ANÁLISES PARAMÉTRICAS EM MODELOS MATEMÁTICOS 3D DAS BEFC s CAMPOS NOVOS E BARRA GRANDE

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1 COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS XXV SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS SALVADOR, 12 A 15 DE OUTUBRO DE 2003 T91 A25 ANÁLISES PARAMÉTRICAS EM MODELOS MATEMÁTICOS 3D DAS BEFC s CAMPOS NOVOS E BARRA GRANDE Silvano C. Albertoni Lailton Vieira Xavier Leonardo de Bem Silva Jaqueline Antunes Karla Leite Teixeira Rafael Fernandes Pereira ENGEVIX ENGENHARIA S.A. RESUMO Este trabalho descreve as análises paramétricas de deformação realizadas através de modelos matemáticos tridimensionais que auxiliaram na definição do zoneamento dos materiais no maciço das Barragens de Enrocamento com Face de Concreto (BEFC) de Campos Novos e de Barra Grande. Os estudos foram realizados com o objetivo de se minimizar as deformações sofridas pelo maciço de enrocamento e conseqüentemente pela laje de face das barragens em função do carregamento hidrostático imposto pelo enchimento do reservatório desses empreendimentos. ABSTRACT This article describes the parametric analysis of deformation performed on mathematical tri-dimensional models, which helped define the zoning of materials for the body of the Concrete Face Rockfill Dams of Campos Novos and Barra Grande. The studies focused on developing a zoning solution, which could minimize the deformation of the rockfill mass, and consequent deformation of the concrete slabs, due to the hydrostatic load imposed by the reservoir filling. 1

2 1 INTRODUÇÃO As barragens de enrocamento com face de concreto têm como característica principal a natureza empírica de seus parâmetros e critérios de projeto, isto é, estão alicerçadas na experiência prática de exemplos precedentes bem sucedidos. As BEFC's brasileiras, executadas até então, possuem alturas pelo menos 25% inferiores às atuais. O binômio Tensão x Deformação tende a ficar mais crítico, a medida em que as alturas das barragens aumentam. O estudo em 3D vem de encontro a necessidade dos projetos em verificar a influência do formato do vale, e parametricamente estudar um zoneamento mais eficiente para as barragens com alturas próximas a 200 m. 2 - DESCRIÇÃO DOS EMPREENDIMENTOS As UHE s Campos Novos e Barra Grande estão sendo construídas ao longo da bacia do rio Uruguai nos rios Canoas e Pelotas, respectivamente. À seguir é feita uma descrição geral dos empreendimentos, com destaque as BEFC s utilizadas como estruturas de barramento UHE BARRA GRANDE A Usina Hidrelétrica de Barra Grande com potência instalada de 690 MW é constituída de uma barragem de enrocamento com face de concreto como estrutura principal de barramento do rio Pelotas, situado entre os municípios de Pinhal da Serra, no Rio Grande do Sul, e Anita Garibaldi, em Santa Catarina. A barragem terá cerca de 185m de altura, 665m de comprimento e um volume estimado em 12x10 6 m³ e o reservatório quando formado terá uma área equivalente a 91,8 km 2 com um volume de hm³. As obras para implantação do aproveitamento iniciaram-se em julho de 2001 e o comissionamento da primeira unidade geradora está previsto para outubro do ano A concessão da geração e transmissão de energia pertence ao grupo BAESA constituído pelas empresas VBC Energia S.A, Alcoa Alumínio S.A, Camargo Corrêa Cimentos S.A e D.M.E. Energética Ltda. Este empreendimento está sendo construído por um consórcio composto pelas empresas Construções e Comércio Camargo Corrêa S.A responsável pelas obras civis e montagem de equipamentos, Alstom Brasil Ltda. com o fornecimento dos equipamentos eletromecânicos e Engevix Engenharia S.A. responsável pelos projetos básico e de detalhamento executivo. A usina contará com um circuito de geração dotado de três turbinas tipo FRANCIS com potência de 230 MW cada, que aproveita uma queda bruta de 167m. O aproveitamento também contará com um vertedouro controlado por 2

3 seis comportas com capacidade para descarregar a cheia máxima provável que corresponde a uma vazão de m³/s UHE CAMPOS NOVOS A Usina Hidrelétrica Campos Novos encontra-se em fase de implantação desde agosto/2001 Início das Obras Civis com a previsão do início da geração comercial da primeira das três unidades geradoras em janeiro/2006. A concessão pela energia gerada pela usina pertence ao Grupo ENERCAN constituído pelas empresas CPFL, COPEL, CEEE e CELESC, e a construção do empreendimento está a cargo das empresas Construções e Comércio Camargo Corrêa S.A responsável pelas obras civis e montagem de equipamentos, GE Hydro INEPAR com o fornecimento dos equipamentos eletromecânicos e Engevix Engenharia S.A. e CNEC responsáveis pelo projeto executivo. Quando concluída, a usina terá 880 MW de potência instalada, aproveitando cerca de 180m de queda bruta. A barragem do tipo enrocamento com face de concreto com cerca de 202m de altura, 590m de comprimento e com um volume estimado em 12x10 6 m³, será construída no rio Canoas entre os municípios catarinenses de Campos Novos e Celso Ramos nas coordenadas geográficas (latitude sul) e (longitude oeste). O reservatório formado pelas estruturas de barramento terá 33 km² e um volume estimado em cerca de 1.471,5 hm³. Esta barragem será uma das mais altas já construída em todo o mundo e o aproveitamento contará ainda com um circuito de geração com 3 unidades geradoras dotadas de turbinas tipo FRANCIS e vertedouro com quatro comportas com capacidade para descarregar a cheia máxima provável de m³. 3 - CARACETERIZAÇÃO DAS BEFC S As BEFC s dos empreendimentos Campos Novos e Barra Grande serão a oitava e nona barragens desse tipo a serem construída no Brasil. As duas possuem características muito semelhantes por estarem sendo construídas no mesmo período e por estarem localizadas na mesma bacia hidrográfica com uma diferença de nível altimétrico de apenas 16m, distando uma da outra somente 30 km. Outra característica similar entre as barragens é que ambas estão sendo projetadas e construídas pelas mesmas empresas. A seguir são apresentadas as principais características geométricas das barragens e na seqüência serão abordados os tópicos relativos as análises paramétricas para definição do zoneamento dos materiais no corpo das BEFC s. 3

4 TABELA 1 Características Geométricas Principais das BEFC s Características BEFC BEFC Campos Novos Barra Grande Altura 202m 185 m Comprimento 590 m 665 m Largura da Crista 10m 10 m Talude de Montante 1V:1,30(H) 1V:1,30(H) Talude de Jusante (Entre 1V:1,20(H) Bermas) 1V:1,20(H) Volume de Enrocamento m³ m³ Área da Face de Concreto m² m² Volume da Face de Concreto m³ m³ Largura das Lajes da Face 16 m 16 m e = 0,30+0,0020H (H < e = 0,30+0,0020H (H < Espessura da Laje em (m) 100 m) 100 m) e = 0,0050H (H > 100 e = 0,0050H (H > 100 m) m) 4- ZONEAMENTO TÍPICO DO PROJETO BÁSICO Durante o projeto básico, os maciços de enrocamento das barragens de Campos Novos e Barra Grande foram zoneados, conforme mostram as Figuras 1 e 2, de acordo com a origem do material, permitindo um aproveitamento da rocha proveniente das escavações obrigatórias das estruturas e, consequentemente, reduzindo o volume oriundo de pedreiras. O zoneamento foi definido de modo a se obter um maciço relativamente pouco deformável, com a colocação de materiais provenientes de basaltos vesiculares e brecha basáltica na zona de jusante e os de basalto denso na zona de montante. Na seção transversal, sob a face de concreto e paralelamente a esta, há uma zona de transição menos deformável e menos permeável que o restante do maciço. Ela é composta por duas camadas principais, sendo a primeira com 4,00 m de largura, constituída por brita graduada de basalto denso, transição tipo 2B, com diâmetro máximo igual a 100 mm e, a segunda, sob a primeira e também com 4,00 m de largura, constituída por enrocamento tipo 3A, com diâmetro máximo de 400 mm. Ambos os materiais de transição compactados em camadas com espessura de 0,40 m. Visando obter uma superfície regular e protegida contra erosões e cheias, projetou-se a execução de uma camada de concreto extrusado na face do talude de montante. No terço de montante do maciço, imediatamente a jusante das transições, é empregado o material 3B, com diâmetro inferior a 0,80 m compactado em camadas de 0,80m. No talude de jusante são empregados os materiais 3C e 3D. Estes materiais são constituídos por blocos com diâmetro inferior a 1,60 m compactados em camadas de 1,60 m de espessura. 4

5 Na primeira etapa de construção o lançamento de enrocamento é feito na região de montante, até atingir as elevações 570,00 m e 560 m, para as Barragens de Campos Novos e Barra Grande, respectivamente. FIGURA 1 - BEFC Campos Novos Seção Típica FIGURA 2 - BEFC Barra Grande Seção Típica 5 - ESTUDOS E SIMULAÇÕES NO PROJETO EXECUTIVO Com a intenção de se obter melhores resultados de tensão x deformação, o zoneamento proposto no Projeto Básico foi alterado. Após a análise em modelagem 2D para diversos casos, diferenciados pela geometria e pelo zoneamento, foram selecionados três casos, para cada barragem, para serem analisados em 3 D, a saber: Caso 1: zoneamento do projeto básico, utilizado como parâmetro de comparação para os outros dois casos; 5

6 Caso 2: hipótese considerando o enrijecimento da crista, simulando o comportamento da barragem com a influência das ombreiras; Caso 3: hipótese considerando enrijecimento da seção central. 6 - CARACTERÍSTICAS DOS MATERIAIS EMPREGADOS NAS BEFC S Os módulos de compressibilidade dos materiais adotados para a fase construtiva no presente estudo, são os valores médios obtidos nas barragens já construídas na bacia do rio Uruguai, por ter uma litologia similar aos materiais que irão compor os maciços das barragens de Campos Novos e Barra Grande, os quais seguem: Zona de montante - material 3B E construção = 60 MPa Zona da Fundação no leito do rio - material 3C E construção = 50 MPa Zona de Jusante - material 3D E construção = 25 MPa Conforme observado em obras similares, existe um aumento significativo no módulo de compressibilidade da fase construtiva para a fase de enchimento, devido a inversão da direção das tensões principais, principalmente em relação ao material de montante. As seguintes relações foram adotadas para se obter os módulos de compressibilidade durante o enchimento do reservatório, baseando-se na experiência de outras barragens já executadas: Terço de montante: E enchimento = 2,0 x E construção Terço central: E enchimento = 1,5 x E construção Terço de jusante: E enchimento = 1,0 x E construção 7 GEOLOGIA A área que abrange os dois empreendimentos está inserida na porção sul da Bacia Sedimentar do Paraná, a qual é constituída de rochas sedimentares e vulcânicas, com o predomínio dos basaltos da Formação Serra Geral, cuja distribuição espacial é subhorizontal, com ligeiro mergulho para o quadrante oeste. Nos intervalos entre derrames de lava depositaram-se, eventualmente, sedimentos arenosos em bacias restritas (arenitos intertrapeanos) cuja fonte era constituída por sedimentos da Formação Botucatu, ainda não cobertos pelas lavas. Na parte superior da Formação Serra Geral, verificou-se a ocorrência de uma seqüência vulcânica de natureza ácida, em áreas de Santa Catarina e Rio Grande do Sul. A nomenclatura dessas rochas ácidas é ainda controversa, pois 6

7 são sugeridas a adoção dos termos vitrófiro, granófiro, ou riodacito para as rochas com teores de sílica superiores a 66%. A maioria dos derrames basálticos se caracteriza, via de regra, por uma zona de basalto denso na parte inferior e central, com algumas vesículas na base e uma zona de basalto vesículo-amigdaloidal na porção superior, com uma camada de brecha basáltica constituída por fragmentos de basalto envolvidos e cimentados por minerais secundários ou por materiais silto-arenosos no topo. O basalto vesicular da base e a brecha do topo estão ausentes em alguns derrames. 8 - MODELO MATEMÁTICO DE ELEMENTOS FINITOS As simulações foram efetuadas considerando o carregamento relativo ao enchimento do reservatório, aonde ocorrem as maiores solicitações, acomodações e consequentemente, as maiores deformações da face da barragem. O programa de elementos finitos para a análise paramétrica de deformação dos maciços das barragens foi o SAP 2000, que utiliza o modelo elástico linear. Este estudo não inclui a laje de concreto como material rijo e transmissor dos esforços do empuxo sobre o enrocamento, visto se tratar de um elemento de impermeabilização, cuja espessura possui dimensão muito pequena em relação à seção do maciço. Por esta mesma razão os materiais 2B e 3A também não foram incluídos na modelagem. Os modelos escolhidos para serem estudados em três dimensões possuem o mesmo zoneamento e geometria dos casos que apresentaram os resultados mais satisfatórios nas análises bidimensionais preliminares. O primeiro caso analisado (Caso 1) apresentou a disposição dos materiais conforme projeto Básico, que serviu de parâmetro para o estudo dos demais. O zoneamento utilizado contou com o material 3B no terço de montante, com o módulo de compressibilidade da fase construtiva enrijecido em 100%, com o 3D enrijecido de 50% na região central, e com o mesmo 3D no terço de jusante com o módulo da fase construtiva. (Vide Figura 3) A Figura 3 a seguir apresenta a geometria da seção transversal típica das Barragens de Campos Novos e Barra Grande estudadas em Método de Elementos Finitos (MEF). 7

8 FIGURA 3 - Caso 1 Os demais casos foram estudados considerando o zoneamento do projeto básico alternando os materiais utilizados e variando a porcentagem de enrijecimento dos mesmos. O segundo caso analisado, (Caso 2 vide Figura 4) teve a mesma disposição dos materiais do Caso 1, com a seguinte alteração: Rebaixamento e substituição do material 3D na crista em 48 m por material 3B, com o módulo da fase construtiva enrijecido em 50%. FIGURA 4 - Caso 2 O terceiro caso analisado (Caso 3), apresentou as seguintes características: Material 3B na parte montante, com o módulo da fase construtiva enrijecido em 100%; Substituição do material 3D na região central por material 3B enrijecido em 50%; Material 3D no terço de jusante com o módulo da fase construtiva, tal qual apresentado na Figura 5. 8

9 FIGURA 5 - Caso RESULTADO OBTIDOS ATRAVÉS DOS MODELOS MATEMÁTICOS Com relação ao Caso 1, que representa a disposição dos materiais prevista no projeto básico, podemos destacar que dentre os casos estudados é o mais deformável. A máxima deformação se observou aproximadamente a 2/3 da altura do maciço. Os estudos para o Caso 2, não apresentaram ganhos significativos no desempenho do maciço, ficando a deformação próxima do desempenho obtido com o Caso 1 (projeto Básico). As tabelas a seguir apresentam os resultados dos deslocamentos máximos perpendicular ao talude de montante e na crista das Barragens. TABELA 2: Deslocamentos - Campos Novos DESLOCAMENTO (cm) CASO 1 CASO 2 CASO 3 Crista 56,18 48,12 38,40 Máxima 97,17 87,27 70,74 TABELA 3: Deslocamentos - Barra Grande DESLOCAMENTO (cm) CASO 1 CASO 2 CASO 3 Crista 51,53 43,53 36,04 Máxima 83,23 81,90 70,17 As Figuras 6 e 7 a seguir apresentam os gráficos com as deformações do maciço perpendicular ao talude de montante, resultantes dos estudos feitos. 9

10 Elevação (m) Deslocamento (cm) CASO 1 CASO 2 CASO FIGURA 6 - UHE Campos Novos Deformações perpendiculares à Face Elevação (m) Deslocamento (cm) CASO 01 CASO 02 CASO FIGURA 7 - UHE Barra Grande Deformações perpendiculares à Face De acordo com as análises realizadas, pode-se concluir que o Caso 3, onde o material na região central 3D foi substituído pelo 3B, foi o que apresentou melhor resultado para ambas as barragens, com deformações menores para o talude de montante, e uma distribuição de tensões homogênea no maciço. A máxima deformação ocorre aproximadamente a 3/5 da altura do maciço. A Figura 8 apresenta o modelo de deformação do maciço da barragem de Barra Grande em 3D para o Caso 3. 10

11 FIGURA 8 : UHE Barra Grande Modelo Matemático Deformado 10 - MONITORAMENTO DAS DEFORMAÇÕES O comportamento das barragens, atualmente em execução, estão sendo acompanhados pelos diversos instrumentos de auscultação instalados no interior do maciço de enrocamento das mesmas. A análise dos dados utiliza os recalques, medidos através de medidores magnéticos e células de recalque, para estimar posteriormente os módulos de deformabilidade vertical dos enrocamentos durante o período construtivo. Os deslocamentos horizontais são analisados através das informações fornecidas por extensômetros múltiplos horizontais. 11 CONCLUSÕES O estudo ora desenvolvido é indicativo, e o monitoramento da obra permitirá a confirmação desta análise paramétrica. O estudo MEF confirmou que o enrijecimento da região central apresentou resultados mais significativos do que a influência das ombreiras, nas analises, uma vez que as duas barragens estão localizadas em vales fechados. 11

12 A continuidade do desenvolvimento de modelagens em 3D, com posterior monitoramento na obra, permitirá que os estudos de tensão x deformação dos maciços sejam melhor desenvolvidos, possibilitando um dimensionamento mais adequado das lajes e juntas das BEFC's REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. BGR-MC2E-BPC BARRAGEM PRINCIPAL - ESTUDO DO ZONEAMENTO DOS MATERIAIS 2. CNV-MC2E-BPC BARRAGEM EFC - ESTUDO DO ZONEAMENTO DOS MATERIAIS 3. BAR-ET2E-BPC CRITÉRIOS PARA CONSTRUÇÃO DA BARRAGEM EFC 4. CNV-ET2E-BPC CRITÉRIOS PARA CONSTRUÇÃO DA BARRAGEM EFC 5. SILVEIRA, João Francisco da; SARDINHA, Álvaro Eduardo. Comportamento da BEFC da UHE Itá ao Final do Período Construtivo. II Simpósio sobre Barragens de Enrocamento com Face de Concreto, Florianópolis, 457, outubro,