Analysis and new features to the NWS breach model for embankment dams

Abstract

Resumo: Em estudos de impacto sócio-econômico e ambiental existe a preocupação em simular o rompimento da barragem e a propagação da onda sobre o vale a jusante. As técnicas de propagação da onda de cheia já são bem consolidadas enquanto que ainda se realizam muitos estudos para melhor representar a ruptura de barragens, em especial para barragens de terra e enrocamento em que a ruptura ocorre progressivamente. A maioria dos modelos existentes para esses casos se aplicam para barragens homogêneas ou com núcleo de argila e simulam apenas o galgamento. O modelo BREACH do National Weather Service, USA, tornou-se popular por simular tanto galgamento quanto piping e ser de uso livre, além de código aberto. Assim, estudou-se este modelo para compreender como ele simula uma barragem de enrocamento com núcleo de argila e constatou-se que se ponderam as propriedades dos materiais a cada passo de tempo, homogeneizando toda a barragem. Assim, implementou-se uma rotina semelhante para simular barragens zonadas, com um núcleo (zona) não central à barragem a exemplo de uma ensecadeira, avaliou-se a sensibilidade da rotina alterando o D50, D90/D30, a porosidade e a altura da zona e observou-se o impacto sobre a vazão de pico, tempo de pico e dimensões da brecha. Dois testes foram realizados, um com a barragem natural de terra no rio Mantaro no Peru, galgada, e outro com a barragem de Teton, USA, rompida por piping. Para este caso, modelou-se uma zona com D50 de 25 mm e uma altura de 60% da própria barragem, reduzindo em 20% a vazão de pico e aumentando seu o tempo em 76%. Uma ensecadeira rompida por piping foi modelada com o modelo BREACH original em que os inputs foram consideravelmente alterados para obter resultados próximos dos dados de campo. Assim, para validação, com o modelo BREACH e a nova rotina para barragens zonadas remodelou-se este acidente, sendo preciso mudanças sutis menores que 10% à declividade do leito do rio e propriedades dos materiais para obter uma simulação ótima com uma vazão de pico 5.37% maior. Palavras-chaves: Barragem de terra e enrocamento. Segurança de barragens. Ruptura de barragem. Modelagem. NWS BREACH.

Abstract: Dam breaching and the determination of flood maps are the concern of social-economical and environmental studies when analyzing the potential risks of any dam. There are well consolidated techniques for assessing flood maps, but many studies are still going on for better modeling of dam breaching, specially regarding embankment dams in which the failure occurs in a long time period. Most existing models for dam breach are suitable for homogeneous or composite dam (central inner cored) and for overtopping. As for the BREACH model from the National Weather Service, USA, it is suitable for both overtopping and piping, aside from being free of use and open source. Through examination of this model it was observed that it models composite dams by pondering the materials properties thus, creating a so called equivalent homogeneous dam. A similar routine was created to model zoned dams, with a non-central inner core such as in a coffedam, and it was tested changing the D50, D90/D30, porosity and height of the inner zone while observing the impacts on the peak outflow, time to peak and breach dimensions. Two test cases were performed: one with the overtopped landslide dam on Mantaro river, Peru, and another with the Teton dam, USA, failed due to piping. For this last test, the peak outflow was reduced in 20% and the time to peak increased in 76% when modeling a zone with a D50 of 25 mm and a height of 60% of the dam. A cofferdam breached by piping was modeled using the original BREACH model and it resorted to great changes to the inputs to obtain a best fit to the actual event. For validation, this accident was remodeled by the new BREACH with the zoned dam routine, needing only slight variations of less than 10% to the slope of the river bed and the properties of the materials to obtain a best fit simulation with a peak outflow 5.37% higher. Key-words: Embankment dams. Dam safety. Dam-break. Modeling. NWS BREACH.