APLICAÇÃO DE ESTUDOS GEOTÉCNICOS EM ESTABILIDADE DE TALUDES NA INSTALAÇÃO DE DUTOS DE GÁS SUBTERRÂNEOS

Transcrição

1 APLICAÇÃO DE ESTUDOS GEOTÉCNICOS EM ESTABILIDADE DE TALUDES NA INSTALAÇÃO DE DUTOS DE GÁS SUBTERRÂNEOS Julio Cézar de Almeida Engenheiro Mecânico, D. Sc/COMPAGAS/UFPR Fernando Augusto Birck Engenheiro Civil/COMPAGAS Eduardo Dell Avanzi Engenheiro Civil, Ph. D./UFPR/EGEL Roberto Dalledone Machado Engenheiro Civil, D. Eng./UFPR Resumo: Contenção de encostas e estabilização de taludes é uma atividade essencial em Engenharia que garante a preservação de muitos empreendimentos e evita acidentes muitas vezes catastróficos. Maiores cuidados são necessários em taludes próximos ou por onde estão instaladas redes de óleo e gás. Pequenos movimentos do maciço ou até a sua ruptura podem produzir vazamentos do material transportado, com grandes possibilidades de danos materiais, ao meio ambiente e até com riscos de explosões. O presente artigo trata de caso real de contenção de um talude localizado na BR-277, entre os municípios de Curitiba e Campo Largo, no Estado do Paraná, Brasil, por onde passava uma linha de abastecimento da Companhia Paranaense de Gás Natural COMPAGAS. Após apresentar sinais de ruptura, foram feitos estudos considerando cenários distintos de saturação do solo, de forma a verificar o fator de segurança contra o deslizamento em função das obras de implantação de dutos subterrâneos. Palavras chave: gás natural, dutos subterrâneos, engenharia geotécnica, estabilidade de taludes. Abstract: Slope containment and stability are essential engineering activities that guarantee the preservation of structures and often avoids catastrophic accidents. Special care is Revista Técnico-Científica do CREA-PR - ISSN ª edição - junho de página 1 de 10

2 necessary on slopes near underground oil and gas infrastructures. Slight movements of the landmass or even its rupture may cause leakages of the transported material, with potential property and environment damages and even explosion risks. The present article deals with a case study regarding the containment of a slope near BR-277, near the cities of Curitiba and Campo Largo, state of Paraná, Brazil, in which a buried natural gas pipeline from COMPAGAS was present. After showing signs of rupture, studies were conducted considering distinct soil saturation sceneries in order to verify the safety factor against landslide due to the construction works of the buried pipelines. Keywords: natural gas, buried pipelines, geotechnical engineering, slope stability. 1. INTRODUÇÃO Nos últimos anos, em função da necessidade de novas matrizes energéticas, especialmente para atendimento a atividade industrial, o mercado do Gás Natural no Brasil vem apresentando um crescimento expressivo (ZANETTE; ALMEIDA; MACIESKI, 2014), gerando grande demanda de expansão da rede instalada por parte das distribuidoras no país. Especificamente para o caso do Paraná, que possui sua rede de distribuição de Gás Natural (RDGN) concentrada na região de Curitiba em função dos city-gates (pontos de recebimento), essa expansão envolve a instalação de ramais de grande extensão para atendimento a municípios do interior do Estado, partindo da capital. Novas redes de grande porte são projetadas ao longo das rodovias, utilizando-se da faixa de domínio das mesmas. Como consequência, muitas das instalações estão localizadas, de forma recorrente, em trechos de corte ou aterros rodoviários. Tais situações têm sido abordadas de forma bem específica durante a elaboração dos projetos executivos, uma vez que a instalação de dutos por abertura convencional de valas em pés ou cristas de taludes é considerada uma situação não-ideal, geralmente exigindo a substituição do método construtivo convencional pela execução através de método não destrutivo (perfuração direcional). Sendo assim, como forma de exemplificar as dificuldades envolvidas na instalação subterrânea de Gás Natural em trechos próximos a pés ou cristas de taludes, o presente artigo apresenta um estudo realizado em 2011 referente ao deslizamento de massa de solo ocorrido na BR-277, próximo ao município de Campo Largo, um mês após o término das obras de instalação dos dutos de Gás Natural da COMPAGAS. Revista Técnico-Científica do CREA-PR - ISSN ª edição - junho de página 2 de 10

3 2. DESCRIÇÃO DO PROBLEMA O caso apresentado neste artigo é relativo a uma movimentação de massa de solo de um talude às margens da Rodovia BR 277, próximo ao município de Campo Largo, no Paraná. Como a acomodação do talude foi observada após a instalação de gasoduto em vala aberta e posterior reaterro, levantou-se a hipótese de influência da obra de instalação do duto na estabilidade do talude. A Figura 1 ilustra o local do estudo, com a identificação da região de análise e a caracterização da bacia hidrográfica do local. Bacia de contribuição Região de recarga Região de descarga Figura 1 Vista geral da região de análise (Dell Avanzi et al., 2011). Para dirimir tais dúvidas foram realizados estudos técnicos que envolveram visitas ao local, extração de amostras, caracterização geotécnica do terreno, levantamento das condições hidrológicas, e análise do fluxo hidráulico e de estabilidade do talude através das modelagens computacionais por meio do Método dos Elementos Finitos. Os trabalhos iniciaram-se com visitas a campo pelo corpo técnico envolvido no estudo, com o intuito de efetuar um levantamento e mapeamento geológico-geotécnico das condições do local, assim como definir os ensaios de caracterização do solo e a localização dos pontos de extração de corpos de prova necessários para a correta modelagem do Revista Técnico-Científica do CREA-PR - ISSN ª edição - junho de página 3 de 10

4 aterro. Optou-se pela utilização de 2 ensaios SPT (Standard Penetration Test) extraídos da crista do aterro próximo do acostamento da rodovia e do local onde havia ocorrido o deslizamento de massa de solo, além de duas sondagens a trado manual realizadas no pé do talude, próximas ao local de implantação da rede de distribuição de gás natural. Ensaios realizados em dois blocos indeformáveis extraídos do local confirmaram um solo do tipo silte argilo-arenoso marrom avermelhado localizado na cota de fundo da encosta, e do tipo silte-argiloso avermelhado na crista do talude. Foram realizados ensaios de cisalhamento direto em ambas as amostras de solo, nas condições de umidade natural e inundada conforme previsto na NBR 11682/09, resultando em envoltórias de resistência não saturadas e inundadas. Além dos referidos ensaios, foram realizadas também análises de sucção, curvas de retenção de umidade, compressibilidade e condutividade hidráulica. Ensaios laboratoriais permitiram uma caracterização detalhada das propriedades do solo no local, conforme Tabela 1, gerando parâmetros para a modelagem numérica do maciço e simulação do fluxo de água no interior da massa do aterro. Parâmetro Solo Amostra 1 Amostra 2 γ nat Peso específico natural 18 kn/m 3 17,5 kn/m 3 w nat Umidade natural 40% 34% γ d Peso específico seco 13 kn/m 3 13 kn/m 3 G Peso específico relativo dos 2,72 g/cm 3 2,65 g/cm 3 grãos e o Índice de vazios 1,15 1,02 γ sat Peso específico saturado 18,5 kn/m 3 18 kn/m 3 Tabela 1 Parâmetros geotécnicos das duas amostras de solo indeformado. Concomitantemente aos ensaios geotécnicos, realizou-se também uma análise detalhada do histórico pluviométrico da região. A investigação foi motivada pelo fato de que, durante a visita em campo, detectou-se que as manilhas de drenagem e a estrutura de transposição de águas do talvegue instaladas sob o aterro encontravam-se obstruídas, conforme observado na Figura 2. Essa condição influencia de forma significativa a estabilidade do talude, uma vez que, se os drenos não estiverem em plenas condições de funcionamento, o curso de água da bacia localizada a montante do aterro deixa de ser um caminho apropriado para escoamento, forçando a água armazenada a percolar através do Revista Técnico-Científica do CREA-PR - ISSN ª edição - junho de página 4 de 10

5 solo. Assim, num cenário de chuvas intensas e prolongadas, o solo poderá apresentar uma indesejável condição de supersaturação. Figura 2 Obstrução no sistema de drenagem do aterro rodoviário O estudo pluviométrico foi realizado através da obtenção de dados a partir da estação pluviométrica de Curitiba ( ) operada pelo INMET, calibrada pela média histórica da Colônia Dom Pedro ( ), operada pela SUDERHSA. As informações pluviométricas obtidas permitiram um detalhamento do perfil de chuvas na região durante o período estudado. Foram realizadas análises do índice de precipitação para os meses de dezembro de 2010 a fevereiro de 2011, assim como comparativos com séries históricas e precipitação acumulada ao longo dos referidos meses. A Figura 3 apresenta o histórico de precipitação total no mês de fevereiro entre os anos de 1985 e Observa-se que o mês de fevereiro de 2011 foi o que apresentou o maior índice pluviométrico dos últimos vinte e seis anos. Revista Técnico-Científica do CREA-PR - ISSN ª edição - junho de página 5 de 10

6 Figura 3 Histórico de precipitações para o mês de fevereiro de 1985 a 2011 (Dell Avanzi et al., 2011). Pelo levantamento realizado, constatou-se que o regime de precipitação em 2011 foi superior à média ao longo dos últimos anos, inclusive com maiores valores de pico. As chuvas intensas e prolongadas dos meses anteriores combinadas com picos de precipitação do mês de fevereiro daquele ano, combinados com a ineficiência do sistema de drenagem local, foram os fatores que contribuíram para a saturação e a desestabilização da massa de solo na face do aterro. 3. MODELAGEM NUMÉRICA COMPUTACIONAL Após a obtenção de todas as informações de campo e o processamento dos dados obtidos com os ensaios laboratoriais, realizou-se a modelagem computacional do aterro através do Método dos Elementos Finitos para análise da estabilidade do talude. Desse modo, foram avaliados cenários distintos, envolvendo diferentes condições de saturação, sobrecarga de tráfego e a presença ou não de vala para a instalação dos dutos subterrâneos da COMPAGAS. Para cada situação, foram determinados os fatores de segurança (FS) contra o deslizamento, observando-se os limites estabelecidos por normas. Revista Técnico-Científica do CREA-PR - ISSN ª edição - junho de página 6 de 10

7 Elevação (m) A estabilidade global do talude foi avaliada através de análises acopladas de fluxo saturado-não saturado conjuntamente às análises de estabilidade de encostas, utilizando-se dos parâmetros obtidos nos ensaios laboratoriais. Para a análise da rede de fluxo hidráulico dentro da massa do aterro aplicou-se a clássica Equação de Richards (1931) em um modelo bi-dimensional pelo método dos elementos finitos. Para a avaliação da estabilidade do talude, utilizou-se o modelo de equilíbrio limite de Morgenstern e Price (1965), que considera superfícies de ruptura em formato qualquer. As simulações foram realizadas a partir de um modelo do perfil transversal do local de estudo, considerando as informações obtidas a partir de levantamento topográfico já previamente executado pela COMPAGAS, e com todas as informações obtidas durante a etapa de sondagens. A Figura 4a ilustra os resultados da modelagem da seção transversal do talude com a superfície de ruptura destacada em verde. A Figura 4b apresenta os resultados da análise de fluxo hidráulico no interior da massa do aterro, indicando também as superfícies de infiltração e o sentido de percolação das partículas de água Aterro CompactadoName: Aterro silto-argiloso compactado Model: Mohr-Coulomb Unit Weight: 18 kn/m³ Cohesion: 11.3 kpa 969 Phi: 27.2 Análise da estabilidade da seção Phi-B: Name: Solo Natural Silto Arenoso Model: Mohr-Coulomb Unit Weight: 17.5 kn/m³ Cohesion: 6.3 kpa Phi: Phi-B: Name: Solo Compactado Model: Mohr-Coulomb Unit Weight: 17 kn/m³ Cohesion: 0 kpa Phi: Phi-B: Distancia (m) Figura 4a Modelagem da seção transversal e superfície de ruptura (Dell Avanzi et al., 2011). Revista Técnico-Científica do CREA-PR - ISSN ª edição - junho de página 7 de 10

8 Elevação (m) Aterro CompactadoName: Aterro silto-argiloso compactado 975 Model: Saturated / Unsaturated K-Function: Mualen van Genuchten Aterro compactado Vol. WC. Function: CRUS Aterro compactado K-Ratio: K-Direction: Initial PWP: 0 kpa Análise de fluxo permanente do perfil estaca 52 - talude - instabilizado BR 277 Rodonorte - Cenário de Estiagem Prolongada Name: Solo Natural Silto Arenoso Model: Saturated / Unsaturated K-Function: Mualen van Genuchten Solo Natural Silto- Arenoso Vol. WC. Function: CRUS Solo Natural K-Ratio: K-Direction: Initial PWP: 0 kpa Name: Solo Compactado Model: Saturated / Unsaturated K-Function: Mualen van Genuchten Aterro compactado Vol. WC. Function: CRUS Aterro compactado K-Ratio: K-Direction: Initial PWP: 0 kpa Distancia (m) Figura 4b Análise de fluxo hidráulico (Dell Avanzi et al., 2011). Seis distintos cenários foram analisados. As situações de análise e os respectivos Fatores de Segurança estão representados na Tabela 2. Para a análise perante aos critérios definidos por norma, considerou-se o fator de segurança desejado correspondente a 1,5, adequado a uma situação de alto risco contra perda de vidas humanas e médio risco contra danos materiais e ambientais, conforme definido na NBR 11682/09. Cenário Condição de obra Fator de Segurança 1 Estiagem Talude original 1,235 2 Chuvas moderadas Talude original 1,007 3 Estiagem Vala aberta 1,127 4 Chuvas moderadas Vala aberta Ruptura 5 Estiagem Reaterro duto instalado 1,210 6 Chuvas moderadas Reaterro duto instalado 1,009 Tabela 2 Resultados dos cenários analisados quanto a estabilidade do talude. 4. RESULTADOS Os resultados demonstram que, considerando a presença constante de pessoas ou de veículos nas imediações do mesmo, o talude sempre apresentou um Fator de Segurança (FS) abaixo do preconizado pela NBR 11682/09, independente da instalação dos dutos ou da abertura de valas, mesmo nas condições de estiagem (cenário 1 FS = 1,235). Para o Revista Técnico-Científica do CREA-PR - ISSN ª edição - junho de página 8 de 10

9 caso de chuvas moderadas, o talude original (2) apresenta um FS de 1,007, indicando um estado de equilíbrio limite com ruptura eminente. Para a situação de estiagem com a vala aberta (3), apesar de ter apresentado um FS abaixo do recomendado pela norma, mantevese acima do limite de ruptura e próximo da condição original da encosta no cenário de estiagem. O cenário de ruptura (4) não ocorreu durante a execução, uma vez que os dutos foram instalados com sucesso, sem observação de movimentação de solo durante os serviços. Observa-se ainda que a situação final do talude, após a instalação dos dutos e o respectivo reaterro da vala (cenário 5), o FS apresentou uma variação ínfima e muito próxima da condição original, com uma variação de apenas 2%. Uma condição semelhante pode ser observada no cenário de chuvas moderadas (6), onde a magnitude do Fator de Segurança manteve-se próxima do cenário com o talude original. 5. CONCLUSÃO A partir do estudo realizado, pode-se concluir que o maciço avaliado sempre apresentou condição de segurança abaixo do recomendando pela NBR /09. Ainda, conforme demonstrado na análise acoplada de fluxo e estabilidade, numa condição de chuvas prolongadas, o talude original poderia atingir uma situação de equilíbrio limite independentemente ou não da instalação dos dutos da COMPAGAS. Essa condição torna-se mais evidente ao se considerar a obstrução praticamente total do sistema de drenagem, ocasionando um aumento nas pressões de água no interior do aterro rodoviário. De forma geral, conclui-se que, neste caso, a instalação dos dutos subterrâneos não contribuiu significativamente para o incidente do deslizamento de massa de solo. A experiência demonstra a importância de estudos semelhantes a este em diversas situações de instalação de dutos próximos a taludes ou de rodovias, minimizando assim o risco de acidentes e evitando conflitos entre diferentes concessionárias no que tange a responsabilização de eventuais danos causados por deslizamentos de encostas. 6. REFERÊNCIAS 1. ABNT, NBR /09. Estabilidade de Encostas. Rio de Janeiro, ABNT, NBR Projeto de Sistemas de Transmissão e Distribuição de Gás Combustível. Rio de Janeiro, Revista Técnico-Científica do CREA-PR - ISSN ª edição - junho de página 9 de 10

10 3. DELL AVANZI E.; MACHADO, E. D.; QUEVEDO, J. R. S.; GUIZELINI, A. P. Avaliação dos Fatores Indutores da Instabilidade do Talude Lateral do Aterro do km da Rodovia BR-277 sentido Interior Capital. EGEL ENGENHARIA GEOTÉCNICA, RT-212/11, Curitiba, MORGENSTEIN, N.R.; price, V.E. The analysis of the stability of general slip surfaces RICHARDS, L. A. Capillary conduction of liquids in porous mediums ZANETTE, L. A.; ALMEIDA, J. C.; MACIESKI, G. C. Desenvolvimento de metodologia para comparação entre as técnicas de trepanação e bloqueio em carga com a convencional em redes de distribuição de gás natural em aço carbono. Rio de Janeiro, IBP1367/14, Revista Técnico-Científica do CREA-PR - ISSN ª edição - junho de página 10 de 10