A Utilização do GPS em Sistemas de Aviso e Alerta em Grandes Barragens de Aterro

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1 A Utilização do GPS em Sistemas de Aviso e Alerta em Grandes Barragens de Aterro Laura Caldeira, João Casaca, João Bilé Serra, Maria João Henriques e Nuno Lima Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Lisboa, Portugal RESUMO: A observação de barragens de aterro baseia-se, entre outras, na medição periódica, a longo prazo, de pequenos movimentos estruturais. Recentemente têm surgido novos sistemas de medição dos movimentos tridimensionais, alguns deles capazes de fornecer dados contínuos quase em tempo real. Entre estes, salienta-se o sistema de posicionamento global (GPS), o qual elimina a dependência da linha de visada das campanhas de observação e permite a medição de maiores áreas e de um número mais elevado de pontos. Na presente comunicação apresentam-se as condições de aplicação deste tipo de sistemas na monitorização de situações extremas ou de emergência, designadamente, em sistemas de aviso e alerta de grandes barragens de aterro. PALAVRAS-CHAVE: Estação permanente, Global Positioning System (GPS), Barragens de aterro, Sistemas de Aviso e Alerta. 1 INTRODUÇÃO A observação de barragens de aterro baseia-se, entre outras, na medição periódica, a longo prazo, de pequenos movimentos estruturais. As frequências de observação são estabelecidas em função da importância relativa dos dados dos equipamentos em termos de segurança da estrutura e da fase de vida da barragem. Em barragens de aterro de grande dimensão ou de elevado risco potencial, a observação começa no início da construção para validação das hipóteses consideradas na fase de projecto. Prossegue durante as fases de primeiro enchimento, para determinação da resposta da estrutura ao carregamento inicial, ou de esvaziamento rápido, para avaliação das condições de estabilidade. Na fase de exploração distinguem-se dois períodos de observação, aos quais correspondem exigências diferenciadas. No primeiro período de exploração (em geral, de 5 anos após o primeiro enchimento) os resultados de observação são utilizados na constituição de uma base de dados e a sua análise permite revelar tendências de desempenho estrutural e calibrar os modelos de cálculo utilizados no dimensionamento e na previsão do comportamento da barragem. No restante período de exploração, serve para proceder à avaliação da segurança com base na comparação dos resultados obtidos com os registados previamente em condições semelhantes ou em modelos de comportamento devidamente calibrados. Recentemente têm surgido novos sistemas de medição dos movimentos tridimensionais, alguns deles capazes de fornecer dados contínuos quase em tempo real, os quais podem ser recolhidos num computador local ou transmitidos directamente para qualquer outra localização. Entre estes, salienta-se o sistema de posicionamento global (GPS). A utilização destes sistemas pode vir a influenciar, não apenas a quantidade e a fiabilidade da informação disponível, mas também as técnicas de pós processamento correntemente empregues. Idealmente estes sistemas devem possuir as seguintes características: durabilidade e robustez comprovadas, simplicidade de utilização e de manutenção, fornecimento de conjuntos de dados fiáveis e regulares e uma intervenção mínima de pessoal técnico para leitura dos equipamentos. Deve igualmente ser tida em conta a segurança do equipamento relativamente a roubos ou a actos de vandalismo. O GPS constitui um método de monitorização tridimensional, que elimina a dependência da linha de visada das campanhas

2 de observação e permite a cobertura de maiores áreas e de um número mais elevado de pontos. Com este sistema, as estratégias de observação variam desde a ocupação esporádica dos pontos de observação à recolha contínua de dados gravados, através de receptores GPS permanentemente instalados. O sucesso de qualquer sistema de observação GPS depende do ambiente de observação. Quer a geometria dos satélites quer o ruído não modelado são um problema na observação das barragens, onde os pontos de observação tendem a ser adjacentes a paramentos, restringindo a visibilidade dos satélites e ampliando os erros de multitrajecto. A monitorização contínua é presentemente apenas viável num pequeno número de pontos, devido ao elevado custo associado à sua instalação (permanência em cada ponto de observação de um receptor GPS, de uma antena e de uma ligação para comunicação). É utilizada, como complemento útil de sistemas de observação convencionais, na materialização da componente relativa ao processo de identificação de circunstâncias anómalas, a incluir nos sistemas de aviso e alerta dos Planos de Emergência das barragens de aterro. Em zonas de forte sismicidade, a rede GPS poderá ainda ser utilizada para a observação da estabilidade da área envolvente da albufeira e para verificar e actualizar as posições dos pontos fixos das redes tradicionais. Para a sua utilização devem ser ponderados factores como as dificuldades de acesso às barragens depois da ocorrência de eventos extremos, bem como a necessidade de observação contínua em situações de emergência. 2 OS SISTEMAS DE ALERTA O Capítulo do Regulamento de Segurança de Barragens (RSB, 1990), intitulado Medidas de Protecção Civil, exige o estabelecimento de medidas especiais com vista à protecção de pessoas e bens em caso de acidentes em barragens. As medidas compreendem o estudo de ondas de inundação resultantes de eventuais acidentes (com a determinação das zonas inundáveis e das respectivas alturas máximas de água e do tempo de chegada) e a elaboração de uma carta de riscos, que servirá de base à definição das estratégias de protecção em diferentes zonas. Complementarmente, impõe a elaboração de um Plano de Emergência e o estabelecimento de um sistema de aviso directo às populações potencialmente afectadas pela onda de inundação e de alerta às entidades intervenientes na gestão de emergência. Em fase posterior à aprovação do referido regulamento, o Serviço Nacional de Bombeiros e Protecção Civil e o Instituto da Água propuseram a diferenciação de dois tipos de Planos de Emergência complementares: (i) o Plano de emergência Interno (PEI), relativo à barragem e às suas condições de segurança e (ii) o Plano de Emergência Externo (PEE), referente à protecção de pessoas e bens localizados no vale a jusante da barragem, potencialmente afectados por uma onda de cheia induzida por um acidente ocorrido com a barragem. O PEI deve conter: (i) um conjunto de procedimentos relativos à monitorização meteorológica e à observação estrutural e hidráulica da barragem, com vista à identificação de ocorrências excepcionais ou de circunstâncias anómalas; (ii) as medidas de contingência a implementar em situações anómalas, incluindo a definição da cadeia de decisão e dos recursos necessários; e (iii) o sistema de aviso à população no vale nas imediações da barragem e de alerta ao centro operacional de protecção civil. O PEE deve contemplar o inventário dos meios e recursos disponíveis e os procedimentos a seguir pelo Sistema de Protecção Civil, com vista a garantir a segurança de pessoas e bens. À ocorrência das causas e à subsequente geração e desenvolvimento dos cenários de rotura de natureza estrutural estão, quase sempre, associadas variações anormais de deslocamentos superficiais. Deste modo, a monitorização contínua através de redes GPS deverá ser equacionada no contexto da elaboração do PEI, numa primeira fase, como meio de identificação de ocorrências excepcionais ou de circunstâncias anómalas e, em fase posterior, acoplado a sistemas de aviso e alerta adequados.

3 A sua monitorização contínua permite a identificação atempada de um eventual modo de rotura em progressão e o estabelecimento de critérios adequados de alerta, que de outra forma não seriam elegíveis como tal por impossibilidade prática. Os critérios de alerta são os limites de um ou de vários resultados da observação, que, se excedidos, devem desencadear medidas prédeterminadas, de modo a evitarem a ocorrência de danos (Olson et al., 2002). Os limites de alerta devem ser definidos sem ambiguidade, podendo ser estabelecidos em termos de valores absolutos das grandezas observadas, de taxas de variação ou de tendências de variação. Deverão ser criteriosamente seleccionados, de modo a possibilitarem a discriminação dos eventos e a terem em conta a ocorrência de falsos alarmes e de alarmes falhados.os critérios de alerta devem ser definidos a partir do tempo deterioração e do tempo que demora a implementar um ciclo de recuperação (tempo de actuação), o qual inclui a detecção, a interpretação e a análise dos dados de observação, a tomada de decisão e a implementação da acção de contingência ou de emergência. A sua detecção num estágio de desenvolvimento inicial é crucial para permitir que a reabilitação se processe. Em barragens, em Portugal, tem-se vindo a adoptar uma estratégia de planeamento de emergência baseada em quatro níveis de alerta: azul, amarelo, laranja e vermelho. Se os valores observados são inferiores ao nível de alerta azul (alerta interno) zona azul significa que a barragem tem um comportamento adequado e de acordo com o previsto. A excedência deste primeiro nível corresponde a situações de incidente declarado ou previsível, de desenvolvimento muito lento ou inexistente, sem consequências graves no vale a jusante. Quando ultrapassado é recomendável proceder ao aumento das frequências da observação e analisar criteriosamente a respectiva evolução, com vista à tomada de decisões acerca da implementação de acções de contingência. O registo de valores superiores a um nível de alerta amarelo deve corresponder à ocorrência de situações de incidente, presumidamente controladas, de progressão lenta mas evidente, com tempo suficiente para a realização de estudos adequados para apoio à tomada de adequados para apoio à tomada de decisões. Não será de excluir a possibilidade de agravamento da situação e de se produzirem consequências no vale a jusante. As principais medidas a desencadear são a monitorização permanente e a implementação de acções preventivas ou correctivas, incluindo a realização de eventuais trabalhos de reparação e de O reforço. alerta laranja (de rotura iminente) corresponde a uma situação de progressão rápida, geralmente não controlável, com consequências potenciais muito significativas no vale a jusante, na qual se torna imprescindível a aplicação dos procedimentos planeados de acções de contingência, envolvendo a intervenção de entidades exteriores, e o accionamento do sistema previsto de aviso às populações localizadas nas imediações O alerta da barragem. vermelho ou de emergência, corresponde a uma situação de acidente inevitável, para a qual é necessário proceder à evacuação da população em risco. Muitas vezes, devido a insuficiência de dados e/ou à falta de modelos de cálculo adequados, a selecção dos limites de alerta é efectuada com base na experiência comparável e na opinião de peritos. Dadas as incertezas associadas ao seu estabelecimento na fase de projecto, os limites de alerta não devem ser considerados como estáticos e imutáveis, devendo ser actualizados com base nos dados de observação recolhidos ao longo da vida da barragem, sob pena de a sua relevância para a gestão do risco ser anulada. 3 O SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL O GPS foi desenvolvido e é gerido pelo departamento da defesa dos EUA. O segmento espacial do GPS é constituído por uma constelação de 24 satélites artificiais da Terra (existem vários satélites de reserva), distribuídos por seis planos orbitais com uma inclinação de 55º, espaçados de 60º em longitude. Os satélites, que orbitam com um período de 12 horas, a uma altitude média de km, transportam a bordo emissores, receptores, relógios atómicos, computadores, etc. A distribuição espacial dos satélites assegura que, a qualquer instante e em qualquer

4 qualquer local da superfície terrestre, são observáveis, pelo menos, quatro satélites. O segmento de controlo terrestre do GPS é constituído por uma estação de controlo principal situada na base aérea de Schriever, no estado do Colorado, e por cinco estações de monitorização situadas, respectivamente, em Colorado Springs e nas ilhas de Diego Garcia, Ascensão, Kwajalein e Hawaii. As estações de monitorização rastreiam os satélites e acumulam informação, que é enviada para a estação principal, onde é processada. A estação principal controla o estado operacional dos satélites e o tempo dos seus relógios atómicos, determina os seus parâmetros orbitais e fornecelhes efemérides (posições ao longo do tempo) para difusão (broadcast ephemeris) por intermédio de três antenas emissoras situadas nas ilhas de Diego Garcia, Ascensão e Kwajalein. O chamado segmento do utilizador é constituído pelos equipamentos (antenas e receptores/processadores), na posse dos diferentes utilizadores, que recebem e processam os sinais emitidos pelos satélites. Existe uma grande variedade de equipamentos no mercado, a uma grande variedade de preços, destinados a diferentes aplicações. Os satélites do GPS possuem um oscilador muito estável que gera uma frequência fundamental de 10,23 MHz da banda HF, da qual são derivadas duas microondas da banda L, com as frequências 1575,42 MHz (L1) e 1227,60 MHz (L2), que correspondem a comprimentos de onda (CdO) com 19,05 e 24,45 cm, respectivamente, portadoras de mensagens As portadoras codificadas. L1 e L2 transportam três tipos de códigos: o código C/A (Clear Acquisition Code), o código P (Precision Code) e o código D também designado por mensagem de navegação. O código C/A, modulado somente na portadora L1, é aberto a todos os utilizadores. O código P, modulado nas portadoras L1 e L2, é reservado aos utilizadores do USDoD (US Department of Defense). O código D difunde efemérides do satélite, correcções ao tempo atómico do satélite, correcções à velocidade de propagação das microondas, informações sobre as condições operacionais Existem, emdo satélite, diversos etc.. países, organismos públicos e privados que processam, arquivam e disponibilizam informação com interesse para os utilizadores civis do GPS, entre os quais se utilizadores civis do GPS, entre os quais se destaca o IGS (International GPS Service), que recolhe diariamente códigos e fases de todos os satélites GPS observáveis, em mais de 130 estações permanentes distribuídas pelos diversos continentes. Os dados em formato RINEX (Receiver Independent Exchange) são processados em diferentes organismos e os resultados finais são arquivados em formato SINEX (Software Independent Exchange) e podem ser acedidos pela Internet. O IGS calcula efemérides de alta precisão que são disponibilizadas com um atraso de duas semanas. 4 O POSICIONAMENTO RELATIVO COM A FASE DA PORTADORA As posições GPS são relativas a um referencial cartesiano tridimensional terrestre e geocêntrico, isto é, solidário com os movimentos de rotação e translação da Terra e com a origem no seu centro de massa. O referencial tem o eixo dos zz coincidente com o eixo de rotação da Terra e os outros dois eixos no plano do Equador. O eixo dos xx encontra-se orientado positivamente para o meridiano de Greenwich. O posicionamento com o GPS baseia-se na medição das distâncias entre a antena do receptor e, pelo menos, quatro satélites. As distâncias e as posições dos satélites, dadas pelas efemérides, permitem determinar a posição da antena relativamente ao referencial atrás mencionado. Embora teoricamente baste medir apenas três distâncias para três satélites, o facto de os relógios dos receptores serem de quartzo, menos precisos do que os relógios atómicos a bordo dos satélites, obriga à determinação de uma incógnita adicional, o chamado desvio do relógio, para o que se torna necessário observar um quarto satélite. O método desenvolvido inicialmente pelo USDoD para medir as distâncias entre a antena e os satélites é o chamado método do código, baseado nos códigos C/A e P transportados pelas portadoras L1 e L2. Para ultrapassar diversas limitações impostas pelos códigos, os utilizadores civis do GPS desenvolveram um método mais preciso e independente dos códigos: o método da fase.

5 A comparação da onda portadora recebida na estação terrestre com uma sua réplica gerada no receptor permite medir a diferença de fase ( Φ) entre as duas ondas. A distância (S) entre o receptor e o satélite é dada pela soma de um número inteiro (k) de comprimentos de onda (λ) com uma fracção ( Φ/2π) de comprimento de onda. O número inteiro de comprimentos de onda (k), por ser desconhecido, é designado por ambiguidade de ciclo. Na prática, o receptor pode observar um satélite durante um certo intervalo de tempo e medir, com uma frequência de medição elevada (pode chegar a 50 Hz), a diferença de fase e o número de ciclos recebidos desde a primeira medição. Deste modo, as diferenças de fase medidas permitem calcular as distâncias correspondentes, a menos de uma incógnita: a ambiguidade de ciclo inicial. A utilização simultânea de dois receptores permite montar um sistema de equações em ordem às componentes do vector designado por base (baseline) que resulta da diferença entre os vectores posição das duas antenas, em que são eliminadas as incógnitas correspondentes ao desvio do relógio (uma por cada receptor) e à ambiguidade de ciclo inicial (duas por cada satélite observado). Se as duas estações terrestres não estiverem muito afastadas, alguns dos erros de observação, em particular, os erros devidos à propagação das portadoras na troposfera, anulam-se e as componentes da base definida pelas estações são determinadas com uma grande exactidão. Este método de posicionamento com o GPS é designado por posicionamento relativo com a fase da portadora. Dado que são precisas, pelo menos, duas diferenças de fase para, pelo menos, quatro satélites, para calcular uma base, a frequência de medição das bases tem de ser inferior à frequência de medição das fases. Por outro lado, a medição de um número redundante de diferenças de fase melhora a precisão da base. Nestas condições, é possível medir uma base com uma frequência muito elevada, em tempo quase-real, embora com uma menor precisão, ou com uma frequência menor, no chamado modo estático, mas com maior precisão. A duração típica de uma sessão de medição, em modo estático, é de uma a duas horas, embora as sessões possam durar apenas de 5 a 15 minutos (modo estático rápido). Um ensaio realizado na barragem do Alqueva, que consistiu na medição de várias bases com poucas centenas de metros, pelo método do posicionamento relativo com a fase da portadora, em modo estático (Fig. 1), permitiu constatar que é possível medir as componentes planimétricas com uma incerteza milimétrica e a componente altimétrica com uma incerteza subcentimétrica (Lima et al., 2005). Figura 1. Antena de precisão (choke ring) estacionada no coroamento da barragem do Alqueva. 5 AS ESTAÇÕES PERMANENTES GPS COM OBSERVAÇÃO CONTÍNUA O conceito de estação permanente GPS com observação contínua não é novo. O território da Península Ibérica está coberto, actualmente, por uma rede de vinte estações permanentes GPS. A componente portuguesa da rede, gerida pelo Instituto Geográfico Português (IGP), é constituída por seis estações permanentes situadas em Mirandela, Vila Nova de Gaia, Melriça, Cascais, Beja e Lagos, para além dos Açores e da Madeira. Os receptores observam de modo contínuo os satélites GPS que se encontram 10º acima do horizonte. As mensagens GPS recebidas são centralizadas no IGP e disponibilizadas ao público pela Internet. No caso de uma barragem, a instalação de diversas estações permanentes, uma num ponto de referência situado numa zona estável próxima da obra e as restantes em pontos de observação situados na barragem, permite medir, pelo método do posicionamento relativo com a fase da portadora, as bases definidas pelos pontos de observação e pelo ponto de

6 observação e pelo ponto de referência. Admitindo que a posição do ponto de referência é constante ao longo do tempo, a variação temporal das bases traduz os deslocamentos dos pontos de observação. As mensagens GPS recebidas nos pontos de observação e na estação de referência podem ser transmitidas, por fibra óptica ou por ondas rádio (em modo wireless), para um centro de recolha de informação localizado na vizinhança da barragem. Este centro pode processar ou préprocessar e retransmitir as mensagens para um centro de controlo remoto. Em qualquer das configurações, é possível monitorizar os deslocamentos das estações de controlo em tempo quase real e também em modo estático. Tendo em atenção que podem ocorrer deslocamentos dos pontos de controlo durante sessões de medição de fase muito prolongadas, é aconselhável analisar, em conjunto, os deslocamentos obtidos em tempo quase-real e em modo estático. Actualmente, encontram-se disponíveis no mercado estações permanentes GPS concebidas para a monitorização contínua de deslocamentos (Fig. 2). Os receptores estão equipados com emissores de ondas rádio de baixa potência e as baterias com painéis solares. As estações são vendidas com o software necessário para a gestão e processamento da informação. Uma das aplicações pioneiras das estações permanentes GPS à monitorização de deslocamentos em grandes barragens é relatada por Behr et al. (1998). Na barragem de Pacoima, na Califórnia, na sequência do grande sismo de 1994, foram instaladas três estações permanentes, uma no encontro esquerdo, outra a meio do coroamento e ainda uma estação de referência, cerca de 2,5 km a Noroeste da barragem. As mensagens das três estações, eram transmitidas, em modo wireless, para o centro de controlo do permanent geodetic GPS array da bacia de Los Angeles, onde eram processadas em tempo quase-real e em modo estático. 6 CONSIDERAÇÕES FINAIS alerta integrados em planos de emergência. A observação GPS com receptores e antenas de precisão em modo contínuo permite medir deslocamentos em tempo quase-real com uma incerteza milimétrica em planimetria e subcentimétrica em altimetria. Figura 2. Estação permanente GPS para a monitorização de deslocamentos. Prevê-se o desenvolvimento em Portugal deste tipo de aplicações, nomeadamente, a instalação de várias estações permanentes na barragem de Odelouca, actualmente em construção. REFERÊNCIAS Behr, J., Hudnut, K. e King, N. (1998), Monitoring Structural Deformation at Pacoima Dam, California Using Continuous GPS. Proceedings of IONGPS98, Nashville TN, USA. Lima, N.; Henriques, M. J. e Casaca, J. (2005), Accuracy of Displacement Monitoring at Large Dams with GPS. Proceedings of the IAG International Symposium on Geodetic Deformation Monitoring. Jaén. Olson, L. e Stille, H. (2002). Alarm Thresholds and Their Use in Design of Underground Openings. Int. Conf. on Probabilistics in Geotechnics, Graz, pp Regulamento de Segurança de Barragens (1990), Decreto-Lei nº 11/90 de Foi evidenciado o potencial do GPS na medição de deslocamentos de barragens de aterro, e, em especial, a sua aplicação a sistemas de aviso e

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