O desenvolvimento de modelos em 3D nos campos da geologia, geotécnica e meio ambiente

Introdução

Você sabia que quase 70% dos relatórios de investigação geológica, geotécnica e de meio ambiente não descrevem adequadamente as condições de campo?

Bilhões de Reais são gastos anualmente em investigações de campo, mas os resultados não geram adequadamente benefícios para os projetos.

Nos trabalhos geotécnicos da barragem de Itumbiara - Brasil, o geólogo americano John George Cabrera planejou um programa de sondagens com a finalidade de determinar a localização de uma zona cisalhada nas fundações. As rochas, compostas por Gneiss de anfibolito, Gneiss de biotita e quartzitos haviam sido submetidas a intenso tectonismo. Era necessário saber precisamente a distribuição da zona cisalhada a fim de injetar calda de cimento com aditivos para reforço das fundações.

Usando informações obtidas de métodos geofísicos e de sondagens, os técnicos do projeto estimaram o volume de calda de cimento a ser utilizado, e adicionaram 20% como fator de segurança. No fim do processo de execução ficaram surpresos ao notar que aquele volume era 50% maior do que o esperado. As estimativas basearam-se na extensão da área e no índice RQD obtido da classificação dos testemunhos de sondagem.

Os experientes geólogos coordenados pelo Sr. Cabrera decidiram investigar as razões pela discrepância dos volumes de injeção. Eles desejavam ter Certeza que os procedimentos adotados tinham sido adequados já que as fundações deveriam suportar carregamentos de 31.500.000 metros cúbicos de terra, mais a passagem de 16000 metros cúbicos de água por segundo através do vertedouro. Adicionalmente, os resultados iriam ajudar a fazer melhores estimativas em projetos futuros e suportar novas metodologias de investigação.

Após revisar toda a documentação e os relatórios técnicos, analisar e reclassificar os testemunhos de sondagem, e executar seções transversais mais detalhadas e novas medidas no campo, a diferença calculada foi de apenas 5% menor do que aquela inicialmente obtida. Consequentemente, não havia erros nas investigações, dados processos, ou relatórios.

O que estava errado?

Este artigo irá responder esta pergunta, descrever as antigas técnicas de modelagem, como elas evoluíram, e as tecnologias inovadoras que fazem da modelagem 3D a melhor alternativa para uma compreensão precisa dos problemas nas áreas de geologia, geotécnica e ambiental.

Métodos de investigação

Tradicionalmente as investigações geológicas, geotécnicas e ambientais são executadas através de inspeções in situ, coletando amostras para análise a fim de deduzir a estruturas e litologias existentes em subsuperfície. Era necessário entender a gênese das estruturas e morfologias, propondo teorias sobre sua evolução, e como sobre como se desenvolveram ao longo do tempo para atingir o atual cenário. Além disso, geólogos e engenheiros precisavam determinar as tensões e deformações dos materiais para projetar as construções com segurança. O planeta terra é uma entidade complexa, e apresenta muitos desafios para se executar estas tarefas, e por isso os geocientistas desenvolveram muitos métodos e equipamentos para obter resultados confiáveis.

Os procedimentos nestas investigações incluíam coleta de dados usando imagens aéreas, mapeamento geológico e geotécnico, levantamentos geofísicos, explorações da subsuperficie, teste de materiais in situ e em laboratório, e muitos outros métodos. Todos estes dados, por si só, não seriam suficientes a menos que representassem estatisticamente a região sob investigação. No entanto, a coleta de dados de qualidade sempre exige muitos recursos financeiros, e o orçamento dos projetos limita a quantidade de informação incorporada para análise. A principal razão é que os investidores geralmente não se dão conta de que limitar recursos nas fases iniciais de um projeto afeta os fatores de segurança. Consequentemente, mais será gasto no futuro para garantir a segurança ou resolver complicações.

No entanto, usar métodos adequados de investigação e assegurar que os dados representem corretamente o site, não garante o sucesso ao tomar as decisões de projeto. É necessário integrar e referenciar as informações permitindo conclusões adequadas em favor do projeto.

Modelo em 3D

Integração de dados

O que havia de errado com as conclusões da equipe do Geólogo. Cabrera?

Em projetos de grande relevância, os geocientistas examinam uma enorme quantidade de informação. Todos estes dados, quando analisados individualmente, esclarecem atributos específicos, mas nada dizem com relação a sua interação. Há uma grande variedade de dados, desde mapas geológicos, medidas estruturais, amostras de rocha e solo, dados geofisicos, para listar apenas alguns.

O projeto da Barragem de Itumbiara foi executado nos anos 80 e a integração de dados foi executada manualmente. Houve, por exemplo, comparação de seções transversais com perfis geofísicos, georeferenciamento de dados sem muita automação, e sem o uso das ferramentas e técnicas que hoje são usadas comumente. Por esta razão, uma considerável quantidade de informação foi perdida afetando as estimativas.

Por exemplo, para correlacionar perfis geofisicos e dados de testemunhos de sondagem, eram necessárias seções transversais. Para determinar os efeitos de falhas na direção perpendicular a elas, comparava-se a classificação RQD entre os testemunhos de sondagem alinhados. Este processo é extremamente demorado e sujeito a muitos erros de avaliação. Adicionalmente, sabemos hoje em dia que existem inerentes limitações no uso do RQD. Rock Mass Rating (RMR) e o Q-system são sistemas de classificação largamente usados e que incorporam RQD. Além disso, a prática considerava válidas as descontinuidades incipientes provenientes de tensões em Gneiss e quartzitos, resultando em menores valores de RQD. Ainda, uma fonte de discrepâncias derivava do fato de muitos profissionais negligenciarem o critério de rocha sã (hard and sound).

Regulações e boas práticas resolveram alguns destes problemas, porém, inquestionavelmente, a automação é o marco para uma melhor compreensão dos sites. Ela conduz a melhores avaliações e análise dos dados, melhor julgamento e possibilidade de refazer os modelos com diversos parâmetros de entrada.

Modelo de Falhas

Modelos em 3D

O interesse no uso de modelos tridimensionais para visualizar e resolver problemas de construção existe desde a década de 1970. Antes desta época, os investidores criavam modelos para propósitos de propaganda em showrooms e exposições. Eles construíam modelos em plástico, madeira ou outros materiais adequados para montagem. Com o aparecimento de computadores poderosos, o desenvolvimento de software para criar modelos aconteceu naturalmente. Assim sendo, Computer Aid Design (CAD) se generalizou na indústria da construção. Novas tecnologias e computadores ainda mais poderosos tornaram possível a modelagem em 3D, e durante esta década, Building Information Modeling (BIM) se aperfeiçoou na tecnologia que hoje conhecemos.

BIM não é apenas um software; é um conceito estruturado em diversos níveis. O nível 0 é baseado em projetos em papel com colaboração zero; no nível 1 há inclusão desenhos em 2D e alguma modelagem em 3D; no nível 3 há trabalho em equipe com modelagem em 3D; Nos níveis 4,5, e 6 são adicionados programação de tarefas, custos, e informações de sustentabilidade. Cada nível requer software com maior complexidade.

A extrapolação do conceito BIM para os campos da geologia, geotécnica e ambiental é natural, como em outras industrias que requerem interpretação em 3D para encontrar, compreender e resolver problemas. No entanto, como estes campos envolvem materiais oriundos da natureza, a complexidade dos softwares é ainda maior. Por exemplo, modelos geológicos frequentemente integram diversos tipos de dados, tais como curvas sísmicas em 2 D e 3D, dados de poços de investigação, perfis gravitacionais, levantamentos magnéticos, e dados de sondagens. Diversos tipos de formatos de arquivo representam estes dados, mas internamente o próprio software faz as conversões, e eles são georreferenciados e suas interconexões estabelecidas.

Movimentação de Fluidos Geotermais

O software contém algoritmos para gerar os modelos usando superfícies para definir falhas e litologias. Ele calcula blocos de falhas e superficies intermediárias baseado em outras superficies de referência, e modela sistemas de intrusão que se curvam, dobram e se bifurcam. Ao aplicar dados estruturais, influencia a geometria das superficies, definindo seus relacionamentos no sistema de falhas. Também gera isosuperficies a partir de dados de sondagens e de pontos, permitindo a visualização de tendências angulares e continuidades. Adicionalmente, gera automaticamente seções transversais e fatias, adicionando transparências para visualização interna.

Muitas funcionalidades já estão disponíveis, tais como gerar e salvar cenas em 3D e gerar imagens para inclusão em relatórios. No entanto, a maior contribuição dada pelos softwares de modelagem em 3D, é a possibilidade de colaboração no projeto da equipe de desenvolvimento e todos os outros membros envolvidos. A centralização de dados, recursos e histórico em sistemas de Cloud, sem limitação de espaço, aumenta consideravelmente o progresso dos projetos e sua confiabilidade.