, Geogrids 1 Aluna de Graduação em Engenharia Civil do Instituto Mauá de Tecnologia 2 Professor Assistente do Instituto Mauá de Tecnologia 1

2 1. INTRODUÇÃO Frente à indústria mineral está à geração de um grande volume de rejeitos, provenientes dos processos de lavra e beneficiamento. Estes, sem valor econômico, no passado eram dispostos sem muita preocupação, muitas vezes em estruturas de contenção sem projetos de engenharia e sem qualquer controle tecnológico, ocasionando rupturas e grandes tragédias, seguidas de prejuízos econômicos, sociais e ambientais (ARAUJO, 2006). As barragens são estruturas construídas com a finalidade de armazenar líquidos e/ou sólidos e são muito utilizadas para contenção de rejeitos industriais. A crescente demanda por minérios, conciliada ao desenvolvimento tecnológico, possibilita, cada vez mais, a disposição adequada e o monitoramento destas estruturas de contenção. As barragens de rejeito são preferencialmente utilizadas devido à possibilidade de utilização do próprio material para construção do barramento e à realização do alteamento em etapas, feito pela própria mineradora, o que pode acompanhar as oscilações da demanda do mercado e, consequentemente, a produção de minérios e resíduos (SOARES, 2010). Atualmente, têm-se investido em métodos alternativos, que permitam armazenar maiores volumes de material em menores áreas, associados ainda, a um ganho de resistência em curtos períodos de tempo (LIMA, 2006). Neste contexto, uma solução ainda pouco estudada é o uso de geofôrmas (também chamadas de ecobags), confeccionadas com geotêxteis filtrantes e preenchidas com rejeitos retirados do reservatório. O material é bombeado para dentro da geofôrma e, de acordo com Vertematti (2004), o geotêxtil permite a saída da água presente no rejeito, dando início ao processo de adensamento. As geofôrmas ou bags podem então ser empilhados e posicionados nas ombreiras das barragens, formando diques auxiliares (MARTINS e VIDAL, 2006). Ganha-se em volume e obtém-se uma situação mais estável do material, contribuindo positivamente para a estabilidade global da estrutura. 2. OBJETIVOS No presente trabalho, foram feitas análises numéricas da estabilidade dos diques auxiliares, formados pelo empilhamento de ecobags apoiados sobre o rejeito adensado e com o benefício da utilização de geogrelhas como elemento de reforço entre os bags para atingir a maior altura possível com um fator de segurança maior ou igual a 1,5. 3. MATERIAL E MÉTODOS A estabilidade foi analisada com auxílio do programa Slide, do pacote Rocscience, e foram utilizados os métodos de fatias Bishop simplificado, Fellenius e Janbu. Foram considerados três grandes cenários, destacados nos itens 3.1, 3.2 e 3.3, que foram subdivididos em diferentes situações, levando-se em conta as análises de LOPES (2000) apud PORTES (2013) sobre as alterações das características geotécnicas de rejeitos de minério de ferro ao longo do tempo. Estes materiais estão depositados na pilha do Xingu, localizada no município de Mariana, MG. A nomenclatura utilizada nas análises foi: Dique, que representa os ecobags preenchidos por rejeitos, Rejeito, que representa os rejeitos dispostos no tardoz do dique, e a Fundação, que representa o rejeito trabalhando como fundação na estrutura DIQUE E REJEITO DRENADOS E FUNDAÇÃO NÃO DRENADA o Nível d água 1m abaixo da crista; o Nível d água na altura da crista; o Dique reforçado com geogrelha de 35kN/m e nível d água 1m abaixo da crista; 2

3 o Dique reforçado com geogrelha de 35kN/m e nível d água na altura da crista; o Dique reforçado com geogrelha de 80kN/m e nível d água na altura da crista. o Parâmetros geotécnicos do rejeito apresentados na Tabela 1; o Parâmetros dos geossintéticos apresentados na Tabela 2. Tabela 1. Parâmetros geotécnicos do rejeito utilizado na primeira análise c' ϕ' Fundação 0 30 Dique 8,6 32,6 Rejeito 8,6 32,6 Tabela 2. Parâmetros dos geossintéticos utilizados na primeira análise Resistência à Tração (kn/m) Geotêxtil 31 Geogrelha 1 35 Geogrelha DIQUE, REJEITO E FUNDAÇÃO DRENADOS o Nível d água 1m abaixo da crista; o Nível d água na altura da crista; o Dique reforçado com geogrelha de 35kN/m e nível d água na altura da crista; o Parâmetros geotécnicos do rejeito apresentados na Tabela 3; o Parâmetros dos geossintéticos apresentados na Tabela 4. Tabela 3. Parâmetros geotécnicos do rejeito utilizado na segunda análise c' ϕ' Fundação 8,6 32,6 Dique 8,6 32,6 Rejeito 8,6 32,6 Tabela 4. Parâmetros dos geossintéticos utilizados na segunda análise Resistência à Tração (kn/m) Geotêxtil 31 Geogrelha DIQUE E FUNDAÇÃO DRENADOS E REJEITO NÃO DRENADO o Nível d água 1m abaixo da crista; o Nível d água na altura da crista; o Dique reforçado com geogrelha de 35kN/m e nível d água na altura da crista. o Parâmetros geotécnicos do rejeito apresentados na Tabela 5; o Parâmetros dos geossintéticos apresentados na Tabela 6. Tabela 5. Parâmetros geotécnicos do rejeito utilizado na terceira análise c' ϕ' Fundação 8,6 32,6 Dique 8,6 32,6 Rejeito 0 30 Tabela 6. Parâmetros dos geossintéticos utilizados na terceira análise Resistência à Tração (kn/m) Geotêxtil 31 Geogrelha

4 4. RESULTADOS 4.1. DIQUE E REJEITO DRENADOS E FUNDAÇÃO NÃO DRENADA Inicialmente, foi considerado o dique sem reforço para duas situações: nível d água 1m abaixo da crista e nível d água na mesma altura da crista, variando-se a altura do dique de 1 em 1 metro até que critério de parada fosse satisfeito, ou seja, fator de Segurança (FS) 1,5 para o método mais conservador utilizado, o de Fellenius. Em seguida, repetiu-se o procedimento utilizando-se o dique reforçado com geogrelha de 30kN/m entre os bags. Para o caso mais crítico (nível d água na mesma altura da crista), foi, ainda, utilizada a geogrelha de 80kN/m e determinou-se a máxima altura do dique para FS 1, Nível d água 1m abaixo da crista sem geogrelha A altura máxima obtida pela simulação foi de 4m, como mostra a Figura 1, para os fatores de segurança representados na Tabela 7. Figura 1. Análise de estabilidade e Fator de Segurança do dique com 4m de altura e nível d água com 3m Tabela 7. Fatores de segurança obtidos pela análise numérica com o nível d água 1 m abaixo da crista do dique sem geogrelha Nível d'água 1m abaixo da crista Bishop Simpificado 2,852 4 Fellenius 1,305 Janbu 2, Nível d água 1m abaixo da crista com geogrelha de 35kN/m A altura máxima obtida pela simulação foi de 8m, como mostra a Figura 2, para os fatores de segurança representados na Tabela 8. Figura 2. Análise de estabilidade e Fator de Segurança do dique com 8m de altura e nível d água com 7m Tabela 8. Fatores de segurança obtidos pela análise numérica com o nível d água 1 m abaixo da crista do dique com reforço de geogrelha de 35 kn/m 4

5 Geogrelha 35kN e nível d'água 1m abaixo da crista Bishop Simpificado 2,581 8 Fellenius 1,467 Janbu 2, Nível d água na mesma altura da crista A altura máxima obtida pela simulação foi de 3m, como mostra a Figura 3, para os fatores de segurança representados na Tabela 9. Figura 3. Análise de estabilidade e Fator de Segurança do dique com 3m de altura e nível d água com 3m Tabela 9. Fatores de segurança obtidos pela análise numérica com o nível d água na altura da crista do dique sem geogrelha Nível d'água na altura da crista Bishop Simpificado 2,85 3 Fellenius 1,326 Janbu 2, Nível d água na mesma altura da crista com geogrelha de 35kN/m A altura máxima obtida pela simulação foi de 7m, como mostra a Figura 4, para os fatores de segurança representados na Tabela 10. Figura 4. Análise de estabilidade e Fator de Segurança do dique com 7m de altura e nível d água com 7m Tabela 10. Fatores de segurança obtidos pela análise numérica com o nível d água na crista do dique com reforço de geogrelha de 35kN/m 5

6 Geogrelha 35kN e nível d'água na altura da crista Bishop Simpificado 2,571 7 Fellenius 1,474 Janbu 2, Nível d água na mesma altura da crista com geogrelha de 80kN/m A altura máxima obtida pela simulação foi de 15m, como mostra a Figura 5, para os fatores de segurança representados na Tabela 11. Figura 5. Análise de estabilidade e Fator de Segurança do dique com 15m de altura e nível d água com 15m Tabela 11. Fatores de segurança obtidos pela análise numérica com o nível d água na crista do dique com reforço de geogrelha de 80kN/m Geogrelha 80kN e nível d'água na altura da crista Bishop Simpificado 2, Fellenius 1,493 Janbu 2, DIQUE E FUNDAÇÃO DRENADOS E REJEITO NÃO DRENADO Seguiu-se o mesmo raciocínio do item 4.1. Considerou-se dique sem reoforço para duas situações: nível d água 1m abaixo da crista e nível d água na mesma altura da crista, aumentando-se a altura de 1 em 1 metro até que critério de parada fosse satisfeito (Fator de Segurança 1,5). Em seguida, para o caso mais crítico (nível d água na altura da crista), repetiu-se o procedimento utilizando-se geogrelha de 35kN/m entre os bags, como reforço. Como, já para este caso, a altura máxima obtida foi condizente com o usual na prática, não foi utilizada a geogrelha de 80kN/m. As alturas máximas obtidas para a situação de dique, rejeito e fundação drenados foram muito próximas deste cenário, portanto, não foram apresentadas Nível d água 1m abaixo da crista sem geogrelha A altura máxima obtida pela simulação foi de 12m, como mostra a Figura 6, para os fatores de segurança representados na Tabela 12. 6

7 Figura 6. Análise de estabilidade e Fator de Segurança do dique com 12m de altura e nível d água com 11m Tabela 12. Fatores de segurança obtidos pela análise numérica com o nível d água 1 m abaixo da crista do dique sem geogrelha Nível d'água 1m abaixo da crista Bishop Simpificado 2, Fellenius 1,464 Janbu 2,372 A avaliação da estabilidade do dique com o nível d água na mesma altura da crista sem geogrelha resultou em um fator de segurança análogo ao da análise deste item (4.2.1), portanto, não foram apresentadas Nível d água na mesma altura da crista com geogrelha de 35kN/m A altura máxima obtida pela simulação foi de 19m, como mostra a Figura 8, para os fatores de segurança representados na Tabela 14. Figura 8. Análise de estabilidade e Fator de Segurança do dique com 19m de altura e nível d água com 19m Tabela 14. Fatores de segurança obtidos pela análise numérica com o nível d água na crista do dique com reforço de geogrelha de 35kN/m 5. CONCLUSÃO Geogrelha 35kN e nível d'água na altura da crista Bishop Simpificado 2, Fellenius 1,472 Janbu 2,292 São nítidas as consequências drásticas da ruptura de uma barragem de rejeitos. Sendo assim, é inevitável a busca por melhorias na segurança e fiscalização de uma estrutura. A partir das análises numéricas, é possível concluir que a diferença de nível d água de 1 m abaixo da 7

8 crista para o nível d água igual ao nível da crista exerce pequena influência na estabilidade da estrutura. Nas comparações entre os diversos cenários avaliados, percebeu-se que quando o dique e o rejeito contido possuem os parâmetros drenados e a fundação é não drenada, considerando a situação mais crítica (sem geogrelha e altura no nível d água na mesma altura da crista do dique), a altura máxima chega a ser 4 vezes menor quando comparada com a situação em que todos os materiais são drenados. Estes resultados reforçam a importância do ganho de resistência ao cisalhamento da fundação de rejeitos, colaborando para a melhoria da estabilidade das estruturas sobre ela. Notou-se que a condição não drenada do rejeito armazenado não possui grande influência na estabilidade do dique, uma vez que os fatores de segurança apresentam pouca, ou até mesmo nenhuma variabilidade quando alterado este parâmetro. No cenário de fundação não drenada, o uso das geogrelhas é fundamental para a construção de diques com alturas em torno de 10m. Com a utilização da geogrelha de 35kN/m entre os bags, a altura dobrou, obtendo-se uma estrutura de 7m; utilizando-se a geogrelha de 80 kn/m entre os bags, chegou-se a uma altura máxima com segurança de 15m, 5 vezes a altura inicial (sem geogrelha). Nos outros dois cenários, a altura máxima foi de 19m com o emprego da geogrelha de 35kN/m. Enfim, a implementação da tecnologia dos geossintéticos aumenta a eficiência da estrutura e possibilita o empilhamento do rejeito de uma forma mais racional, contribuindo para a minimização dos riscos de rompimento de uma barragem. Na análise numérica realizada não foram considerados os vazios entre os encontros dos bags, há a necessidade de um estudo por meio do método de elementos finitos neste caso. REFERÊNCIAS ARAUJO, C.B. Contribuição ao estudo do comportamento de barragens de rejeito de mineração de ferro. 2006, 136 p. Dissertação (Mestrado em Ciências em Engenharia Civil) Universidade Federal do rio de Janeiro, Rio de Janeiro. LIMA, L.M.K. Retroanálise da formação de um depósito de rejeitos finos de mineração construído pelo método subaéreo. 2006, 125 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil, área de concentração: Geotecnia) Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto. MARTINS. P.M.; VIDAL, D.M. Tubos geotêxteis para acondicionamento e desaguamento de rejeitos de mineração. In: ENCONTRO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA E PÓS-GRADUAÇÃO DO ITA, 12, 2006, São José dos Campos. PORTES, A.M.C. Avaliação da disposição de rejeitos de minério de ferro nas consistências polpa e torta. 2013, 154 p. Dissertação (Mestrado em Geotecnia e Transportes) - Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte. SOARES, L. Barragem de Rejeitos In: Luz, A.B. da; Sampaio, J.A.; França, S.C.A. (Eds.) Tratamento de minérios. 5ª. Rio de Janeiro: CETEM/MCT, 2010, p VERTEMATTI, J.C. Manual brasileiro de geossintéticos. São Paulo: Edgard Blucher,