PROTEÇÃO CONTRA EROSÃO REGRESSIVA EM ROCHA BRANDA NA SAÍDA DA BACIA DE DISSIPAÇÃO - O EXEMPLO DA UHE COLIDER

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1 COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS XXX SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS FOZ DO IGUAÇU PR 11 A 13 DE MAIO DE 2015 T 113 PROTEÇÃO CONTRA EROSÃO REGRESSIVA EM ROCHA BRANDA NA SAÍDA DA BACIA DE DISSIPAÇÃO - O EXEMPLO DA UHE COLIDER Marcos Vinicius Andriolo Engenheiro Civil, Msc COPEL Eduardo de Oliveira Geólogo -COPEL RESUMO A dissipação de energia a jusante de vertedores é uma preocupação recorrente e de suma importância em projetos hidráulicos. Devido a baixa resistência aos esforços do fluxo apresentado pelo arenito do sítio da UHE Colíder, uma considerável erosão a jusante da estrutura de dissipação de energia pode ocorrer. Desta forma, a escolha do sistema de proteção do end-sill da bacia de dissipação, se tornou um ponto primordial do projeto, visto a não disponibilidade de materiais próximo ao sítio com alta resistência ao fluxo. Outro fator preponderante foi tentar reproduzir em modelo hidráulico reduzido o real comportamento erosivo do arenito, visto que a formação da barra amplificava a erosão no pé das estruturas em concreto devido as correntes de retorno. ABSTRACT The dissipation of energy downstream of spillway is a recurring concern and great importance in hydraulic projects. Due to low resistance to flow efforts offered by the sandstone on the HPP Colíder site, a considerable erosion downstream of the energy dissipation structure could occur. Thus the choice of protecting system for the end-sill of stilling basin has become a key point of the design, because of non-availability of materials close to the site with a high flow resistance. Another major factor was try to reproduce in hydraulic model the erosive behavior of sandstone, since the formation of bar erosion was amplified in the foot of concrete structures due to rip currents. 1

2 1. INTRODUÇÃO A dissipação de energia a jusante de vertedores é uma preocupação recorrente e de suma importância em projetos hidráulicos. O escoamento a jusante dos órgãos de dissipação de energia pode apresentar, ainda, elevada energia residual, obrigando adotar-se medidas de proteção no canal de restituição, evitando desta forma a erosão excessiva. No caso da UHE Colíder a dissipação de energia é realizada na bacia de dissipação, sendo o ressalto totalmente contido dentro da mesma. O canal de restituição, com aproximadamente 900 m de comprimento, é escavado em arenitos feldspáticos avermelhados da formação Dardanelos. A baixa resistência aos esforços do fluxo apresentado pelo arenito do sítio, pode resultar em uma considerável erosão a jusante da estrutura de dissipação de energia. A escolha da forma de proteção do canal a jusante, bem como da estrutura de dissipação, no caso da UHE Colíder, se tornou um ponto primordial do projeto, visto a não disponibilidade de materiais com alta resistência ao fluxo (como rocha em basaltos, granitos, diabásio, etc.) próximo ao sítio de implantação da UHE Colíder. Os ensaios em modelo reduzido da UHE Colíder demonstraram a formação de intensa barra a jusante, independentemente da configuração da bacia de dissipação, sendo que esta barra amplificava a erosão no pé das estruturas em concreto devido as correntes de retorno. Assim, outro desafio foi tentar reproduzir em modelo reduzido o real comportamento erosivo do arenito. 2. DESCRIÇÃO DO EMPREENDIMENTO A UHE COLÍDER, com potência instalada de 300 MW, está sendo implantada no rio Teles Pires, a 680km da foz, entre os municípios de Nova Canaã do Norte e Itaúba, no Estado de Mato Grosso. O reservatório abrange os municípios de Itaúba, Nova Canaã do Norte, Colíder e Cláudia. O arranjo geral da UHE Colíder consiste de estruturas dispostas ao longo de um eixo retilíneo, com extensão total de m. Com crista na elevação 276,00m, o barramento propicia a formação de um reservatório com 171,7km² de área e volume total de hm³ no seu nível máximo normal, correspondente à Elv 272,00m. O Vertedouro, do tipo soleira alta, possui 4 vãos de 16,7m de altura e 12,00 m de largura, com controle de vazão formado por comportas tipo segmento, extensão total de 69,00 m e crista na elevação 255,30 m. A FIGURA 1 apresenta o arranjo geral da UHE Colíder. 2

3 FIGURA 1 Arranjo Geral UHE Colíder (VLB Engenharia, 2014) 3. GEOLOGIA E GEOTECNIA 3.1 ASPECTOS GEOLÓGICOS E GEOTÉCNICOS LOCAIS Na base da sequência litoestratigráfica local ocorrem arenitos da Formação Dardanelos (Figura 2) que foi definida por Almeida & Nogueira Filho (1959) no Rio Aripuanã, nas cachoeiras de Dardanelos e Andorinhas, e é caracterizada por apresentar uma sequência de sedimentos heterogêneos na forma de arcóseos (rocha sedimentar arenítica com mais de 25% de feldspato, muito quartzo e alguns fragmentos de rocha) e arenitos arcoseanos de granulometria média, com variação para termos mais grossos de cores variadas, predominando tons avermelhados de oxidação (cimentação por oxido de ferro). Sua espessura é estimada em cerca de 800m (Figueiredo & Olivatti, 1974) e o ambiente deposicional destes sedimentos possui característica fluvial, ou seja, sujeita às variações da energia das correntes refletida no tamanho dos grãos e intensidade da cimentação. Na região onde estão assentadas as estruturas do aproveitamento o rio esculpe os arenitos feldspáticos avermelhados da Formação Dardanelos, de cujas escarpas partem solos coluvionares arenosos em suave declive até as planícies aluvionares das margens. 3

4 Figura 2 - Arenito Formação Dardanelos no empreendimento UHE Colíder O mapa geológico local (Figura 3) mostra as principais unidades litoestratigráficas da área da UHE Colíder. FIGURA 3 - Mapa geológico da região do empreendimento da UHE Colíder (Mod. VLB Engenharia, 2014). 4

5 3.2 GEOLOGIA DA REGIÃO DO CANAL DE FUGA Nos serviços de escavação comum da região da bacia de dissipação e canal de fuga foram identificados depósitos de origem fluvial com espessura variada constituída por sedimentos inconsolidados do tipo colúvio/aluvionares que apresentam granulometria variando desde areias finas (com matriz fina argilosa) cascalhos mais grosseiros, que recobrem o substrato arenítico (Figura 4). Figura 4 - Seção geológica da região do canal de fuga Já com a conclusão dos serviços de escavação em rocha na região da bacia de dissipação e canal de fuga (Figura 5), constatou-se que a rocha da fundação e taludes verticais é constituída unicamente por arenitos da Formação Dardanelos com níveis variados de coerência. Estes arenitos foram submetidos aos esforços tectônicos os quais estão materializados por uma sequência de fraturas e/ou falhas por vezes preenchidas com material silicático de maior resistência ou caulinítico (argilomineral branco de baixa resistência). Figura 5 - Conclusão da escavação da bacia de dissipação e canal de fuga em rocha arenítica. 5

6 4. CONFIGURAÇÃO DA BACIA DE DISSIPAÇÃO O projeto da bacia de dissipação da UHE Colíder passou por diversas etapas de estudo, sendo que em cada uma destas etapas a configuração foi minuciosamente estudada com o auxílio dos resultados em modelo hidráulico reduzido. Os ensaios de fundo móvel, que buscavam reproduzir o comportamento erosivo do arenito, foram realizados em modelo reduzido construído no laboratório do CEHPAR/LACTEC, e nortearam também a definição do sistema de proteção contra erosão regressiva, implantado na saída da laje de proteção da bacia de dissipação. Ao todo foram ensaiados três arranjos da bacia de dissipação, sendo que os dois últimos contemplavam um muro lateral com comprimento aproximado de 60 m. A construção do muro lateral, teve como objetivo principal permitir o encosto da ensecadeira de proteção da casa de força por jusante, e foi inserido durante a construção do empreendimento. O primeiro arranjo estudado é apresentado na Figura 6, e consistia de bacia de dissipação com 75 metros de comprimento e laje de proteção com 30 metros de comprimento, sendo o processo erosivo resultante apresentado na Figura 7. Figura 6 Arranjo 1 da bacia de dissipação e laje de proteção. 6

7 Figura 7 Arranjo 1 - Resultado do ensaio para vazão de 6935 m³/s Os resultados obtidos indicaram que o processo erosivo atingia profundidade próxima a 12 metros e desprotegia a fundação da bacia de dissipação. Com este resultado, a jusante do trecho revestido em concreto, foi previsto um trecho de 90 m de extensão revestido por enrocamento de diâmetro médio de 0,95 m, para evitar a erosão regressiva do arenito e a formação de barras como indicado em ensaios no modelo hidráulico. O resultado do processo erosivo com a laje de proteção em enrocamento esta apresentada na Figura 8. Figura 8 Arranjo 1 - Resultado do ensaio para vazão de 4555 m³/s Entretanto, a indisponibilidade de rochas nas dimensões estimadas como necessárias (d=0,95 m) para resistir aos esforços do fluxo, devido à natureza da pedreira disponível, inviabilizam a proteção de enrocamento estudada. 7

8 Depois de descartada a solução de proteção com enrocamento, foi estudada o prolongamento do muro da bacia de dissipação e a adoção de uma proteção contra a erosão regressiva por um diafragma vertical, imediatamente a jusante do defletor. O arranjo da bacia de dissipação contemplando a inclusão do prolongamento do muro está apresentado na Figura 9. Neste arranjo, os estudos em modelo indicaram que a laje de proteção da bacia de dissipação teve sua fundação desprotegida, sendo que a erosão atingiu aproximadamente 19 metros de profundidade. A Figura 10 apresenta um detalhe do processo erosivo. Figura 9 Arranjo 2 da bacia de dissipação e laje de proteção. Figura 10 Arranjo 2 - Resultado do ensaio para vazão de 6935 m³/s Os resultados em modelo reduzido indicaram que a formação da barra a jusante amplificava os efeitos erosivos junto às estruturas de concreto. Como no local do canal de fuga o arenito exposto apresentou baixa resistência, foi realizada uma avaliação de campo utilizando a imposição de um jato de água com energia equivalente a 10 m.c.a., e constatou-se a grande erodibilidade da rocha, com 8

9 fragmentação em partículas pequenas e carreamento a jusante (Yamakawa, 2013). Assim, as dunas resultantes no modelo, muito dificilmente se reproduziriam no protótipo, pois a maior parte do material produzido pela erosão do arenito será uma areia muito fina que será levada em suspensão pelo escoamento. Para simular as características do processo erosivo no arenito, foi utilizado material granular capaz de resistir a velocidades de 2m/s, e este material erodido foi retirado durante o ensaio de forma a impedir a formação de barras (Yamakawa, 2013). Em paralelo, uma nova configuração da bacia de dissipação foi ensaiada. Nesta configuração, apresentada na Figura 11, a linha de escavação entre o muro de contenção seguiu a abertura do mesmo, reduzindo a velocidade do fluxo na saída da contenção. Com o objetivo de se avaliar a progressão da erosão a jusante da bacia de dissipação, para a cheia de projeto, equivalente a 6935 m³/s, a duração do ensaio foi ampliada para 12 horas, que equivale a 131,5 horas no protótipo. A erosão resultante é apresentada na FIGURA 12 e na FIGURA 13, sendo que a erosão junto à laje de proteção atingiu profundidade de 6m, e próximo a laje do contorno do muro esquerdo 13,5m, resultado de velocidades máximas na saída da bacia de dissipação próximas a 9 m/s. Figura 11 Arranjo 3 da bacia de dissipação e laje de proteção. 9

10 FIGURA 12 Erosão resultante para vazão de 6935 m³/s FIGURA 13 Avaliação da erosão do fundo do canal de fuga para vazão de m³/s. 10

11 5. ANCORAGEM DE PROTEÇÃO CONTRA EROSÃO REGRESSIVA A ancoragem de proteção contra a erosão regressiva tem a finalidade de proteger as estruturas de concreto, de forma a evitar que a erosão seja prejudicial à fundação dessa estrutura. Alguns projetos preveem a execução de cortina com estacas verticais tangentes, com diâmetro variando entre 0,80m e 1,0m formando uma parede diafragma. Na UHE Colíder foi previsto um cut-off, ao longo da extremidade de jusante do defletor, formado por uma linha dupla de estacas verticais de concreto de 20 cm de diâmetro com uma barra de aço com 25 mm de diâmetro, comprimento de 12m a 14m, espaçadas em 40 cm, sendo as duas linhas espaçadas entre si em 30 cm. A planta da proteção deste cut-off está apresentada na FIGURA 14. O detalha da ancoragem está apresentado na FIGURA 15 e o comprimento da ancoragem apresentado na FIGURA 16. FIGURA 14 Planta da laje de ancoragem e proteção contra erosão regressiva (VLB Engenharia, 2013) 11

12 FIGURA 15 Detalhe da ancoragem contra erosão regressiva FIGURA 16 Detalhe da ancoragem contra erosão regressiva. 12

13 6. EXECUÇÃO DA ANCORAGEM CONTRA A EROSÃO REGRESSIVA Antes da execução dos furos para a instalação das ancoragens, foram executados testes de viabilidade e verticalidade em furos na região da fundação, localizados no final da bacia de dissipação. O equipamento de perfuração utilizado foi uma perfuratriz rotopneumática acoplada em um caminhão e os furos foram executados com diâmetro de 8 e profundidade de 12,0 metros (Figura 17). Figura 17 Equipamento de perfuração e furo teste com 8 Durante a execução da perfuração observou-se que a pressão de ar comprometia a verticalidade do furo, aumentando o diâmetro original de 8, permitindo que a haste perfurante se movesse dentro do furo. Notou-se também a presença de água no fundo do furo e erodibilidade lateral do furo. Outra campanha de furos testes na região da bacia de dissipação foi realizada, utilizando uma perfuratriz rotopercussiva com furos de 4 de diâmetro, e profundidade de 12,0 metros (Figura 18). Dos 7 furos realizados, 2 se comunicaram e foram paralisados na profundidade aproximada de 3,0 metros (Figura 18). Na sequência foram executados testes de verticalidade com obturador, sendo constatada a verticalidade dos mesmos. Concluído os testes com furos de 4 e 8, devido a dificuldades de execução dos furos com menor dimensão e a constante comunicação dos mesmos, optou-se pela execução dos furos com diâmetro de 8. A Figura 19 apresenta o início das perfurações para instalação das ancoragens de proteção contra erosão na bacia de dissipação do vertedouro. 13

14 Figura 18 Equipamento de perfuração e furo teste com 4 apresentando comunicação entre furos Figura 19 Início das perfurações para instalação das ancoragens e detalhe da perfuração Com a finalidade de garantir a estabilidade dos furos executados no arenito friável, os furos foram executados de forma intercalada. Devido à presença de água foi necessário adaptar um tubo de PVC com abertura tipo funil (Figura 20), com a finalidade de garantir que a argamassa (fck 25 Mpa aos 28 dias) chegasse até o fundo do furo e expulsasse toda a água do furo pela boca deste, por diferença de densidade entre argamassa e água. 14

15 Figura 20 - Tubo de PVC para inserção de argamassa nos furos Para preenchimento dos furos foi necessário o auxílio de um guindaste para introdução e retirada do tubo de PVC. Após o tubo ser posicionado no respectivo furo, foi feito a inserção por gravidade da argamassa provinda de um caminhão betoneira. Estas inserções foram feitas em etapas até que o furo estivesse totalmente preenchido (Figura 21). Somente após o preenchimento total do furo e a estabilização da argamassa, as ancoragens eram instaladas também com auxílio do guindaste. Após instalação de um trecho de ancoragem, era executada a perfuração dos furos que ficavam intercalados (Figura 22), isso porque a ancoragem instalada com argamassa (Figura 23) aumentava a resistência da fundação, mitigando os efeitos de erodibilidade e comunicação entre os furos. 15

16 Figura 21 - Sequência executiva para inserção de argamassa no furo 16

17 Figura 22 - Ancoragens instaladas nos furos (círculos vermelhos) com intervalo dos furos a serem perfurados (círculos amarelos). Figura 23 - Ancoragem instalada com argamassa (fck 25 Mpa aos 28 dias) 17

18 Após um trecho da primeira linha ser executada (Figura 24), as perfurações da segunda linha eram iniciadas adotando-se o mesmo procedimento de perfuração da primeira linha. Figura 24 - Primeira e segunda linha de furos concluídos O espaçamento das ancoragens e a distância entre a primeira e segunda linhas (Figura 25) eram constantemente verificados. Figura 25 - Conferência do espaçamento das ancoragens e distância entre as linhas 18

19 Concomitantemente aos serviços de instalação das ancoragens, os trechos já executados e conferidos eram liberados para soldagem das luvas para ligação com a armadura estrutural da bacia de dissipação e posterior concretagem da laje (Figura 26). Figura 26 Conferência e soldagem das luvas 7. CONCLUSÂO A utilização do modelo hidráulico reduzido se mostrou indispensável para determinar a profundidade do cut-off contra a erosão regressiva. O ensaio em campo, utilizando jato de água com energia equivalente a 10 m.c.a., confirmou a erodibilidade do arenito e orientou que os ensaios em modelo reduzido fossem realizados de forma a se retirar a barra formada a jusante da bacia de dissipação, minimizando sua influência sobre a erosão regressiva. A execução da proteção contra erosão regressiva com furos de 8 permitiu a utilização dos equipamentos disponíveis na obra, reduzindo o prazo para execução do cut-off de proteção. A execução dos furos de forma intercalada no arenito friável permitiu que não houvesse interferência entre furos, pois o preenchimento do furo com argamassa aumentava a resistência da fundação. 8. PALAVRAS-CHAVE Proteção contra erosão regressiva em rocha friável, modelo hidráulico reduzido 9. AGRADECIMENTOS À Projetista VLB Engenharia pela disponibilização dos dados e informações necessárias ao desenvolvimento deste trabalho. 19

20 10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] ALMEIDA, F. F. M.; NOGUEIRAF Fº, J. U. (1959). Reconhecimento geológico do Rio Aripuanã. Boletim Divisão de Geologia Mineralogia. Rio de Janeiro, v.199, p [2] FIGUEIREDO, A. J. de A.; OLIVATTI, O. Projeto Alto Guaporé. Relatório Final Integrado. Goiânia: DNPM/CPRM, v.11 (Relatório do Arquivo Técnico da DGM, 2323). [3] ELETROBRÁS; CBDB - Critérios de Projeto Civil de Usinas Hidrelétricas Rio de Janeiro (2003). [4] Institutos Lactec, CEHPAR. Projeto HL-177. Estudos hidráulicos em modelo reduzido da usina hidrelétrica Colide. Relatório n 6 Estudo do vertedor. Curitiba, [5] Yamakawa, F. H. S., Terabe, F. R., Ota, J. J., Girardi, G. M.. Avaliação da erosão a jusante da bacia de dissipação por ressalto hidráulico em modelo reduzido. XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos,