Influence of Valley Morphology on Earth Pressure in Composite Face Rockfill Dam

Resumo Técnico: Influência da Morfologia do Vale na Pressão de Terra em Barragens de Enrocamento de Face Composta

Definição do Problema
As barragens de enrocamento de face composta, uma forma estrutural inovadora projetada para superar as limitações das barragens de enrocamento de face convencionais que excedem 250 metros de altura, integram uma seção inferior de barragem de gravidade de concreto com um aterro superior de enrocamento. Embora esse design facilite a manutenção e reduza o comprimento das placas, ele introduz desafios complexos de estabilidade, particularmente no que diz respeito à interação entre a barragem de gravidade rígida e o enrocamento flexível. Um parâmetro de projeto crítico para essas estruturas é a pressão de terra. No entanto, a prática de engenharia atual depende fortemente das teorias clássicas de Rankine e Coulomb, que se baseiam em suposições de deformação plana bidimensional (2D) e hipóteses de solo semi-infinito. Esses métodos tradicionais não conseguem considerar o forte confinamento lateral, a largura finita e os efeitos espaciais tridimensionais (3D) inerentes a vales montanhosos estreitos. Consequentemente, as pressões de terra calculadas frequentemente divergem significamente das condições in situ, negligenciando o efeito de arco do solo e a redistribuição específica de tensões causada pela topografia do vale. Essa discrepância acarreta riscos à estabilidade da barragem de gravidade inferior, ao controle de compactação e à compatibilidade de deformação entre a placa superior e a barragem inferior.

Metodologia
Para abordar essas deficiências, o estudo emprega uma abordagem multifacetada combinando derivação teórica, monitoramento de campo e verificação numérica:

1. Derivação Teórica: Os autores derivaram uma nova fórmula analítica para a pressão de terra ativa 3D usando o método do equilíbrio limite. A derivação baseia-se em um modo de ruptura de cunha deslizante 3D que incorpora parâmetros morfológicos chave do vale: ângulo de inclinação do vale, largura da base do vale e razão largura-altura do vale. O modelo trata a massa de solo deslizante como um corpo rígido sujeito ao peso próprio, forças de reação da barragem de gravidade e restrições laterais das encostas do vale, contabilizando explicitamente o efeito de arco do solo e a resistência ao atrito em ambas as superfícies de base e laterais.
2. Verificação de Campo: A fórmula teórica foi validada contra dados de monitoramento in situ da Estação Hidrelétrica de Yangqu, um projeto de barragem de enrocamento de face composta no alto Rio Amarelo. Duas seções de monitoramento foram instrumentadas com células de pressão de terra em várias elevações para rastrear a evolução dinâmica da pressão interfacial durante o enchimento da barragem.
3. Verificação Numérica: Um modelo de elementos finitos (FEM) 3D foi estabelecido utilizando o modelo constitutivo elástico não linear Duncan-Chang E-B para o enrocamento e elementos de contato Goodman para as interfaces. Este modelo simulou a seção típica da barragem de Yangqu para comparar os resultados teóricos com as simulações numéricas.
4. Análise Paramétrica: Utilizando a fórmula derivada, um método de variáveis de controle foi aplicado para realizar análises de sensibilidade de fator único e multifator. Isso quantificou a influência dos ângulos de inclinação do vale (variando de 20° a 90°) e das razões largura-altura do vale na magnitude e distribuição da pressão de terra.

Principais Contribuições e Resultados
O estudo produz várias descobertas críticas em relação à mecânica da pressão de terra em barragens localizadas em vales:

• Validação da Fórmula 3D: A fórmula de pressão de terra 3D derivada demonstra alta consistência tanto com os dados de monitoramento de campo quanto com os resultados de FEM. As curvas teóricas alinham-se com as tendências medidas, situando-se dentro do envelope de valores máximos e mínimos medidos. A fórmula reflete com precisão a distribuição unimodal da pressão de terra, onde os valores de pico ocorrem próximo ao corpo superior da barragem (aprox. 2628 m) devido ao arco do solo, seguidos por uma diminuição gradual em direção à base.
• Sensibilidade Dependente da Elevação: O estudo revela que a pressão de terra é altamente sensível às mudanças de elevação. Na zona de baixa elevação (2550–2600 m), a pressão de terra diminui rapidamente com o aumento da elevação, indicando efeitos significativos de esmagamento lateral. Acima de 2600 m, a pressão estabiliza-se. Os valores teóricos geralmente coincidem com os dados medidos nas seções superiores, mas apresentam desvios nas seções inferiores, onde as pressões medidas permanecem mais altas do que as previsões teóricas, provavelmente devido à complexa redistribuição de tensões 3D e tensões residuais de tração.
• Impacto Quantitativo da Morfologia do Vale:
  • Ângulo de Inclinação do Vale: Com uma razão largura-altura fixa, o aumento do ângulo de inclinação do vale de 20° para 90° aumenta a pressão de terra em 20% a 57%. Esse efeito é mais pronunciado em elevações mais baixas.
  • Razão Largura-Altura do Vale (Largura da Base Fixa): A redução da razão largura-altura de 11,41 para 5,91 (estreitamento do vale) diminui a pressão de terra em 20% a 36%.
  • Razão Largura-Altura do Vale (Ângulo de Inclinação Fixo): Quando o ângulo de inclinação é constante, a razão largura-altura atua como o parâmetro de controle dominante. A redução da razão de 15,7 para 2 resulta em uma redução drástica da pressão de terra de 84% a 86%.
• Mecanismo de Redução: Vales estreitos com inclinações íngremes induzem um efeito de arco do solo e um confinamento lateral mais fortes. As encostas do vale atuam como contrafortes naturais, transferindo as cargas de solo sobrejacentes para as montanhas laterais estáveis, reduzindo assim significativamente a pressão que atua sobre as estruturas de contenção internas em comparação com as previsões teóricas 2D.

Significância
O artigo afirma que sua pesquisa corrige os defeitos das teorias de pressão de terra 2D convencionais ao fornecer uma base teórica que incorpora os efeitos espaciais 3D do terreno do vale e das estruturas de barragens compostas. A fórmula analítica derivada oferece uma ferramenta refinada para o projeto, construção e monitoramento de segurança de barragens de enrocamento de face composta em regiões montanhosas. Ao quantificar como a morfologia do vale governa a pressão de terra, o estudo permite cálculos de tensão e verificações de dimensões estruturais mais precisos, potencialmente prevenindo o sobredimensionamento ou o subdimensionamento das seções inferiores da barragem de gravidade. Os achados sugerem que ignorar o confinamento do vale leva a discrepâncias significativas nas avaliações de segurança, e a abordagem 3D proposta é essencial para a realização segura de barragens superaltas em configurações topográficas complexas.