Programa de monitoramento de instabilidade de encostas do reservatório da UHE 14 de Julho, no Rio Grande do Sul

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1 Programa de monitoramento de instabilidade de encostas do reservatório da UHE 14 de Julho, no Rio Grande do Sul Felipe Gobbi, D.Sc. Geosoluções Engenharia Geotécnica e Ambiental, Porto Alegre, Brasil felipe@geosolucoesengenharia.com.br Anderson Fonini,M.Sc. Geosoluções Engenharia Geotécnica e Ambiental, Porto Alegre, Brasil fonini@geosolucoesengenharia.com.br Alvaro Pereira,M.Sc. Geosoluções Engenharia Geotécnica e Ambiental, Porto Alegre, Brasil alvaro@geosolucoesengenharia.com.br Resumo: O enchimento e operação de reservatórios de Usinas Hidrelétricas (UHE) pode afetar a estabilidade das encostas em seu entorno. Atendendo as demandas legais para licenciamento de UHE, os responsáveis por estes empreendimentos devem executar o monitoramento geotécnico de encostas nas áreas dos reservatórios. O presente trabalho trata da apresentação do mapeamento de risco geotécnico, desenvolvido para a UHE 14 de Julho no estado do Rio Grande do Sul e o seu plano de monitoramento executado. É apresentado o plano de monitoramento resultante dos mapeamentos de risco e os resultados obtidos ao final do período de monitoramento. Abstract: The filling and operation of hydro-electric power plants reservoirs might affect the stability of slopes around it. Attending the legal demands for license operation of hydro-electric power plants it is necessary to carry out a geotechnical monitoring of the slopes in the reservoir areas. This paper presents the geotechnical hazard mapping and the monitoring plan developed for the hydro-electric power plant 14 de Julho in the Rio Grande do Sul state. The monitoring plan consist of a periodic visual inspection around the reservoir area where slopes instability were recorded according to event types, magnitude, the most likely reason of event deflagration as well the susceptibility level of the recorded point. 1 INTRODUÇÃO A estabilidade de taludes de solo e rocha está diretamente ligada às condições de saturação dos mesmos, quer seja pela alteração das tensões efetivas devido a variação da poropressão, pela perda de coesão aparente (sucção) dos materiais, ou ainda pelas forças de percolação geradas pelo fluxo em meio poroso. O enchimento e operação de reservatórios de usinas hidrelétricas geram oscilações nos níveis freáticos das encostas marginais aos mesmos, podendo gerar alterações na estabilidade destes taludes. Estas alterações são dependentes das fases do reservatório e da relação entre o nível freático com o nível do rio/reservatório: enchimento, operação, rebaixamento. Por este motivo, a identificação de possíveis locais cuja estabilidade das encostas seja crítica e, principalmente, represente risco (sócioeconômicos ou ambientais) é de grande importância para estes empreendimentos. Em função disto o monitoramento geotécnico das encostas de reservatórios de UHE s e PCH s é item comum em termos de referência para o licenciamento ambiental destes empreendimentos. Atendendo a estes termos de referência a Geosoluções Engenharia Geotécnica e Ambiental desenvolveu e aplicou vários planos de monitoramento de encostas em reservatórios de UHE s e PCH s no Estado do Rio Grande do Sul. O presente artigo apresenta o monitoramento das encostas da UHE 14 de Julho, a qual está sobre controle da Companhia Energética Rio das Antas (CERAN). Este iniciou-se pelo processo de identificação das áreas de risco ao longo do reservatório, seguido pela determinação da suscetibilidade dos materiais geotécnicos à instabilidade nas encostas do reservatório. 1

2 O monitoramento, propriamente dito, das áreas de maior risco e do reservatório como um todo foram realizadas a partir de vistorias trimestrais, identificando ocorrências de instabilidades nas encostas e classificando-as. Além da visita técnica, para uma área definida como de alto risco, foram adicionados inclinômetros para o monitoramento dos taludes. A correlação entre as instabilidades mapeadas através do plano de monitoramento executado no local com a pluviosidade foi baseada na metodologia apresentada por Wilson (1997). 2 LOCALIZAÇÃO DA UHE E CARACTERIZAÇÃO GEOLÓGICA 2.1 Localização A UHE 14 de Julho, sobre controle da CERAN, está localizada no rio das Antas; com o eixo do barramento situado aproximadamente nas coordenadas UTM E e N, Datum Córrego Alegre, entre os municípios de Bento Gonçalves (ao Norte) e Cotiporã (ao Sul), no estado do Rio Grande do Sul. Seu reservatório tem uma extensão aproximada de 26 km e abrange em parte os territórios das cidades de Bento Gonçalves, Cotiporã e Veranópolis. Tendo como principais acessos as rodovias RSC-470, RS-431 e RS-359. A estrutura de um derrame basáltico tem características próprias, podendo este ser dividida em zonas, que são: Zona de material vítreo e brecha vulcânica, base de derrame, originada devido ao resfriamento rápido e ao fluxo no contato das primeiras lavas do derrame com a superfície; Zona de diaclasamento horizontal, base de derrame, decorrente dos gradientes de temperatura quando do resfriamento da lava, estrutura de resfriamento; Zona de diaclasamento vertical ou disjunção colunar, a região central do derrame, é caracterizada por rocha maciça com diaclasamento predominantemente vertical decorrente dos gradientes de temperatura quando do resfriamento da lava, estrutura de resfriamento; Zona amigdalóide, topo de derrame, além da presença de material vítreo e brecha vulcânica, sendo que pode, também, ocorrer no topo de derrame zona de diaclasamento horizontal. A espessura, e até mesmo a ocorrência, de cada uma destas camadas varia de acordo com cada derrame. 2.2 Caracterização Geológica A área de instalação da UHE 14 de Julho está situada na porção sul da chamada Bacia Sedimentar do Paraná a qual consiste de formações sedimentares que foram, posteriormente, cobertas em grande parte por derrames basálticos que são os principais constituintes da Formação Serra Geral (LEINZ e AMARAL, 1978). Ainda de acordo com Leins e Amaral (1978) a Formação Serra Geral consiste de sucessivos derrames de lava, com espessuras variando de 350m nas bordas e 1000m na região central da bacia, sendo a sua espessura média de 660m. A espessura de cada derrame pode variar desde poucos metros até 100m, sendo que a espessura média dos derrames varia de 10m a 20m. A predominância ocorrente na Formação Serra Geral é de rochas básicas, sendo que 90% do volume desta formação são compostos por basaltos, 7% do volume é ocupado por andesitos e 3% por rochas ácidas, que são os riolitos e riodacitos. A ocorrência das rochas ácidas da Formação Serra Geral está limitada à borda sudeste da Bacia do Paraná, que abrange a região nordeste do estado do Rio Grande do Sul. Figura 1: Estrutura dos derrames basálticos segundo Leinz e Amaral, Esta estrutura gera velocidades diferentes de alteração dentro de um mesmo derrame. Sendo as regiões de topo e base de derrame locais com ação mais rápida do intemperismo devido à concentração de drenagem e da própria estrutura da rocha nestes locais. Isto explica a forma característica de degraus dos morros compostos por estas rochas, sendo estes degraus formados pelas escarpas de rocha sã, centro de derrame, em meio a camadas de rocha alterada e solo, topo e base de derrame. Na base dos degraus, contato entre derrames, é comum a ocorrência de uma zona de acúmulo de material proveniente dos mecanismos de evolução da encosta. Este material consiste em uma massa composta por blocos de rocha envoltos por uma matriz de solo argiloso 2

3 transportado, sendo denominado de colúvio. Se o material acumulado tiver ampla predominância de blocos de rocha é dada a denominação de tálus ao invés de colúvio. A ação erosiva dos rios esculpiu vales em V atravessando vários derrames da Formação Serra Geral, seguindo, preferencialmente, lineamentos estruturais nos maciços. Nestes vales, devido ao alívio de tensões gerados pela escavação, ocorre ainda outro tipo de fraturamento das rochas constituintes dos derrames, que são as fraturas de alívio, normalmente dispostas paralelas a superfície do terreno nas vertentes dos vales. 3 METODOLOGIA DO MAPEAMENTO DE RISCO A determinação do mapa de risco iniciou-se pelo cadastramento geotécnico do reservatório da UHE 14 de Julho. Este consistiu na identificação e demarcação (mapeamento) de diferentes materiais geotécnicos ao longo da área do reservatório, com o intuito de separar materiais com comportamentos geomecânicos diferentes. Como parte do cadastramento foram identificadas áreas com rupturas existentes a fim de determinar a situação atual das encostas ao longo da área do reservatório. Para e execução do monitoramento geotécnico das encostas do reservatório primeiramente foi elaborado um mapa de risco geotécnico do reservatório. A metodologia utilizada é semelhante a apresentada por Gobbi et al. (2008) e será sucintamente apresentada neste item. O risco pode ser definido pela equação: R = H.E.V (1) Sendo que: Perigo (H) = suscetibilidade de ocorrência de um evento em um local específico e em um período específico de tempo; Elementos em risco (E) = ocorrência de pessoas e propriedades; Vulnerabilidade (V) = grau de perda de um determinado elemento. Para a aplicação desta equação às encostas do reservatório as seguintes etapas foram realizadas: mapeamento geotécnico e levantamento de ocupações, elaboração do mapa de suscetibilidade, elaboração do mapa de risco e finalmente elaboração e implantação do plano de monitoramento. 3.1 Mapa Geotécnico O mapeamento geotécnico consiste primeiramente em um trabalho de escritório onde são verificados todos os dados bibliográficos disponíveis sobre a área, mapa geológico, pedológico, levantamento estrutural por fotointerpretação, análise do projeto com cotas finais de enchimento, etc. Este levantamento é realizado em todo o trecho do reservatório, envolvendo todas as encostas até a crista dos morros. Posteriormente é realizado extensivo trabalho de campo onde são delimitados os diferentes materiais geotécnicos presentes nas encostas. Importante ressaltar que esta delimitação consiste principalmente em separar materiais e regiões submetidas a um mesmo mecanismo de ruptura, por exemplo, separar áreas sujeitas a rupturas de taludes do tipo talude infinito dos depósitos de colúvios onde rupturas circulares profundas são esperadas. Este trabalho é realizado em uma faixa específica acima da cota de alagamento do reservatório. Aproveitando o trabalho de campo para o mapeamento geotécnico já é realizado um inventário de todas as ocupações na área estudada, onde entende-se como ocupações: residências, vilas, estradas, ferrovias, etc. 3.2 Mapa de Suscetibilidade O mapa de suscetibilidade consiste em um mapa que identifica a probabilidade de ocorrência de processos de instabilidade nas encostas do reservatório da UHE. Esta probabilidade de ocorrência de instabilidade é obtida através do cruzamento do mapa geotécnico com os parâmetros chave determinados para cada mecanismo de ruptura associado a determinadas regiões das encostas. Os tipos de instabilidades contemplados foram: rupturas em solo do tipo talude infinito, rupturas e movimentos lentos em colúvios. Instabilidades do tipo rupturas em rocha, segundo as fraturas de alívio, e os fluxos de detritos, não puderam ser previstos pelos procedimentos adotados neste trabalho. Mesmo assim, os talvegues foram marcados e inspecionados para serem acompanhados durante o monitoramento. Após estes cruzamentos as encostas foram definidas com de baixa, média e alta suscetibilidade a ocorrência de instabilidades de encostas. A Figura 2 apresenta o resultado do mapeamento, representado pelo mapa de suscetibilidade de parte do reservatório avaliado. 3

4 Figura 2. Resultado do mapeamento representado pelo Mapa de Suscetibilidade de parte do reservatório da UHE 14 de Julho. Áreas em verde, baixa suscetibilidade, amarelo, média suscetibilidade e vermelho, alta suscetibilidade à ocorrência de instabilidades geotécnicas. 3.3 Mapa de Risco O mapa de suscetibilidade proporcionou a determinação de um dos termos da Equação 1. Utilizando o inventário das ocupações no entorno do reservatório foram atribuídos pesos para cada tipo de ocupação considerando os elementos em risco (quantidade de pessoas sujeitas ao risco ou valor da estrutura submetida ao risco). O cruzamento entre o mapa de suscetibilidade e os elementos em riscos classificados, gerou o mapa de risco. A matriz de cruzamento utilizada para definição do grau de risco é apresentada na Tabela 1. 4 MONITORAMENTO Como produto do mapa de risco foram delimitadas áreas de risco ao longo do reservatório. Este procedimento é, obviamente, indicativo de locais submetidos ao risco. Sendo assim as áreas (manchas) de risco alto, foram delimitadas no mapa e então numeradas como áreas de risco. Ao todo 8 áreas de risco (Figura 3) foram delimitadas e para cada uma delas ações específicas foram determinadas com monitoramento com inclinômetros ou simplesmente inspeções detalhadas dos riscos geotécnicos existentes. Tabela 1. Matriz de cruzamento do mapa de suscetibilidade com as conseqüências de ocorrência de uma instabilização para definir o risco geotécnico Suscetibilidadtibilidade quência Conseq. Risco Pto.Susce- Conse- Pto. Pto. Risco Baixa 1 Baixa 1 1 Baixo Baixa 1 Média 2 2 Baixo Baixa 1 Alta 3 3 Médio Média 2 Baixa 1 2 Baixo Média 2 Média 2 4 Médio Média 2 Alta 3 6 Alto Alta 3 Baixa 1 3 Médio Alta 3 Média 2 6 Alto Alta 3 Alta 3 9 Alto 4

5 Figura 3: Áreas de risco. 4.1 Resultado do Monitoramento de Campo Durante as vistorias de campo foram registradas rupturas e erosões, as quais foram compiladas para cada trimestre. Estas vistorias foram realizadas antes e posterior ao enchimento do reservatório. Para cada instabilidade foram registrados: (i) tipo do evento, ruptura ou erosão; (ii) a magnitude do evento; (iii) a provável causa do evento com base nas condicionantes locais; (iv) a suscetibilidade do local do evento com base no mapeamento pregresso; (v) a média pluviométrica do trimestre dos postos com dados disponíveis. Foram realizadas 10 vistorias com periodicidade trimestral, sendo que 5 foram anterior ao enchimento do reservatório e 5 após. Os resultados dos monitoramentos são apresentados nas Tabelas 2 e 3. O enchimento do reservatório representou um aumento substancial no número de instabilidade quando comparados com os resultados anteriores, 95 instabilidades mapeadas após o enchimento contra 41 verificadas antes do enchimento. Aproximadamente 70% das instabilizações registradas se concentraram em áreas mapeadas como de alta e média suscetibilidade. Tabela 2. Informações relacionadas aos eventos de instabilidade observados durante as vistorias trimestrais. Tri- P* E (eventos) Idade mes- tre Ruptura Erosão Recente Antiga E (mm) Enchimento do Reservatório

6 *Valor medido para o período. E número de eventos registrados Tabela 3. Informações relacionadas aos tipos de instabilidade e sua localização quanto ao nível de suscetibilidade mapeado no cadastramento geotécnico. Trimestre Eventos Suscetibilidade* A M B Enchimento do Reservatório *Suscetibilidade: A alta; M média; B - baixa 4.2 Resultado do Monitoramento com os Inclinômetros Dentre as áreas de alto risco, a área 4 apresentou maior criticidade em função de seus espessos colúvios e pela grande presença de ocupações. Embasado nessas considerações, o monitoramento realizado na área em questão foi diferenciado das demais, sendo que nesta foram instalados nove inclinômetros do modelo simplificado. Após um determinado tempo de monitoramento, ainda anterior ao enchimento do reservatório, constatou-se que havia movimentações desses colúvios, todavia, as suas magnitudes, aparentemente, não indicavam problemas de instabilização. A Figura 4 apresenta o gráfico do monitoramento durante o período de acompanhamento. Figura 4: Monitoramento dos inclinômetros Como explicitado na Figura 4, a linha vermelha indica o momento do enchimento do reservatório. É possivel verificar que após o incio de sua operação foram registradas maiores movimentações, sendo a máxima magnitude ocorrida no inclinometro 4, 3mm. Leituras posteriores, não inseridas no gráfico, indicaram a estabilização do inclinômetro 4. Em virtude do conhecimento que se tem a respeito da influência da presença de água em solos coluvionáres, foram realizadas algumas inspeções na área sob as quais os inclinômetros estavam instalados e, mesmo para o inclininômetro 4 em que foi verificada a maior movimentação, não foram verificados indícios de rupturas 6

7 ou movimentos de rastejo, o que corrobora a informação que os deslocamentos estabilizaram. Mesmo após o término do monitoramento apresentado, foram realizadas novas inspeções que também não registram indícios de rupturas iminentes. 5 INSTABILIDADES VERSUS PLUVIOSIDADE Ainda como parte do plano de monitoramento da UHE 14 de Julho buscou-se, baseando-se na formulação de Wilson (1997) e dos dados pluviométricos coletados, determinar o risco potencial de ocorrência de ruptura em termos de quantidade de chuva. A metodologia para a confecção dos gráficos adaptada de Wilson (1997) consiste de: no eixo das abscissas (x), apresentação de todo o período do monitoramento e no eixo das ordenadas (y), os valores normalizados obtidos a partir da equação 02. CD y CAA NDC (2) Onde, CD é o volume de chuva do dia, CAA é o volume de chuva acumulada durante o ano em questão e NDC o número de dias em que choveu, também no ano em questão. As considerações relacionadas a esta metodologia são discutidas e apresentadas por Gobbi et al (2012). Esta metodologia resultou, a partir da correlação das rupturas decorrentes de causas diversas com o índice normalizado, em um valor oriundo da equação 2 superior a 3,0 (referência). Ou seja, situações de instabilizações de solo e/ou rocha ocorreram para um índice superior a 3,0 da metodologia baseada em Wilson (1997). Outra análise da relação instabilidades versus pluviosidade foi a consideração de chuva acumulada. Para o período de monitoramente plotou-se todos os resultados de chuva acumulada para três dias. A consideração da chuva acumulada para três dias permitiu a correlação de determinado valor de chuva acumulada com a ocorrência de instabilidades. Este valor de chuva acumulado definido foi de 90 mm. 6 CONCLUSÕES Foi realizado um trabalho de mapeamento de risco na área do reservatório da UHE 14 de Julho, sob controle da CERAN, apresentado neste estudo. A partir do mapeamento de risco foram delimitadas áreas especificas para as quais foi proposto um plano de monitoramento formado por inspeções visuais e controle dos inclinômetros. Para as demais áreas constituintes do reservatório foram propostas vistorias trimestrais, antes e após seu enchimento. Nestas vistorias foram mapeadas as rupturas ocorridas e as mesmas foram classificadas quanto a magnitude, tipologia e possível causa. Verificou-se que cerca de 70% das rupturas ocorridas estavam enquadradas em áreas classificadas previamente como de média e alta suscetibilidade à ocorrência de instabilidades, o que é um indicativo de validação da metodologia aplicada. Foi verificado um aumento do número de instabilidades após o enchimento do reservatório. Este aumento é caracterizado como normal, uma vez que boa parte das instabilidades consistiram em rupturas pequenas de margem do reservatório. Esse processo é considerado comum até mesmo em rios, os quais sofrem mudanças de nível, e tendem a cessar após atingido o equilíbrio desta porção da encosta. Os autores agradecem a Companhia Energética Rio das Antas (CERAN) pela disponibilização dos dados para a presente publicação. 7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Gobbi, F.S.; Bressani, L.A.; Rigo, M.L.; Bortolli, C. R.; Pereira, A. (2008). Identificação de Área com Suscetibilidade a Instabilidade Geotécnica com Base em Geoprocessamento. In.: 14 Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica. Búzios, Rio de Janeiro. 14 COBRAMSEG. São Paulo: ABMS. Vol. 1. 7

8 Gobbi, F.S.; Fonini, A.; Pereira, A. (2012). Correlação de dados de chuva com instabilidade de encostas do reservatório da UHE 14 de Julho, no Rio Grande do Sul. In.: 16 Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica. Recife, Pernanbuco. (ACEITO PARA PUBLICAÇÃO). Leinz, V.; Amaral, S.E. (1978) Geologia Geral. São Paulo: Nacional, Wilson R.C. (1997). Normalizing rainfall/debris-flow thresholds along the U. S. Pacific coast for long-term variations in precipitation climate. In: Proceedings 1st International Conference on Debris-Flow Hazard Mitigation (Chen CL, ed). San Francisco: American Society of Civil Engineers, p