Implantação de Monitoramento da Barragem de Salto Caxias através de Auscultação Geodésica

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1 Implantação de Monitoramento da Barragem de Salto Caxias através de Auscultação Geodésica Pedro Luis Faggion, Luis A. Koenig Veiga, Silvio Rogério Correia de Freitas, Carlos Aurélio Nadal Universidade Federal do Paraná UFPR, Curitiba, Brasil Marcos Alberto Soares, Elizeu Santos Ferreira Companhia Paranaense de Energia COPEL, Curitiba, Brasil Roberta Bomfim Boszczowski, Paulo Roberto Chamecki Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento LACTEC, Curitiba, Brasil RESUMO: O fornecimento de energia elétrica é um fator tão importante que torna imperativo e fundamental o monitoramento das grandes usinas. Um dos objetivos principais é a prevenção de possíveis situações que venham a interromper ou diminuir a geração de energia, além da segurança da própria barragem. Nesse quadro, a contribuição da Geodésia mais comumente empregada, está pautada na análise dos dados obtidos em levantamentos geodésicos anteriores e posteriores à formação do reservatório, determinando as deformações verticais da crosta ocorridas com a formação do mesmo. O presente trabalho apresenta a implantação de uma rede de monitoramento geodésico na barragem da Usina de Salto Caxias que, ligada à rede geodésica já implantada adjacente ao reservatório, poderá representar espacialmente as variações das coordenadas dos pontos de monitoramento. A auscultação geodésica será um instrumento de análise do comportamento da barragem quando submetida às mais diferentes condições de carga e ambientais. PALAVRAS-CHAVE: Monitoramento, Barragens, Auscultação Geodésica. 1 INTRODUÇÃO As barragens são obras geralmente associadas a um elevado potencial de risco devido à possibilidade de um eventual colapso, com consequências catastróficas para as estruturas das próprias barragens, ao meio ambiente e, principalmente, colocando em risco vidas humanas (Ministério da Integração Nacional, 2002). Tendo em vista os prejuízos que problemas nas estruturas de barragens podem representar, apresenta-se neste trabalho a implantação de uma rede geodésica para o monitoramento de grandes barragens. No Brasil, as técnicas geodésicas para o monitoramento de estruturas ainda são pouco conhecidas e aplicadas (Granemann, 2005). De acordo com Departament of Army (1994), os procedimentos gerais para monitorar a deformação de uma estrutura envolvem a medida de deslocamentos espaciais de pontos selecionados (alvos), a partir de pontos de referência, os quais tem suas posições controladas. Quando os pontos de referência estão localizados na estrutura, apenas deformação relativa pode ser determinada. Deformações absolutas ou deslocamentos podem ser determinados se os pontos de referência são locados fora da estrutura ou da região afetada pela represa ou reservatório. As técnicas de mensuração geodésicas visam determinar se um ponto ou conjunto destes, sofre variação em suas coordenadas ao longo do tempo, ou seja, se houve algum deslocamento dos mesmos. As medidas com a finalidade de monitoramento devem ser feitas tanto verticalmente como horizontalmente, com o objetivo de determinar as coordenadas tridimensionais dos pontos. Algumas técnicas para estas determinações são: triangulação geodésica, poligonação, nivelamento geométrico de precisão e determinação de coordenadas utilizando o GPS (Global Positioning System). Em trabalhos de monitoramento de grandes estruturas é comum associar estas diferentes técnicas, como o

2 posicionamento por GPS para a determinação das coordenadas planas dos pontos e o nivelamento geométrico de precisão para o controle altimétrico. Entre os trabalhos que relatam a aplicação de técnicas de levantamento de pontos para fins de monitoramento, pode-se destacar o de Pretorius et al. (2001). Neste trabalho é apresentado um estudo para implantação de monitoramento através de técnicas geodésicas na Usina Hidrelétrica de Salto Caxias, situada no Rio Iguaçu, estado do Paraná. A Usina possui uma capacidade instalada de 1240 MW de potência. A barragem apresenta 67 metros de altura e 1083 metros de comprimento e é do tipo gravidade em CCR (concreto compactado a rolo) (COPEL, s.d.). A barragem apresenta duas galerias internas de inspeção. O sistema de auscultação geodésica foi desenvolvido com a implantação de uma rede de monitoramento a jusante do reservatório, formado por seis pilares de concreto engastados na rocha, e dotado de sistema de centragem forçada. Esta rede servirá para realizar o monitoramento externo do muro que forma a barragem e também para apoiar uma poligonal geodésica de alta precisão que será conduzida no interior das galerias da mesma. dois blocos se moveram e em que sentido. Cabe salientar que, para que isto seja possível, existe a necessidade de que a rede geodésica de monitoramento esteja referenciada a pontos considerados estáveis, principalmente no que tange às técnicas convencionais de monitoramento. Monitorar um ponto, de acordo com o posicionamento geodésico, significa determinar e comparar as suas coordenadas em duas épocas distintas, e verificar se, dentro de um certo nível de confiabilidade, houveram variações significativas nestas coordenadas. A determinação de coordenadas de pontos empregando-se técnicas geodésicas está fundamentada na medição de grandezas como direções (horizontais e verticais), distâncias e desníveis, a partir das quais, indiretamente é possível computar as coordenadas de um ponto. Para tanto são empregadas técnicas como poligonação, trilateração e triangulação, nivelamento geométrico e irradiação. (A) (a) (B) 2 AUSCULTAÇÃO GEODÉSICA (A) (B) A instrumentação convencional de segurança de barragens (como pêndulos e extensômetros) permite a determinação de deslocamentos relativos, enquanto o uso de técnicas geodésicas conduz a determinação de deslocamentos absolutos, permitindo quantificar a magnitude e direção dos mesmos. Com isto pode-se ter uma idéia do comportamento global da estrutura que esta sendo monitorada. Como ilustrado na Figura 1(a), empregando-se extensômetros é possível determinar se houve alguma variação entre o bloco A e o bloco B, porém não é possível determinar individualmente qual dos dois blocos que se moveu. Já se empregando técnicas geodésicas, as coordenadas de pontos localizados em cada um dos blocos pode ser determinada em relação a um referencial fixo e estável (Figura 1(b)). Desta forma, é possível analisar qual dos dois blocos ou mesmo se os (b) Figura 1. Monitoramento relativo (a) e absoluto (b). 3 MONITORAMENTO DE SALTO CAXIAS O projeto de monitoramento elaborado para a Usina de Salto Caxias pode ser dividido em três componentes principais: a rede de nivelamento geométrico, rede externa e rede interna de monitoramento. 3.1 Rede de Nivelamento Geométrico

3 A rede de nivelamento é composta por um conjunto de RRNN implantadas na margem direita e esquerda do reservatório (um total de 80km), em 1996, ao longo da malha viária que cobre a região. Esta rede foi inicialmente nivelada antes mesmo do enchimento do reservatório (Nadal et al., 2004). Cabe salientar que é empregada a técnica de nivelamento geométrico pelo método das visadas iguais. Com estes nivelamentos pretende-se observar a existência ou não de variações na estrutura no sentido do eixo Z. 3.2 Rede Externa A rede externa de monitoramento é constituída por uma rede de pilares de centragem forçada e dos pontos de monitoramento fixados na face a jusante da barragem. Esta rede serve de apoio para os trabalhos de monitoramento de pontos localizados na face externa da barragem, sendo que dois pilares são empregados também como apoio para a realização das poligonais de monitoramento executadas dentro das galerias de inspeção. Na escolha da localização dos pontos desta rede buscou-se identificar locais de onde fosse possível realizar medições que fossem estáveis, para garantir a rididez da rede. A Figura 2 apresenta a disposição dos pontos da rede de pilares. Figura 3. Pilares da rede externa de monitoramento. A partir desta rede externa são feitas as observações nos pontos posicionados a jusante da barragem. Estes pontos são materializados através de prismas que foram fixados de forma permanente na estrutura, para facilitar os procedimentos de medição e evitar problemas de posicionamento em diferentes campanhas. Foi implantado um sistema para proteção dos prismas, uma vez que estes estão expostos a intempéries (Figura 4). Estes pontos são monitorados empregando-se uma estação total robotizada (TCRA 1205) que permite a busca e pontaria automática nos prismas, não necessitando desta forma de realizar a pontaria de forma manual. Os pilares da rede externa tiveram as suas altitudes determinadas por nivelamento geométrico. Figura 2. Disposição dos pontos da rede externa de monitoramento. Esta rede é composta de seis pilares com dispositivos para centragem forçada, que de acordo com a literatura permitem a centragem com um erro entorno de 0,1mm. Um dos pilares é apresentado na Figura 3. Figura 4. Proteção para os prismas na face a jusante da barragem. 3.3 Rede de Monitoramento Interno A Usina de Salto Caxias apresenta uma característica particular que são duas galerias de inspeção na barragem (Figura 5), com isto optou-se também por realizar o monitoramento

4 de pontos internamente a barragem. Para que isto fosse possível, foi necessário planejar e conduzir uma poligonal, apoiada em pontos da rede externa, para a determinação das coordenadas dos pontos internos. Um trabalho inicial foi o levantamento em 3D das galerias empregando-se uma estação total que permite a leitura da distância empregando-se laser, sem a necessidade da utilização de prismas. Este levantamento foi empregado para realizar o planejamento da poligonal, buscando identificar os pontos onde seriam instalados os pontos a serem monitorados. Figura 5. Esquema da galeria de inspeção. Uma característica particular decorrente da poligonal ser conduzida nos corredores das galerias de inspeção é a existência de pontarias com valores de ângulo zenital inferiores a 50º e visadas com até 3 metros de comprimento, nos locais onde a galeria muda de direção. Este último fato demandou um estudo para o desenvolvimento de dispositivos especiais para a pontaria angular, uma vez que os levantamentos efetuados usando prismas para a pontaria mostram-se não eficientes. A Figura 6 apresenta um dos dispositivos construídos. Este permite a realização da pontaria angular, bem como o encaixe do prisma para a medição da distância. Adicionalmente houve a necessidade de empregar sistema para realizar a iluminação dos alvos e prismas dentro da galeria para que fosse possível realizar as pontarias. Estes sistemas foram elaborados empregando-se baterias e lâmpadas dicróicas. Figura 6. Dispositivo para pontaria angular de alvos. O comprimento da poligonal superior e inferior é superior a 1.000m e o número de pontos monitorados é superior a 100. Cabe salientar que tanto a rede externa como a interna, objetivam determinar as coordenadas planas (X e Y) dos pontos. Possíveis variações em cota na estrutura são determinadas pela técnica de nivelamento. 3.4 Seleção dos Pontos a Serem Monitorados O processo de seleção de pontos para monitoramento transcorreu concomitantemente ao planejamentos das redes de monitoramento, pois em função da posição dos pontos a serem monitorados as redes deveriam ser planejadas. Dois itens principais nortearam a escolha dos pontos: os elementos a serem monitorados, como junção de blocos e fissuras, por exemplo, e o número total de pontos. Um grande número de pontos a serem monitorados pode tornar o levantamento oneroso e não produtivo. Dentro das galeria, a distribuição de pontos nas junções de blocos e fissuras foi realizada de forma a que estes elementos estivessem distribuídos a montante e jusante (dois a montante e dois a jusante). A Figura 7 ilustra esta idéia.

5 Figura 7. Distribuição dos pontos de monitoramento nas galerias. Na face externa a jusante da barragem foram distribuídos 35 pontos, sendo 32 localizados nas fissuras e 5 nas comportas e ombreira direita. Em 18 pontos localizados na escadaria a jusante foram fixados prismas. Um ponto interessante é que as fissuras 1 2 e 3, à esquerda das comportas, são monitoradas tanto externamente como internamente, conforme ilustra a Figura 8. Figura 8. Monitoramento da junção de blocos externa e internamente. A Figura 9 apresenta um esquema geral dos elementos empregados dentro do monitoramento geodésico da Usina. Figura 9. Monitoramento da junção de blocos externa e internamente. 4 CONCLUSÕES O monitoramento de grandes estruturas é fundamental para sua segurança e as técnicas geodésicas vêm proporcionar informações adicionais aos responsáveis por esta área. Neste trabalho foi apresentado o desenvolvimento de uma rede de monitoramento de grandes barragens através de técnicas geodésicas. Com a aplicação da auscultação geodésica no monitoramento de barragens, disponibiliza-se aos técnicos da Usina informações sobre as coordenadas dos pontos monitorados em diferentes épocas do ano, possibilitando analisar possíveis deslocamentos de forma global, uma vez que os pontos externos e internos terão suas coordenadas referidas a um único sistema de referência. AGRADECIMENTOS Este projeto é uma parceria entre a ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica), COPEL (Companhia Paranaense de Energia Elétrica), UFPR (Universidade Federal do Paraná, através do Departamento de Geomática) e o LACTEC (Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento). REFERÊNCIAS

6 COPEL Companhia Paranaense de Energia. (s.d.) Usina Hidroelétrica de Salto Caxias. Energia para o terceiro milênio. Publicidade. Department of Army U. S. Army Corps of Engineers. (1994). Manual Deformation Monitoring and Control Surveying, Washington, DC. Granemann, D. C. (2005). Estabelecimento de uma rede geodésica para o monitoramento de estruturas: estudo de caso na usina hidrelétrica Salto Caxias. Dissertação de Mestrado. Curso de Pós-Graduação em Ciências Geodésicas. Universidade Federal do Paraná. 108 p. Ministério da Integração Nacional. (2002). Manual de Segurança e Inspeção de Barragens. 148 p. Brasília. Nadal, C. A., Veiga, L. A., Faggion, P. L., Freitas, S. R. C. de, Zocolotti Filho, C. A., Granemann, D. C., Lopes, C. R., Santos, D. P. dos. (2004) Integração da Auscultação Geodésica com a Instrumentação de Controle e Segurança da Barragem de Salto Caxias. Relatório Técnico, Universidade Federal do Paraná. Pretorius, C. J., Schmidt, W. F., van Staden, C. S., Egger, K. (2001). The extensive geodetic systems used for the monitoring of a 185 metre high arch dam in southern africa. 10 th. International Symposium on Deformation Measurements. Orange, Califórnia.