[pt] Itaipu Binacional é uma usina hidrelétrica localizada no Rio Paraná, entre Brasil e Paraguai. A barragem que forma o reservatório é composta por estruturas de concreto, enrocamento e terra. Após o enchimento do reservatório, em 1984, o nível do lago se manteve com variação média de 1,5 m, entre as cotas 219 m e 220,5 m, cotas de operação da usina, apenas em poucas ocasiões foi reduzido abaixo da cota 219 m. Entre os anos de 2012 e 2015, devido à crise hídrica no sudeste do país, Itaipu passou a operar de maneira atípica a fim de suprir a queda na produção energética de outras usinas, isso fez com que a variação do nível do reservatório aumentasse para 4 m e permanecesse mais tempo em cotas abaixo do nível normal. Nesse mesmo período a instrumentação apontou um recalque de aproximadamente 5 cm em um trecho da Barragem de Terra da Margem Esquerda (BTME). Esse recalque está abaixo dos limites previstos, porém foi considerado atípico já que, desde a construção, os recalques medidos variam de 1 a 2 cm. Neste trabalho foram realizadas simulações para análises de fluxo, estabilidade e recalques no referido trecho, considerando a variação do nível do reservatório no período atípico. As análises permitiram observar o comportamento das poropressões no maciço compactado e fundação, determinar os fatores de segurança críticos para o período nos taludes de montante e jusante e em que momento eles acontecem. As simulações também mostraram que o recalque detectado pela instrumentação não é atribuído ao adensamento primário devido à variação do nível do reservatório. / [en] Itaipu Binacional is a hydroelectric plant located on the Parana River,between Brazil and Paraguay. The dam that forms the reservoir is made up of concrete, rock and earth-filled structures. After the reservoir was filled in 1984, the level of the lake remained with an average variation of 1,5 m, between 219 m and 220,5 m (the operating elevation of the plant). The reduction below elevation 219 m only happened in very few occasions. Between the years of 2012 and 2015, due to the water crisis in the southeast of the country, Itaipu began to operate in an unprecedented manner, in order to compensate for the decrease in other energy production plants. Such operation not only caused the reservoir variation level to increase to 4 m, but also made the water level remain below the average readings. In the same period, the instrumentation indicated, in a specific region, a 5 cm settlement of the Left Earth Dam. This fact was considered atypical, because, since the construction, the measured recharges had varied 1 or 2 cm at most. In this work, flow, stability and recharge simulations were performed to analyze the abovementioned region considering the variation of the reservoir level in this uncharacteristic period. With these analyzes it was possible to observe how the porepressures behave in the dam and foundation; what the critical safety factors for the period in the upstream and downstream slopes are; and when they occur. The simulations also showed that the settlement detected by the instrumentation isn t attributed to consolidation due to the variation of the reservoir level.

[pt] O presente trabalho apresenta a implementação computacional pelo método dos elementos finitos de procedimentos para análise de problemas de escavação e de fluxo permanente bidimensional, não confinado, para solos saturados. Tais procedimentos, particularmente indicados para investigação do comportamento mecânico/hidráulico de barragens de terra, vem completar o trabalho iniciado por Parra (1996) para análise do comportamento de barragens sob carregamentos estático e sísmico. Foram implementadas duas técnicas para simulação de escavações, obtendo-se, em ambas, resultados numéricos praticamente idênticos. O procedimento para análise de fluxo permanente foi baseado na proposição de Bathe e Khoshgoftarr (1979), a qual considera a situação de fluxo não-confinado como problema não linear, porém conservando a configuração original da malha de elementos finitos. Os resultados numéricos obtidos neste trabalho foram detalhadamente comparados com os valores publicados na literatura, numéricos ou analíticos, como forma de assegurar a confiabilidade das implementações computacionais. A previsão do comportamento da barragem de terra Macusani, a ser construída no Peru, foi estudada neste trabalho, nos aspectos referentes às fases de escavação, construção, primeiro enchimento do reservatório e determinação da superficie de infiltração de fluxo permanente. Os resultados assim obtidos podem ser eventualmente úteis no detalhamento do projeto final da obra. / [en] This work presents a computer implementation for finite element analysis of excavation problems and unconfined steady state flow through saturated soils. These computer routines are particularly useful for the study of earth dams and they were written with the aim to pursue the development of a numerical model (Parra, 1996) devised to investigate the behavior of earth dams under static and seismic loading. Two techniques were implemented for excavation simulations, with both yielding the some numerical results. For the unconfined fluid flow problem the technique proposed by Bathe and Khoshgoftaar (1979) was adopted, which recasts the problem in a non-linear form but keeps the same basic finite element mesh. The results computed in this research were compared with other analytical and numerical values published in the literature, in order to ensure, as much as possible, the feasibility and efficiency of the computer implementations. The behavior prediction of the Macusani earth dam, to be built in Peru, was also studied in this research, focusing on several aspects related to its planned construction: the excavation, the construction itself and the first reservoir filling. This results may eventually be useful for the final engineering design of the Macusani dam. / [es] El presente trabajo presenta la implementación computacional de procedimentos para análisis de problemas de excavación y de flujo permanente bidimensional, para suelos saturados utilizando el método de elementos finitos. Tales procedimentos, particularmente indicados para la investigación del comportamiento mecánico/hidráulico de represas, completa el trabajo iniciado por Parra(1996) para análisis del comportamiento de represas bajo sobrecarga estática y sísmica. Se implementaron dos técnicas para simulación de excavaciones, obteniendo, en ambas, resultados numéricos prácticamente idénticos. El procedimento para análisis de flujo permanente tubo como base la propuesta de Bathe y Khoshgoftarr (1979), que considera la situación de flujo no confinado como problema no lineal, pero conservando la configuración original de la malla de elementos finitos. Los resultados numéricos obtenidos em este trabajo fueron detalladamente comparados con los valores publicados en la literatura, numéricos o analíticos, para asegurar la confiabilidad de las implementaciones computacionales. La previsión del comportamiento de la represa de Macusani, que será construida en Perú, fue estudiada en este trabajo, especifícamente los aspectos vinculados a las fases de excavación, construcción y determinación de la superficie de infiltración de flujo permanente. Los resultados obtenidos pueden ser eventualmente útiles en el proyecto final de la obra.

[pt] Construção de barragens de terra é uma atividade milenar, empregada com o objetivo de atender às mais diversas necessidades humanas como o armazenamento de água, irrigação, regularização de cursos d água, geração de enregia elétrica, etc. Ao longo da história, o projeto destas obras de terra passou de conceito simples, baseados em técnicas empíricas e regras intuitivas, para as análises modernas que consideram o comportamento da barragem em suas diversas fases de vidas (construção, enchimento do reservatório, regime de plena operação), sob carregados estáticos e sísmicos, condições de contorno complexas e sofisticadas relações constitutivas dos materiais da estrutura e do maciço de fundação. Nesta trabalho a construção, primeiro enchimento do reservatório e a resposta sísmica da barragem de terra de Pomacocha, Peru, são analisados pelo método dos elementos finitos, utilizando o software ABAQUS (versus 6.3). Os campos de tensão e de deslocamentos para diversos estágios de aplicação dos carregamentos estático e sísmico são apresentados, incluindo-se histórias de deformação e de tensão para determinados pontos do corpo da barragem e do solo de fundação. / [en] Dam construction is a millenary activity, carried out with the objective of fulfilling human necessities as water supply, land irrigation, water flow regularization, electric power generation, etc. Along the history, the design of these earthworks evolved from simple concepts, based on empirical techniques and rules of thumb, to modern analyses that consider all phases of a dam s life (construction, first reservoir filling, full operation) understatic and seismic loads, as well as complex boundary conditions and sophisticated constitutive relationships for the structure itself and the foundation mass. In this work, the construction, first reservoir filling and the seismic response of the Pomacocha Dam, located in Peru, are analyzed by the finite element method using the software ABAQUS (version 6.2). At several loading stages the corresponding stress and displacement are presented as well as, for some specific points in the dam body and in the foundation soil, the characteristic stress and strain histories during the static and seismic loads.

[pt] Simulações numéricas tendem a simplificar o comportamento de problemas reais, na maioria das vezes pela adoção de um modelo 2D para descrição da resposta hidráulico-mecânica de barragens de terra, escavações, fundações, etc., com base na maior facilidade da construção geométrica de malhas, rapidez de processamento, simplicidade na introdução das condições de contorno, menor dificuldade na obtenção dos parâmetros de engenharia, etc. Entretanto, para certos fenômenos como o fluxo através de barragem em vales estreitos ou no rebaixamento do lençol freático para execução de escavações para construção de fundações, os efeitos tridimensionais podem afetar consideravelmente os resultados obtidos com uma solução simplificada, seja em termos de vazão, cargas, gradientes hidráulicos ou fatores de segurança. Esta dissertação tem como objetivo principal analisar problemas de fluxo, na condição transiente e/ou permanente, considerando solos saturados e parcialmente saturados, em simulações 2D e 3D pelo método dos elementos finitos buscando destacar as principais diferenças entre as respostas obtidas, ressaltando as principais vantagens e dificuldades da realização de uma simulação 3D em relação a uma análise simplificada 2D. Os exemplos numéricos abordados neste trabalho se referem à barragem de terra Macusani, no Peru, à escavação realizada para construção das estruturas da Pequena Central Elétrica Canoa Quebrada - MT e ao rebaixamento do lençol freático para construção das fundações do shopping Brooklin na cidade de São Paulo - SP. / [en] Numerical simulations tend to simplify the behavior of real problems, mainly through the choice of 2D models to describe the hydromechanical responses of earth dams, excavations, foundations, etc., partly because it is easier to construct geometrical meshes, it is simpler to impose the required boundary conditions, the computer calculations are done more rapidly and the estimation of the engineering parameters, either through field or laboratory tests, are less difficulty than it would be if the problem was treated as a complete 3D case. However, for certain phenomena such as the flow of water through dams situated in narrow valleys or the water drawdown in excavations for construction of building foundations, 3D effects can considerably affect the results when compared to a simplified 2D solution, either in terms of quantity of flow, hydraulic heads and gradients, security factors, etc. The main goal of this dissertation is the analysis of flow problems, both in transient and permanent conditions, considering fully saturated or partially saturated soils, employing 2D and 3D numerical models based on the finite element method in order to highlight the main differences between the computed answers, emphasizing the advantages and difficulties of both approaches. The numerical examples studied in this work are the earth dam Macusani, situated in Peru, the excavation carried out for the construction of the structures in the small hydroelectric plant Canoa Quebrada - MT, and groundwater drawdown for the execution of the foundations of the Brooklin shopping mall, in the city of São Paulo - SP.

[pt] Esta pesquisa investiga o comportamento sísmico da barragem de terra de Breapampa, situada no Peru em zona de atividade sísmica. A previsão numérica é feita com auxílio do programa computacional FLAC 2D v.7, baseado no método das diferenças finitas. É simulada a construção incremental da barragem, a elevação gradual do nível d água do reservatório durante a etapa do primeiro enchimento do reservatório, é estabelecida a posição da linha freática em regime de fluxo permanente e são calculados os fatores de segurança estático da estabilidade dos taludes nas condições de final da construção e após o primeiro enchimento do reservatório. A simulação do comportamento sísmico da barragem é feita em seguida, discutindo-se vários e importantes aspectos que devem ser considerados para uma correta análise como a seleção do terremoto de projeto, a filtragem de altas frequências para minimizar o número de elementos da malha, a introdução de condições de contorno silenciosas, a escolha de modelos constitutivos incluindo a incorporação de amortecimento histerético, entre outros pontos. A resposta sísmica da barragem, nas condições de reservatório vazio e reservatório cheio, foi obtida em termos de deslocamentos permanentes, história de deslocamentos, amplificações da aceleração horizontal, desenvolvimento de poropressões no corpo da barragem e potencial de ruptura cíclica no material do núcleo. / [en] This research investigates the seismic behavior of the Breapampa earth dam, situated in Peru within a seismic activity zone. The numerical prediction is carried out using the computer program FLAC 2D v.7, based on the finite difference method. it is simulated the incremental construction of the dam, the gradual raise of the water level during the stage of reservoir impounding, the establishment of the phreatic line under steady state flow and the determination of safety factor for the stability of the soil slopes considering both conditions of after construction and after reservoir impounding. The modeling of the seismic behavior of the dam is then made with detailed discussion of several important aspects for a correct analysis such as the selection of the design earthquake, the filtering of high frequencies in order to minimize the number of elements in the mesh, the introduction of silent boundaries, the choice of proper constitutive soil models including the representation of hysteretic damping, among others points. The seismic response of the dam, under the conditions of full and empty reservoir, was obtained in terms of permanent displacements, displacement history, amplifications horizontal acceleration amplification, porepressure distribution and potential of cyclic failure in the saturated material of the core of the dam.

[pt] Prever o comportamento de estruturas de solo de grande porte, como barragens, durante a construção, em operação e inclusive sob o efeito de eventos sísmicos tem muita importância para evitar possíveis consequências catastróficas e indesejáveis. Neste sentido, este estudo apresenta, através de uma análise acoplada hidromecânica pelo método dos elementos finitos, os resultados numéricos discutidos em termos de tensões e suas trajetórias, deslocamentos verticais e horizontais, poropressões, incluindo a estabilidade de taludes. Além disso, é apresentada também a análise da resposta sísmica quando a estrutura é submetida a um carregamento dinâmico. Para tanto, analisou-se a barragem de terra zonada Recreta, situada na província de Huaraz - Peru, mediante o emprego do programa PLAXIS 2010. Foram descritas as metodologias de análise para simular passo a passo a construção incremental da barragem, o primeiro enchimento do reservatório por incrementos de níveis de água, o avanço da frente de saturação até atingir a condição de fluxo permanente e a avaliação da resposta dinâmica quando a barragem é submetida ao último maior movimento sísmico (história de acelerações) registrado em 1974 na capital do Peru, Lima, adjacente à cidade onde se localiza este projeto. Também se empregou o software Seismosignal versão 5.0, para o tratamento do sinal sísmico, e os programas Shake 2000 e Strata para a calibração dos parâmetros de amortecimento. Os resultados fornecidos por estas ferramentas numéricas foram avaliados em função do fundamento teórico, exposto na revisão bibliográfica, e de uma série de testes para o estabelecimento das metodologias e procedimentos mais adequados para a obtenção destes resultados. / [en] Predicting the behavior of soil structures, such as large-scale dams, during construction and operation, including the effect of earthquakes, is very important to prevent possible catastrophic and undesirable consequences. This study presents, through a coupled hydromechanical analysis by the finite element method, numerical results discussed in terms of stresses and trajectories, vertical and horizontal displacements, poropresssures and soil slope stability analyses. The investigation of the seismic response when the structure is subjected to a seismic load is also included, considering the dynamic behavior of the zoned earth dam Recreta, located in the province of Huaraz in Peru. The numerical analyses were carried out using the computational program PLAXIS 2010 to simulate the incremental construction of the dam, the first fill of the reservoir by increments of the water levels, the advance of the front of saturation until achieving the condition of steady flow condition and the seismic response when the dam is subject to the last major earthquake (accelerations history) registered in Peru s capital, Lima, in 1974, which is located near to the site of the Recreta dam. The Seismosignal software version 5.0 was also used for seismic signal processing and the programs SHAKE 2000 and STRATA were also employed for calibration of the damping parameters of the soils. All the results provided herein were discussed, based on the theoretical basics presented in the literature review as well as on the various numerical examples investigated with the main purpose to better understand the hydromechanical behavior of a zoned earth dam subject to static and dynamic loads.

[pt] O presente trabalho apresenta a Barragem de Terzaghi em um contexto da evolução tecnológica da construção de barragens de terra, colocando em foco sua construção e desempenho ao longo de 65 anos de operação bem como a verificação atual de suas condições físicas, analisando o impacto que a carga de sedimentos causa sobre a face montante da barragem, em termos de percolação, tensões e deformações. Tendo como base os métodos observacionais aplicados ao longo da operação da barragem e modelagem por elementos finitos, foram traçadas expectativas do fator de segurança para a seção principal da barragem ao longo do tempo. / [en] This work presents the Terzaghi Dam in a technological evolutionary context of the construction of earthfill dams, focusing on its own construction a performance after 65 years in operation as well as a scrutinized assessment of its physical conditions, implying the sediment load on its upstream slope, regarding seepage, stresses and strains. Taking into account observational methods applied throughout the operation of the dam and finite element simulations, the evolution of factor of safety over the dam lifetime and on was evaluated for the main section of the dam.