Análise da influência do acoplamento hidromecânico e da infiltração de chuvas em modelagens numéricas de pilhas de rejeitos filtrados

Abstract

A adoção de pilhas de rejeitos filtrados em substituição às barragens para disposição final desses resíduos teve um avanço significativo na última década. Embora a filtragem prévia dos rejeitos simplifique o manejo de águas na estrutura, essas pilhas apresentam particularidades geotécnicas que precisam ser consideradas no projeto e na operação. Por serem compactados com umidade próxima da ótima, os rejeitos tendem a permanecer em estado não saturado durante grande parte da vida útil da pilha, destacando a necessidade de se considerar os efeitos da mecânica dos solos não saturados — ainda pouco explorados em países tropicais, como o Brasil, onde o balanço hídrico é tipicamente positivo. Neste contexto, esta pesquisa avaliou o comportamento tensão-deformação de uma pilha hipotética de rejeitos filtrados, simulando a presença de uma camada de material frágil em sua base. Foram realizadas análises comparativas sob condições drenadas, não drenadas e acopladas (tensão-deformação-fluxo), com o objetivo de avaliar a importância do acoplamento hidromecânico durante sua construção. As análises não drenadas evidenciaram a ocorrência de instabilidade na pilha; no entanto, entende-se que essa condição é bastante conservadora e dificilmente seria observada em campo, uma vez que a intercalação das praças de compactação favorece a dissipação das poropressões ao longo da construção. As análises acopladas, por sua vez, representaram de forma mais realista o comportamento parcialmente drenado esperado, no qual as novas camadas compactadas geram picos de excesso de poropressão que se dissipam parcialmente até a disposição da camada subsequente. Esses resultados reforçam a importância da realização de análises totalmente acopladas para a avaliação da estabilidade de pilhas de rejeitos filtrados, considerando o teor de umidade de compactação do material e sua curva de retenção de água. Adicionalmente, foram realizadas comparações entre os modelos constitutivos NorSand e Mohr-Coulomb, tanto em condição drenada quanto não drenada (neste último, considerando amolecimento). Verificou-se que o modelo NorSand apresentou maior acurácia na evolução das tensões e deformações, capturando a evolução do parâmetro de estado e a geração de poropressão. Contudo, o modelo Mohr-Coulomb com amolecimento demonstrou ser uma alternativa viável para análises qualitativas do comportamento frágil do material, reproduzindo satisfatoriamente a perda de resistência pós-pico induzida pelo carregamento. Considerando o desafio representado pelas infiltrações em pilhas localizadas em regiões tropicais, foi conduzida uma análise de interação solo-atmosfera, simulando um ciclo hidrológico de seis anos baseado em dados pluviométricos reais do Quadrilátero Ferrífero, em Minas Gerais. As simulações indicaram que a franja de saturação leva aproximadamente quatro anos para atingir as camadas mais profundas da pilha, ressaltando a importância da caracterização precisa das curvas de retenção de água dos materiais compactados para a previsão da evolução da frente de infiltração e das possíveis restrições ao fluxo descendente. Uma limitação relevante da análise foi a impossibilidade de representar adequadamente a influência das estruturas de drenagem superficial em uma modelagem bidimensional, o que resultou na superestimação da infiltração e na subestimação dos fluxos de escoamento superficial.