ESTUDOS INICIAIS DE RECUPERACAO DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO DO BARRAMENTO E ADUCAO DA USINA

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1 ESTUDOS INICIAIS DE RECUPERACAO DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO DO BARRAMENTO E ADUCAO DA USINA HIDROELETRICA ILHA DOS POMBOS Eng Carlos Fernando da Rocha Santos LIGHT - Servigos de Eletricidade S.A. Eng Luciano Nobre Varella ELETROBRAS RESUMO 0 traba/ho apresenta os estudos iniciais para a recuperacao das estruturas de concreto da Usina Hidreletrica llha dos Pombos, Iocalizada no rio Paraiba do Sul, construida na decada de 20. Descreve as anornalias observadas nas estruturas, bem como as sondagens rotativas executadas, os ensaios de perda d'agua no contato concreto-rocha, as ensaios de laboratorio, a instrumentagao de auscultacao instalada e a resultado da analise da subpressao. Mostra os critarios e os resultados da analise de estabilidade das estruturas. Conclue que todas as estruturas de concreto necessitam de reparo, de modo a garantir o seu funcionamento dentro de critarios atuais de seguranga. 1. INTRODUCAO A usina hidreletrica de llha dos Pombos de propriedade da Light Servigos de Eletricidade S.A., foi construlda em 1924 pela Brazilian Hydro Electric Company Ltda no rio Paraiba, entre as municipios de Carmo no Estado do Rio de Janeiro e Alem Paraiba, no Estado de Minas Gerais, inicialmente com dois grupos geradores, que foram ampliados nos anos subsequentes para cinco unidades. A usina encontra-se em operacao, faz pane do Sistema de Geracao da Regiao Sudeste do Brasil e tem capacidade instalada total de 165 MW. Os estudos para recuperagdo da usina aqui apresentados referem-se a prestacao de servigos de engenharia contratados corn a Promon Engenharia Ltda e foram realizados em 1983 com a finalidade de diagnosticar o estado geral das estruturas de barramento de concreto do aproveitamento e de avaliar a viabilidade de sua recuperacao. Atualmente estes estudos estao sendo aprofundados, com o suporte de investigag6es de campo complementares as inicialmente executadas. Ate a presente data nenhuma obra de recuperacao foi realizada na usina. 2. DESCRICAO GERAL DO APROVEITAMENTO A ilustragao a seguir mostra o arranjo geral do aproveitamento. A barragem principal de concreto do tipo gravidade tern um comprimento de 550 m e altura maxima de '27m. Os vertedouros, 8 comportas tipo Stoney e 3 tipo setor automatico, sao incorporados a Barragem. A tomada d'agua do canal adutor a um prolongamento da barragem principal. 0 canal adutor, de 3 km de extensao, foi formado atraves da construgao de 7 pequenos diques de terra e um paredao de concreto de 250 m de comprimento, 20 m de altura maxima e largura maxima na base de 12,5 m. A tomada d'agua da usina posiciona-se transversal mente a extremidade de jusante do paredao. 3. BREVE HISTORICO O paredao do Canal Adutor e a estrutura que apresentou as maiores e mais serios problemas estruturais, desde o inicio da operacao da usina, logo apos sua execug5o. O paredao tern 250 m de comprimento atingindo 20 m de altura maxima e 12,5 m de largura na base. A largura da crista a de 1,70 m e esta na cota 140 m. E dotado de uma comporta de segmento, localizada a 170 m da tomada da usina, e de uma outra a 35,0 m abrigando urn par de comportas (uma deslizante e outra tipo lagarta) cuja finalidade seria promover o desassoreamento da bacia de carga. - XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS

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3 0 traco utilizado na construcao do paredao foi de aproximadamente 183 kgf/m3. Desde o inicio observou -se o aparecimento de mufta umidade no paramento de jusante devido as segregag6es existentes no concreto e a elevada permeabilidade das juntas entre camadas de concretagem. Em 1948 foram realizadas medicoes de vazao durante um abaixamento do nivel d 'agua do canal obtendo-se os seguintes valores para cada posicao do N.A. Nfvel d ' agua ( m) Vazao (I/s) 137,00 12,7 138,10 18,4 139,20 23,7 139,80 38,0 Foram desenvolvidos varios estudos de reforco e reparo no paredao, tendo sido analisadas as seguintes possibilidades: reforgo e vedacao junto ao paramento de montante; reforco e vedacao junto ao paramento de jusante; impermeabilizacao por cortina de injecao de cimento; eliminagao do paredao mediante a construcao de uma nova barragem; construg5o de contrafortes para melhoria das condicoes de estabilidade do paredao cujos calculos estaticos indicavam instavel. Em dezembro de 1948 foram realizadas analises comparativas tendo -se optado pela execucao de contrafortes que alem de mais econ & mico apresentavam as seguintes vantagens: nao haveria dependencia quanto a necessidade de se conseguir a ligagdo entre o concreto novo e o velho; a escavarao no pe do paredao seria feita em intervalos, no trecho de implantagao dos contrafortes. Em marco de 1952 foi iniciada a construg5o dos contrafortes, num total de 11, ate o final de Em 1956 foi construfdo mais um contraforte. No entanto foram construfdos apenas metade dos contrafortes propostos. Cabe observar que os contrafortes foram executados com a usina em operacao normal, ou seja, com o nfvel d'agua no canal adutor variando entre as cotas 139,50 m e 140 m. Consideracoes sobre essas condicoes sao feitas adiante na proposicao das obras de reparo do paredao. Alem da execug5o dos contrafortes, tendo em vista as elevadas infiltraroes que se observavam atraves do concreto do paredao, foram tambem executadas injecoes de cimento, primeiramente no ano de 1954 e posteriormente em Inspecoes realizadas durante operaroes de rebaixamento do nfvel d 'agua e tambem com mergulhadores, indicavam que a estrutura apresentava -se extremamente porosa, com blocos de concreto soltos e varias rachaduras. Devido as precarias condig6es do concreto do paredao foram tomadas precaucoes especiais para a execug5o das injecoes de cimento. As injecoes eram iniciadas a partir da crista em estagios de 2,0 m ate a fundagdo. Os primeiros 5,4 m foram injetados a partir da crista e os remanescentes a partir do paramento de jusante. As pressoes variaram desde a gravitacional para preenchimento de vazios ate a maxima de 5,2 kgf/cm2 onde a absorg5o era pequena ou inexistente. Como resultado, pode -se salientar que as injeg6es implicaram em uma redug5o significativa das vazoes de infiltracao. Existem, porem, ainda regioes que apresentam infiltrag6es atraves das juntas de concretagem horizontais, pois como se sabe, nao se consegue, com calda de cimento comum, injetar eficientemente fissuras com espessura inferior a 0,5 mm. A intensa carbonag5o observada hoje ao longo do paramento de jusante indica a possibilidade de perda de eficiencia das injecoes ao longo do tempo. 4. SITUAcAO DAS DEMAIS ESTRUTURAS DE CONCRETO A estrutura da barragem principal tem comprimento de 550 m e incorpora seis comportas planas (A, B, C, D, E e F) e tres comportas tipo setor flutuantes (K, L e M ) com 45m de comprimento e 13 m de altura cada uma, projetadas para funcionar automaticamente, e que na epoca da realizadao deste estudo permaneciam sem utilizarao ja ha 10 anos. Entre as comportas setor flutuantes situam -se as comportas planas G e H. - XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS

4 Essas estruturas apresentam os seguintes problemas: Comporta A: - fissuras nas juntas de concretagem dos pilares; - erosao na laje de fundo; - infiltragao elevada corn a comporta fechada. Comporta B: - fissuras inclinadas entre as juntas de concretagem dos pilares; - fissuras na laje do fundo que se prolonga pelo pilar direito que pode ter sido causada por recalque diferencial. Comporta C: - fissuras na base do pilar esquerdo junto a laje do fundo. Comporta D: - fissuras na base do pilar direito. Comporta E: - fissuras nas juntas de concretagem dos pilares. Comporta F: - fissuras nas juntas de concretagem dos pilares. Todas essas estruturas apresentam desgastes excessivos nas ranhuras das comportas e stop logs. Comporta G: - fissuras muito abertas no pilar direito; - aberturas excessivas nas juntas de concretagem; - fissuras verticais nos pilares. Comporta H: - situagao de fissuragao dos pilares melhor que as demais estruturas. Comporta Setor Flutuante K e L - fissuras horizontais nos pilares. Comporta Setor Flutuante M - fissura de uma junta horizontal de concretagem tanto no pilar direito quanto no esquerdo a mesma altura. Cumpre observar que as estruturas de concreto armado dos setores flutuantes encontram -se em perfeito estado. Estrutura da Barragem: - superficie de concreto desgastada pelo ataque da agua mas a durabilidade da massy nao esta comprometida; - evidencia de infiltragao ao longo das juntas de concretagem. Estrutura da tomada d'agua da usina: - abrasao do concreto na entrada, junto As grades; 5. INVESTIGACOES REALIZADAS - carbonatagao excessiva a jusante; - infiltragao atraves das juntas de concretagem; - armadura exposta na face inferior do "deck". 0 piano de investigagoes realizado nas estruturas de concreto para o estudo de sua recuperagao teve os seguintes objetivos basicos: a) Proceder a uma amostragem do concreto, que fosse a mais continua posslvel e que abrangesse toda a extensao entre a crista e a base da estrutura, incluindo a regiao superficial da fundagao. b) Proceder a amostragem, tanto do concreto do paredao, quanto do concreto dos contrafortes, por terem sidos realizados em 6pocas bern distintas, e do concreto da barragem. c) Aproveitar as sondagens realizadas para a instalacao de instrumentos de auscultagao, visando dotar a estrutura de um sistema que permitisse o controle de suas condigoes de seguranga durante a sua vida util. Foram realizados ensaios de laboratorio a partir de testemunhos de sondagem NX ((P 76 mm), por permitirem a amostragern continua ao longo de toda a altura do paredao, a um custo razoavel, porem sabendose que estes testemunhos nao forneceriam corpos de prova dos mais adequados para a realizagao dos ensaios de laboratorio. Esta restrigao seria compensada pela realizacao de um major riumero de ensaios de laboratorio, tendo em vista a possibilidade de um tratamento estatfstico adequado. Ao se proceder a locagao das sondagens rotativas, teve-se em mente tanto a investigagao e a amostragem do concreto quanto a instalacao de instrumentos de controle, visto que o grande custo na instrumentacao esta justamente na execugao das sondagens para a instalagao dos piezometros e extensometros multiplos XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS -

5 5.1 Sondagens Rotativas Foram realizadas campanhas de extragao de testemunhos cujo objetivo foi o de examinar o concreto do interior da massa. Os testemunhos foram retirados em diferentes locais do paredao do canal adutor e barragem principal. Urna analise visual dos testemunhos permitiu dar uma ideia da heterogeneidade da massa de concreto. Com efeito, foi claramente notada a existencia, em varios niveis de concreto homogdneo de boa qualidade, concreto poroso, concreto apresentando segregagoes desde pequenos orificios ate existancia de praticamente pedra sem argamassa, mistura de argila no concreto e rocha de fundacao. Nos locais de segregagao intensa, onde praticamente inexiste a argamassa, nota-se a deposigao de carbonato de calcio sobre as pedras, o que indica que alam da carbonatagao existente nas faces extemas, tambam existe a carbonatagao no interior da massa. Sao apresentados adiante os perfis obtidos nos furos SR-02, SR-04, SR-05, executados na elevagao 141,00 do paredao do canal adutor e SR-06, SR-07, SR-08 e SR-09 na elevagao 141,00 da barragem principal. 5.2 Ensaios de perda d'ggua no contato concreto-rocha. Ao tarmino da execurao das sondagens rotativas, programadas para extragao de testemunhos e instalagao de piezometros de fundagao, foram realizados ensaios de perda d'agua no contato concreto-rocha, com o objetivo de permitir uma avaliagao do coeficiente de permeabilidade deste contato. Na tabela, a seguir, apresentam-se os resultados destes ensaios. Resultados dos ensaios de perda d'agua executados no contato concreto-rocha ESTRUTURA SONDAGEM ROTATIVA PRESSAO (kfg/cm2) ENSAIO DE PERDA D'AGUA Vazao (I/min/m) PAREDAO SR-2 1,073 21,9 SR-4 1,075 3,2 SR-5 1,050 2,6 BARRAGEM SR-6 1,158 9,0 PRINCIPAL SR-7 1,165 nao absorveu SR-8 1,124 2,2 SR-9 2,075 nao absorveu Sabendo-se que estes ensaios foram realizados em sondagens rotativas com 3" de diametro (NX) e que existe uma correlagao direta entre a perda d'agua especifica e o coeficiente de permeabilidade do material ensaiado, atravas da relagao: 1,0 x I/min/m/kgf/cm2 = 10-4 cm/s verifica-se, entao, que nos locals onde ocorreu absorgao o coeficiente de permeabilidade variou entre 2 x10-3 e 2 x 104 cm/s. Estes ensaios vieram indicar ainda que o contato concreto-rocha na regiao das comportas " B" a"f', da Barragem Principal, apresenta-se de um modo geral bem menos perme6vel que no paredao e que as maiores perdas d'agua observadas nas sondagens SR-2 e SR-6 parecem explicar as maiores subpress6es dos piezometros pz-l e pz-iv, ai instalados, em relacao as subpress6es previstas. 5.3 Ensaios de Laborat6rio Amostras selecionadas Uma vez extraidos todos os testemunhos programados foram selecionados os corpos de prova que seriam submetidos a ensaios de resistencia a compressao, determinagao do peso especifico e m6dulo de elasticidade do concreto. 0 critario de selegao dos corpos de prova foi adotado no sentido de obter a maxima representatividade da massa do concreto Determinag6es da massa especifica Os ensaios foram executados, segundo o mr todo ASTM C-642, em 17 corpos de prova, os quais posteriormente foram submetidos a ensaios para determinagdo da compressao axial. 0 resultado m6dio foi de 2,3 ton/m3. Os resultados constam da tabela a seguir. - XIX SEMINA RIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS

6 CORPO DE PROVA PROFUNDIDADE (m) M.ESPECIFICA APARENTE (ton/m) SR-02 1,50-1,60 2,53 SR-02 1,90-2,00 2,23 SR-04 1, 20-1,35 2,32 SR-04 3,15-3,30 2,21 SR-04 11,20 11,40 2,20 SR-05 1,45-1,30 2,36 SR-05 3,05-3,20 2,23 SR-06 1,15-1,30 2,30 SR-06 4,35 4,50 2,26 SR-06 8, 15-8,25 2,26 SR-07 3,20-3, 35 2,28 SR-07 8,70-8,85 2,34 SR-07 21,35-21, 50 2,41 SR-08 18, 10-18,25 2,05 SR-08 2, 30-2,45 2,30 SR-09 5,52-5,40 2,32 SR-09 12,45-12, 60 2,58 Q = 0,13 Para fins de calculo foi utilizado 2,20 ton/rn3 valor esse que leva em conta as segregagoes existentes no concreto Determinarao da resistencia a compressao axial Para que os ensaios fossem executados conforme o metodo MB-3 da ABTN os corpos de prova deveriam possuir o diametro mfnimo de 0,15m. Entretanto, pela impraticabilidade de extracao de corpos de prova normais a profundidades superiores a 1,0 m, optou-se pelo ensaio de corpos de prova com 0,05 m de diametro. Foram inicialmente selecionados 13 corpos de prova do concreto para serem submetidos a compressao axial. Os cortes foram efetuados com serra de diamante e os corpos de prova capeados com enxofre. Nesta primeira serie para ensaio houve o cuidado de uma selegao bem demonstrativa da heterogeneidade da massa, havendo corpos de prova de concreto homogeneo, com segregaroes, argamassa pura, concreto poroso, enfim todas as situacoes que poderfamos encontrar na massa. Os resultados desta serie constam da tabela a seguir. EXTRAgAO PROFUNDIDADE (m) RESISTENCIA A COMPRESSAO (MPa) SR-02 1,50 1,60 12,1 SR-02 1,90 2,00 5,5 SR-03 8,40 8,50 7,4 SR-04 1,20 1,35 21,7 SR-04 3,15 3,30 9,5 SR-04 11,20 11,40 11,9 SR-05 1,45 1,60 13,8 SR-05 3,05 3,20 8,5 SR-06 1,15 1,30 19,9 SR-06 4,35 4, SR-06 8,15 8,25 20,3 SR , SR-07 8,70 8,85 22,5 SR-07 21,35 21,50 34,3 SR-08 18,10 18,25 11,2 SR-08 2,30 2, SR-09 5,25 5,40 17,2 SR-09 12,45 12,60 17,0 SR-09 14,05 14,20 9,4 Q=6,81 0 resultado medio dos ensaios desta primeira serie foi de 15,1 MPa. Em uma segunda fase foram selecionados corpos de prova mais densos, onde procurou-se concretos sem segregacoes aparentes. Os resultados estao contidos na tabela a seguir XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS -

7 C.P. NO PROFUNDIDADE (M) RESISTENCIA A COMPRESSAO (MPa) SR-02 9,05-9,15 13,5 SR-02 11;70-11,85 12,6 SR-03 3, 70-8,90 21,8 SR-09 8,35-8,50 32,0 OBSERVACAO SR-01 0, 80-1,00 29,3 Concentrarao do pedras de grande diametro. SR-02 8, 50-8,80 18,1 Agregado de diametro pequeno. SR-03 5, 00-5,20 32,4 SR-07 21,80-22,00 24,0 Concentracao de pedras de grande diametro. SR-09 5,15-5,30 26,4 Concentracao de pedras de grande diametro. SR-07 17,70-17,85 36,0 SR-05 3,50-3,65 21,8 Aparentemente segregado. SR-03 7, 80-8,00 15,1 Agregado de diametro pequeno. SR-01 7,35-7,50 16,8 SR-08 12,45-12,60 30,3 SR-08 4,30-4,45 21, 0 Aparentemente com concreto mais pobre. SR-04 9,70-9,85 11,8 Agregado de diametro pequeno (I=7,74 0 resultado medio destes ensaios foi de 22,7 MPa. Em concretos de massa o criterio adotado para a resistencia a compressao do concreto tem sido o da media, com apenas correcao de peneiramento, quando necessario. Este criterio, conforme recomendacao do consultor Roy Carlson, tem sido adotado em grandes projetos de barragens no Brasil. Se tomarmos apenas os corpos de prova com diametro maximo compativel com o diametro do corpo de prova, teremos resultados medios de cerca de 15,0 MPa. O fck estimado para os corpos de prova acima, aplicando o criterio da MB-1, a de 12,2 MPa Determinacao do modulo de deformabilidade Foram efetuados ensaios para determinarao do modulo de deformabilidade do concreto, utilizando-se os corpos de prova extraidos. Na realidade trata-se de uma estimativa, uma vez que as dimensoes dos corpos de prova nao se apresentaram, de um modo geral, compativeis com o diametro maximo do agregado e, consequentemente, com o metodo de ensaio. Os resultados constam da tabela abaixo. Determinacao do M6dulo de Deformabilidade IDENTIFICACAO - C.A. TENSAO DEF. ESPECIFICA MODULO DE DEFOR- N S.R. No (MPa) E (x 10-) MABILIDADE E (MPa) , , , , , , , , , , M6dulo de deformabilidade modio Portarlto Emed = kgf/cm2 Desvio padrao = kgf/cm2 - XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS

8 6. INSTRUMENTACAO DO PAREDAO 6.1 Objetivos da Instrumentagio Dentro dos criterios atuais de seguranga, toda barragem de grande porte deve ser dotada de uma instrumentagao basica, objetivando o acompanhamento e controle de seu desempenho durante o perfodo operacional. Particularmente a estrutura de concreto do paredao do Canal Adutor, com altura maxima de cerca de 20 metros, qualifica-a como uma barragern de grande pone (H > 15m), recomendando-a, portanto, para receber um piano de instrumentagao. Decidiu-se pois pela instalagao de alguns piezometros de fundagao tipo "stand-pipe" e extensometros multiplos de hastes, instrumentos estes simples nos seus princfpios de funcionamento e faceis de operar. 6.2 Critarios de Locagbo dos Instrumentos Ao se proceder a locagao dos instrumentos procurou-se concentrar um major numero de instrumentos na estrutura do paredao, em virtude de sua major altura e, consequentemente, de suas condigoes de estabilidade mais criticas. Decidiu-se pois, pela instalagoo de 3 piezometros e 2 extens6metros multiplos no paredao e, na Barragem principal, de 2 piezometros que foram posteriormente ampliados para 4 unidades. Tendo em vista que o objetivo das sondagens para instalagao dos piezometros e extensometros multiplos, era tambem o de possibilitar uma amostragem do concreto no interior da estrutura, procurou-se no caso do paredao, locar as sondagens em regioes mais criticas da estrutura, conforme indicagoes das inspegoes realizadas atualmente e no passado, e das zonas de maior absorgao, reveladas pelos registros das injegoes de cimento realizadas na dacada de 50. Os piezometros foram locados com o objetivo essencial de informar sobre as condigoes de subpressao no contato concreto-rocha, enquanto que os extensometros multiplos foram instalados essencialmente para a observagao de eventuais desiocamentos cisalhantes ao longo deste mesmo contato. 6.3 PiezBmetros de Fundagio Os piezometros instalados nas estruturas de concreto do paredao e da Barragem Principal sao do tipo "stand-pipe", constituldo por um tubo de PVC com diametro de 3/4", dotado de um tampao em sua extremidade inferior e com as suas paredes perfuradas ao longo de uma extensao de 1,0 m a partir de 5,0 cm da extremidade inferior. 0 diametro desses furos a de 3mm, dispostos segundo 4 linhas longitudinais, espagados de 2,0 cm entre si. 0 trecho perfurado a envoito com duas camadas de BIDIM OP-30 (300g/m2), adequadamente fixadas com linhas de nylon. Estes piezometros foram instalados a partir de sondagens rotativas NX, com 7,6 cm de diametro, executadas a partir da crista das estruturas ate cerca de 2,0 m abaixo do contato concreto-rocha. No trecho de medida, que engloba exatamente o contato concreto-rocha, o espago entre o tubo de plezdmetro e as paredes do furo de sondagens sao preenchidos por uma camada de areia lavada (granulometria que passa na peneira 4 e fica retida na peneira 8), que se estende do fundo da sondagem ate 0,5m acima do contato concreto-rocha. Portanto, o bulbo de medida do piezometro possui cerca de 2,5m de extensao. 0 restante da sondagem a preenchida com calda de cimento. 6.4 Extens6metros Multiplos Estes instrumentos foram instalados a partir de furos de sondagem rotativa de diametro NX (3"). Consistern basicamente de duas hastes metalicas, solidarias na sua extremidade inferior a uma ancoragem fixada nas paredes da sondagem com calda de cimento e protegidas por uma mangueira flexivel em toda a sua extensao, ate a boca da sondagem onde se encontra a cabega do extensometro sao medidos com um reldgio comparador, com campo de leitura de 1 Omm e sensibilidade de 0,01 mm. A ancoragern inferior encontra-se instalada na rocha, logo abaixo da superffcie da fundagao, e a superior no concreto da estrutura, imediatamente acima do contato concreto-rocha, de tal forma que qualquer deslocamento diferencial entre as duas hastes se traduzirao em um deslocamento cisalhante ao longo deste contato. 7. SUBPRESSOES OBSERVADAS NO CONTATO CONCRETO-ROCHA Foi feita uma analise das subpressoes registradas pelos piezometros instalados no contato concreto-rocha de fundagao, nas estruturas de concreto do paredao do canal adutor e da barragem principal. Na tabela a seguir apresenta-se uma comparagoo entre as subpressoes observadas em 26/04/83, com o nfvel do reservatorio na El. 140,00m e do canal de,adugao na El. 139,60m (a montante do paredao) e as subpressoes previstas. Estas foram calculadas admitindo-se uma queda linear de subpressao, ao longo do contato concreto-rocha, entre o nfvel do reservatorio a montante e o nfvel d'agua a jusante XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS -

9 COMPARACAO ENTRE SUBPRESSOES MEDIDAS E PREVISTAS PIEZOMETRO I II III IV V VI VII MEDIDA 139,50 137,40 138,86 138,98 136,10 131, ,12 PREVISTA 138,80 138, , ,60 138, ,20 138,00 a) No paredao, os piezometros de fundacao evidenciaram subpressoes muito proximas aquelas calculadas, admitindo-se uma queda linear entre montante e jusante, a saber: - Contraforte no 6: subpressao 0,7m acima do valor previsto; Contraforte no 10: subpressao 1,4m abaixo do valor previsto; - Contraforte n 19: subpressao 0,04m acima do valor previsto; A major subpressao observada na regiao dos contrafortes no 6 e 19, deve-se, provavelmente, a ocorrencia de uma anomalia no concreto, na regiao do contato concreto-rocha, que estaria provocando urn caminho mais permeavel a montante, em relacao a regiao de jusante. Esta anomalia poderia se tratar de uma regiao de concreto poroso ou de uma junta parcialmente aberta no concreto. b) Na barragem principal, proxima a comporta "A", a subpressao apresenta-se ligeiramente acima do valor previsto, indicando, entretanto, uma perda de carga de 1,2m em relacao ao nivel d'agua do reservatdrio. c) Na fundacao das estruturas de concreto, correspondentes as comportas "B" a "F", as subpressoes observadas apresentaram-se 2,0 a 7,0 m.c.a. (metros de coluna d'agua) abaixo dos valores previstos, o que se atribui provavelmente a perda de carga que estaria ocorrendo ao longo do talude vertical, entre concreto e rocha, e que foi desprezada nas avaliacoes teoricas. Deve-se destacar ainda que os tres ensaios de perda d'agua realizados na regiao do contato concreto-rocha, por ocasiao da execucao das sondagens rotativas SR-7, 8 e 9, indicaram absorcao d'agua em somente uma delas, com uma vazao especffica de apenas 2,2 I/min/m (pressao de 1,124). Esta constatacao vem pois indicar um contato concreto-rocha muito pouco permeavel, na regiao mais a montante da fundacao desta estrutura de concreto (Comportas B a F"). 8. ANALISES ESTRUTURAIS Considerando-se o objetivo do trabalho realizado, de diagnosticar e avaliar a viabilidade da recuperagdo das estruturas da usina, foram desenvolvidas as seguintes analises: - Estabilidade global em relacao ao piano da base (contato concreto-rocha) das estruturas no seu estagio atual. - Estabilidade global em relacao ao piano da base (contato concreto-rocha) considerando as alternativas possfveis para estabelecer em cada estrutura coeficientes de seguranga e tensoes, compativels corn criterios atuais. Os criterios de seguranca adotados obedeceram as diretrizes atuais recomendadas para avaliagao de seguranga de barragens em operarao da Comissao de Seguranra do Comite Brasileiro de Grandes Barragens. Os calculos de estabilidade foram desenvolvidos de acordo com os criterios e metodologia usuais sendo adotados os coeficientes de seguranga relativos as condicoes de carregamento normal (CCN), excepcional (CCE) e limite (CCL) conforme apresentado na Tabela 1. Os valores dos coeficientes de seguranca minimos ao tombamento adotados sao inferiores aos estabelecidos pelo CBGB conforme mostra a tabela abaixo. CONDIcOES DE CARREGAMENTO COEFICIENTES MINIMOS CBGB COEFICIENTES MINIMOS ADOTADOS CCN 2,0 1,5 CCE 1,7 1,3 CCL 1.3 1,1 As seguintes justificativas devem ser consideradas para os valores adotados: Os coeficientes do CBGB sao muito conservadores e geralmente adotados na fase de projeto onde existe um major grau de incerteza em relagao a resposta da estrutura a aplicacao da carga hidrostatica. 0 coeficiente de seguranca ao tombamento isoladamente a um valor pobre de significado sendo preferivel um criterio de limitacao de tensoes na secao analisada. - XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS

10 Os valores adotados, e mesmo os do CBGB, sao excedidos largamente na maioria dos casos. Os valores 1,5; 1,3 e 1,1 tern sido adotados em barragens de concreto de grande porte como por exemplo : de Marimbondo, Tres Irmaos e outras. Corn relagao as tensoes no contato concreto-rocha admitiu-se a hipbtese de distribuigao linear das tensoes normais e que nao ha resistencia a tracao no contato concreto-rocha. Nessa verificagao sao determinadas as tensoes no piano do contato concreto-rocha para atuagao simultanea das cargas de peso prbprio, empuxo hidrostatico e subpressao, admitindo-se que a junta do contato concreto -rocha nao a capaz de resistir as tensoes de tragao impostas. Nesse caso havers tendencia a formagao de uma fissura ao longo da zona tracionada onde a subpressao total (diagrama retangular) atuara em toda extensao. Essa situagao faz corn que seja necessario recalcular as tensoes na base corn a nova configuragao do diagrama de subpressoes e consequentemente corn aumento da zona tracionada e da compressao a jusante e assirn progressivamente, limitando-se a tensao de compressao a jusante pelo valor da tensao de compressao admissivel na rocha de fundagao e/ou do concreto. Foi adotado como criterio de seguranga para verificagao das tensoes na base, o seguinte: 0 valor da tensao de compressao maxima nao devera exceder a tensao maxima admissivel a compressao da rocha de fundagao e/ou do concreto. A resistencia do contato concreto-rocha as tensoes de tragao impostas a desprezada. A extensao da zona tracionada nao devera ser major do que 10% do comprimento total da base. Nessas condigoes despreza-se o acrescimo do diagrama de subpressao nesse trecho de formagao de fissura. Os carregamentos considerados foram: - cargas devido ao peso prbprio: peso das estruturas de concreto mais o equipamento fixo. Peso especifico do concreto adotado foi de 22 kn/m3 de acordo corn os ensaios de peso especifico realizados nas amostras de testemunhos retirados no paredao do canal adutor e na barragem principal. - Cargas hidrostaticas - Subpressao no caso de. estruturas corn sistema de alivio foi adotado o criterio de subpressao reduzida recomendado pelo U.S. Bureau of Reclamation. - Cargas de aterro ou assoreamento Paredao do Canal Adutor Corn relacao a execucao dos contrafortes, embora nao esteja explicitamente indicado, a documentacao existente, mostra que foram executados corn o n(vel d'agua no canal adutor na elevacao de operacao normal, variando de 139,50m a 140,00m. Nessas condigoes, considerando-se que nao houve rebaixamento do n(vel d'agua para execucao dos contrafortes nao pode ter havido mobilizagdo de esforgos do paredao sobre os contrafortes devido a empuxo hidrostatico, uma vez que a El. 140,00m ja a o n(vel maximo d'agua no canal adutor. Considerando-se a geometria dos contrafortes associada a inclinagao do paramento de jusante do paredao, em princ(pio, pode-se admitir que para as condicoes imediatamente apbs a construcao, os contrafortes descarregam parte do seu peso sobre o paredao sendo a outra parte transmitida diretamente a fundagao. Poderia ser admitida uma mobilizagao dos contrafortes por transferencia dos esforcos devidos ao empuxo hidrostatico no paredao, considerando- se as deformagoes decorrentes da aplicacao dessa carga atuando permanentemente sobre a estrutura por um tempo longo, como a o caso real. No entanto, uma analise mais aprofundada dessa interligagdo considerando os efeitos da deformarao lenta da estrutura foge ao Ambito do presente estudo. Portanto, a fim de avaliar tanto a situarao da mobilizagdo de esforgos nos contrafortes correspondente a execucao dos contrafortes corn NA rebaixado (1 caso), como a que se considera mais provavel de ter ocorrido, ou seja execucao dos contrafortes corn NA sem ser rebaixado 12 caso), essas duas hipbteses foram consideradas. Foi analisada ainda a hipbtese que considera o equilibrio do paredao submetido ao esforco decorrente do peso dos contrafortes nele apoiados na face de jusante, simultaneamente ao rebaixamento do n(vel d 'Agua a montante, tendendo a tombar o muro no sentido de jusante para montante. Esses casos de carregamento foram considerado conforme indicados a seguir: XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS -

11 10 Caso : CCN - Hipbtese : Houve mobilizagao dos contrafortes devido a deformagao lenta da estrutura do paredao. Funcionamento conjunto paredao - contraforte. Nivel d 'agua a montante El. 140,00 Subpressao total atuando apenas na base do paredao Segao resistente na base considerando contraforte mais respectiva Area de influencia no paredao. Material assoreado a montante ate El. 129,00 2 Caso: CCN - Hipbtese : Nao houve rebaixamento do nivel d 'agua para execugao dos contrafortes. Nao ha mobilizagao dos contrafortes. - Nivel d 'agua El. 140,00 - Subpressao total atuando apenas na base do paredao - Componente PN do peso do contraforte atuando sobre a face de jusante do paredao. Componente PT desprezada - Segao resistente na base considerando apenas o paredao - Material assoreado a montante ate a El. 129,00 3 Caso : CCL - Hipbtese : Nao houve rebaixamento do n(vel d'agua para execugao dos contrafortes. Verificagao necessaria para poss (vel abaixamento total do NA de montante nas condigoes atuais. N(vel d 'agua a montante El. 120,00 Componente PN do peso do contraforte atuando sobre a face de jusante do paredao. Components PT desprezada - Segao resistente na base considerando apenas o paredao Sem material assoreado a montante. 0 resumo dos resultados dos calculos desenvolvidos encontram -se na Tabela 2 onde sao apresentados os coeficientes de seguranga obtidos nas verificaloes da estabilidade ao deslizamento, tombamento e flutuagao, bern como as tensoes maximas e m(nimas na fundagao calculadas na verfficagao da seguranga das estruturas pelos criterios das tensoes. 9. DIAGNOSTICO DAS ESTRUTURAS 9.1 Estado geral do concreto As principals anomalies registradas nas inspegoes de campo, campanha de sondagens corn extragao de testemunhos, ensaios de laboratbrio, instalagao e instrumentagao de auscultagao e sues leituras podem ser resumidas como segue: Carbonatacao - Intensa nos paramentos de jusante, devido ao alto teor de calclo do cimento que em presenga das Aguas de infiftragao provoca uma reagao qulmica nociva ao concreto. - XD( SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS

12 Infiltragoes - generalizadas nos paramentos de jusante, consequencia da falta de adensamento adequado durante a construgao e excessive porosidade do concreto. Composigao do concreto - corn baixo teor de cimento, sem controle da granulometria do agregado graudo. Seareoacoes - intensas na massa de concreto, consequencia da nao vibragao do concreto durante a construgao. Desgaste superficial - pronunciado no concreto nas regioes submetidas a grandes velocidades de agua. Juntas de concretagem abertas - consequencia do desconhecimento na epoca da construgao dos processor de tratamento adequado das juntas de concretagem. Fissuragoes - de origem estrutural provocadas por recalques diferenciais e/ou dimensionamento estrutural inadequado. As infiltragoes existentes no concreto, responsaveis por umidade praticamente generalizada nas areas dos paramentos de jusante, devem-se aos seguintes fatores: - dificuldades de preparagao de superficies de concretagem na epoca. Mesmo atualmente quando sao utilizadas tecnicas avangadas para retirada da nata de cimento superficial por jatos de alta pressao e use de concretos pre-refrigerados, que melhoram a aderencia entre camadas sucessivas, ainda assim as juntas de concretagem apresentam-se como locals preferenciais para passagem de agua. use de concreto com baixo consumo de cimento levando em conta o diametro maximo do agregado, o que torna o concreto bastante poroso e consequentemente permeavel. As dosagens atuais utilizam quantidades de cimento inclusive mail baixas que a utilizada pars o projeto Ilha dos Pombos (aproximadamente 183 kg/m3), porem com a utilizagao de diametros maximos de agregado de 152mm, o que permite diminuir a porcentagem de argamassa, e consequentemente a relagao a/c, tornando o concreto menos poroso em relagao a concretos de mesmo consumo e diametros menores de agregado. inexistencia de vibragao do concreto na epoca causando grande quantidade de segregagoes na massa. As tecnicas de vibragao em concreto de massa foram utilizadas pela primeira vez nos Estados Unidos por volta de 1928 (vibragao de superficie), sendo que a vibragao eficiente por imersao comegou a ser utilizada por voila de Nos registros existentes comentam-se que as infiltragoes causaram umidade em grandes areas do paramento de jusante e em pontos localizados, tao logo o canal adutor foi alagado. As injegoes realizadas, no paredao do canal adutor implicaram em sensivel redugao das infiltragoes, atuando principalmente sobre os vazios existentes no concreto (segregagoes) e nas fissuras. As grandes infiltragoes sob pressao praticamente desapareceram, permanecendo as infiltragoes menores, pelas juntas de concretagem. Corn efeito, as aberturas nas juntas de concretagem sao geralmente muito diminutas e as injegoes nao sao eficientes em aberturas menores que 0,5mm. 9.2 Estabilidade das estruturas Avaliagao dos Coeficientes de Seguranga Obtidos a Luz dos Criterios Atuais. Considerando-se os resultados obtidos na analise de estabilidade global das estruturas de concreto, em relagao ao piano da base (contato concreto-rocha), cujos valores se acham resumidos na tabela 2, comparados aos valores m(nimos admissiveis estabelecidos pela Comissao de Seguranga do Comite Brasileiro de Grandes Barragens pode-se concluir: a) Deslizamento - nenhuma estrutura apresenta coeficiente de seguranga global ao deslizamento menor que o admissfvel (1,0). Na maioria dos casos esse valor a largamente excedido. Os valores do angulo de atrito (40o) e da coesao (0,70 MPa) adotados para o contato concreto-rocha sao conservativos considerando-se a qualidade do concreto e da rocha de fundagao conforme os resultados dos ensaios desses materials. Portanto, a luz dos criterios de seguranga atuais considera-se satisfeita a condigao de seguranga do deslizamento por piano de rutura nas proximidades da base para todas as estruturas. Quanto a possibilidade de deslizamento por alguma descontinuidade na fundagao, esta foi descartada em virtude das inspegoes de campo terem evidenciado urn macigo gnaissico sao em Coda extensao das fundagoes, tanto da barragem principal como do paredao do canal adutor. b) Flutuagao - nenhuma estrutura apresenta coeficiente de seguranga a flutuagao inferior aos minimos admissiveis pelos criterios atuais. c) Tombamento - para verificagao ao tombamento foram estabelecidos coeficientes de seguranga menores do que os atualmente estipulados pelo Comite de Seguranga do CBGB (Tabela 1) por duas razoes basicas. Primeiramente pelo fato de os coeficientes atuais serern aplicaveis a obras em projeto onde ha necessidade de serem cobertos riscos devidos a incertezas sobre a resposta da esln itura a aplicagao da carga XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS -

13 hidrostatica e outros fatores como por exemplo o tempo de enchimento do reservatbrio. No caso especffico de Ilha dos Pombos ha que ser considerado a idade das estruturas sem apresentar a evidencia de movimentos ou problema de estabilidade. Em segundo, o pr6prio significado do crit6rio de seguranr a ao tombamento que 6 pobre, sendo preferfvel substituf-lo por crit6rios que limitem as tensoes m'ximas de compressao na base e, tam bem, a extensao da zona tracionada. Considerando - se os valores de coeficientes de seguranra ao tombamento estabelecidos de 1,5; 1,3; e 1,1 pars os casos CCN, CCE e CCL, respectivamente, apenas os seguintes casos nao atendem a esses valores mfnimos conforme tabela 2. Barragem principal tipo gravidade - caso unico - CCN Paredao do canal adutor - 2 caso - CCN. d) Tensao a montante admitindo-se que haja resistdncia a tracao no contato concreto-rocha, conforme pode-se observar pela tabela 2, em todas estruturas e em todos os casos analisados, a tensao a montante calculada sem levar em conta a subpressao 6 maior do que a tensao minima admissfvel. e) Verificagcio das tensoes a montante e a jusante, admitindo-se que nao h6 resistencia a tragao no contato concreto-rocha. Foi adotado o crit6rio que limita a extensao da zona tracionada a 10% do comprimento da base e a tensao de compressao a jusante ao valor da tensao de compressao admissfvel da rocha de fundagdo e/ou do concreto. t considerado o criterio mais adequado a verificarao da estabilidade das estruturas e 6 com base nele que serao dimensionadas as obras de reparo. A tabela 3 estabelecida em funcao das tensoes calculadas, indica para cada estrutura os casos de carga onde a extensao da zona tracionada 6 maior que 10% do comprimento da base. 10. CONCLUSOES E RECOMENDA(;OES As seguintes conclusoes e recomendag6es foram delineadas: As estruturas que compoem a usina deverao ser reformadas na sua totalidade de modo a garantir o seu funclonamento dentro de crit6rios atuais de seguranga, ampliando significativamente sua vida util. As obras de reparo deverao interferir o mfnimo possfvel na operacao da usina. Os estudos realizados merecem ser aprofundados e as investigag6es de campo e laborat6rio ampliadas. TABELA I COEFICIENTE DE SEGURANQA CONDICOES DE CARREGAMENTO CCN CCE CCL CSDc ou C = coeficiente de seguranra contra o 4,00 deslizamento correspondente somen- 3,0 (*) 3,0 1,5 to a coesao (minoracfio da resistoncia relativa a coesao). CSD q5 ou q = coeficiente de seguranca contra o 2,0 deslizamento correspondente somen- 1,5 (") 1,4 1,1 to ao atrito (minoracao da relativa ao atrito) CSD = coeficiente de seguranga ao desliza- 1,0 1,0 1,0 mento mfnimo global. CSF = coeficiente de seguranca mfnimo con- 1,3 1,2 1,1 tra a flutuacao. CST = coeficiente de seguranca mfnimo ao tombamento 1.5 (**) 1.3 (**) 1,1 (**) * Os valores inferiores correspondentes a um conhecimento adequado das condicbes da rocha de fundacao. ** Valores do coeficiente de seguranga inferiores aos recomendados pela comissao de seguranca do Comity Brasileiro de Grandes Barragens. - XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS -.55-

14 TABELA 2 - RESUMO DOS RESULTADOS ESTRUTURA USINA HIDRELETRICA DE ILHA DOS POMBOS ANALISE DE ESTABILIDADE - ESTRUTURAS NA SITUAcAO ATUAL CASOS DE CARGA COEF. DE SEGURANQA Desliz. Tomb. Flut. MIN. ADM. Min. adm. TENSOES (t / m2) CARREL Min. mont. CARREL. + SUB-PRESSAO Montante usante TOMADA VAGUA 1 Stop logs mont.-fechados (CCE) 3,74 1,72 1,73-51,0 5,05-3,90 10,39 DO CANAL ADUTOR 2 Stop logs jusante -fechados(cce) 5,15 3,33 2,15-52,0 5,40-2,10 10,39 3 Stop logs mon- jus-fechados (CCL) 6,37 1,30 1,10-111,0 7,41-1,10 2,65 BARRAGEM PRIN- 1 Caso unico CCN) 3,00 1,30 2,31-29,0 2,46-8,07 22,92 CIPAL TIPO GRAVIDADE COMPORTA CANAL 1 Comportas fechadas (CCN) 6,69 2,93 1,65-29,0 11,72 1,98 5,37 SUL BARRAGEM PRINCIPAL TIP01 2 Stop logs mont. fechados (CCE) 6,56 1,98 1,36-49,0 9,27-0,47 5,69 3 Stop logs mont.jus-fech. (CCL) 12,73 1,75 1,31-109,0 8,67-0,85 5,13 COMPORTA CANAL 1 Comportas fechadas (CCN) 2,73 1,66 2, 22-19,0 12,13-6,07 51,35 SUL BARRAGEM PRINCIPAL TIPO 2 2 Stop logs mont. fechado (CCE) 2,71 1,48 2,17-39,0 8,01-9,29 32,51 3 Stop logs mont.jus. fech. (CCL) 4,43 1,78 1,60-99,0 14,67-3,32 22,31 BARRAGEM CANAL 1 N.A. 133-Empuxo Hidrost.(CCN) 5,09 2,15 1,92-30, 0 9,81 0,48 9,35 SULAJUSANTE 2 N.A.133-EmpuxoHidrost. (CCL) 7,03 1,10 1,92-110,0 1,20-8,13 17,90 COMPORTAS 1 Comportas fechadas (CCN) 5,61 6,19 2,32-25,0 36,71 15,82 8,10 CANAL NORTE 2 Stop logs mont. fechados (CCE) 5,57 5,59 2,19-45,0 31,05 13,50 8,01 COMPORTAS 1 Comp. Tech. poco cheio (CCN) 4,63 10,32 1,75-27,0 33,23 15,52 1,03 TICAS CANAL NORTE 2 Stop logs Tech. poco vazio (CCE) 4,06 4,50 1,17-47,0 25,92 8, 21-4,38 PAREDAO DO 1 Canal cheio-bloco 6nico (CCN) 1,87 1,70 2,40-20,0 6,70-10,19 46,02 CANAL ADUTOR 2 Canal cheio-contr Comocarga (CCN) 1,52 0,92 2,10-20,0-7,01-26,55 49,10 3 Canalvazio-Contr.Comocarga(CCN) 00 10, ,0 45,63 45,65 3,58 TOMADA D'AGUA DA 1 Caso 6nico (CCN) 5,70 2,58 2,63-27,0 7,50-5,92 32,25 USINA (J M IN. MON = Tensao Minima a Montante sem levar em costa a subpressao (J MIN. ADM. = YH - (J ADM 'icntcs ^nsa^c `U ricks CCN CCI. CCI. 1,0 1,0 1,0 1,5 1, ,3 1,2 1,1 fck = 120 Kgf/cm 2 c = 7,0 Kgf/cm Ocr = 400 TABELA 3 E S T R U T U R A CASO DE CARGA EXTENSAO DA ZONA TRACIONADA 1 CCE 0,25B Tomada d'3gua do canal adutor 2 CCE 0,15B 3 CCL 0,308 Barragem principal Tipo Gravidade 1 CCN 0,268 Comportas do Canal Sul-Barragem Principal Tipo 1 2 CCL 0,14B 1 CCN 0,16B Comportas do Canal Sul-Barragem Principal Tipo 2 2 CCE 0,226 3 CCL 0,1313 Barragem Canal Sul a jusante 2 CCL 0,31 B Comportas autom3ticas do canal norte 2 CCE 0,358 1 CCN 0,188 ParedAo do Canal Adutor 2 CCN 0,3513 Tomada d' 3gua da usina 6nico CCL 0,31 B _56- - XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS -

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