GENERAL ARRANGEMENT SOLUTIONS AIMING ECONOMY AND TIME SCHEDULE REDUCTION IN THE DESIGN AND CONSTRUCTION OF ROLLER-COMPACTED CONCRETE DAMS

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1 COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS XXX SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS FOZ DO IGUAÇU PARANÁ 11 A 13 DE MAIO DE 2015 GENERAL ARRANGEMENT SOLUTIONS AIMING ECONOMY AND TIME SCHEDULE REDUCTION IN THE DESIGN AND CONSTRUCTION OF ROLLER-COMPACTED CONCRETE DAMS Authors: BACALTCHUK, J. Technical Director Bacal, Barragens Ltda. ABSTRACT Co-authors: PLATCHECK, I. Electric Engineer CEEE RS CASTELO, G. Mechanical Eng. Professor at CEFET-RJ This paper presents project optimization for hydroelectric developments. The aim is reducing projects time schedule and the design and construction costs for the implementation of the following structures and, consequently, lowering of the cost of MW/h generated. Roller-compacted Concrete Dams with a Incorporated Powerhouse in a chamber or cavern at the massive; Reinforced Penstocksconcrete-made in the upstream face of Concrete Dams; Sluices TypeSpillways controlled by sector-type Gates; Batch and concrete mixing plant over the dam s body; Increase in the amount of Firm Energy annual production; Equipment, Cofferdams, and Sector-Type Gates in the Sluices Type Spillways smaller than the ones used in Surface-Type Spillways; Gantry Cranes in the Powerhouse supported in the machine house main floor Roller Beam,instead of Overhead Travelling Cranes, supported in the superstructure rolling beam of the Powerhouse, high away from the machine house floor; Types of contract. Hydroelectric Projects with Roller Compacted Concrete Dams can be more economical due to structures that are fundamental on alternatives Earth Embankments Dams, gravel, earth and rockfill, earth with asphalt-nucleus, rockfill with clay core, or concrete faced rockfill dams which are unnecessary or in smaller scale on alternatives Concrete Dams such as Diversion Tunnels, Inlets, Outlets, Cofferdams, excavations for Approach Channels, Aduction Channels, Restitution Channels, Stilling Basins, huge reinforced concrete volumes in Water Intakes, Powerhouses, Spillways, heavy fleets for earthmoving equipment, large dormitories, temporary buildings, largeworkforce, indirect costs, etc. Finally, it is recommended that the implementation of such Projects be awarded through Construction Management type contract instead of E.P.C. Conclusion: Adopting above suggestions, savings of 20,00% or more can be achieved in the Civil Construction costs, besides a reduction on Time Schedule and anticipated revenues.

2 COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS XXX SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS FOZ DO IGUAÇÚ PARANÁ, 13 A 15 DE MAIO DE 2015 SOLUÇÕES DE ARRANJOS VISANDO A ECONOMIA E A REDUÇÃO DE PRAZOS NO PROJETO E CONSTRUÇÃO DE BARRAGENS DE CONCRETO COMPACTADO COM ROLO Autores: Co-Autores: BACALTCHUK, J. PLATCHECK, I. Diretor Técnico Bacal, Barragens Ltda. Engenheiro Eletricista CEEE RS CASTELO, G. Eng. Mecânico Professor CEFET RJ RESUMO O que aqui se apresenta são otimizações de projeto para aproveitamentos hidrelétricos. O objetivo é reduzir os prazos e os custos de Implantação das estruturas a seguir listadas e conseqüentemente reduzir o custo dos MWhora gerados: Barragem de Concreto Compactado com Rolo (CCR) com Casa de Força incorporada em câmara ou caverna na base do maciço. Condutos Forçados de Concreto Armado a montante da face de montante das Barragens de Concreto. Vertedouros Tipo Descarga de Fundo com Controle através de Portas tipo Setor. Central de Concreto sobre o Corpo da Barragem. Equipamentos Comportas, Ensecadeiras e tipo Setor no Vertedouro tipo Descarga de Fundo menores que as usuais em Vertedouros tipo Superfície. Pórticos Rolantes na Casa de Força apoiados na infraestrutura da Casa de Máquinas ao invés de Pontes Rolantes apoiadas no caminho de rolamento da superestrutura da Casa de Força. Os Aproveitamentos Hidrelétricos com Barragens de Concreto CCR podem ser mais econômicos por causa das Construções que são imprescindíveis nas Alternativas com Barragem de Terra, Seixo Rolado, Terra Enrocamento, Terra com Núcleo de Asfalto, Enrocamento com Núcleo Impermeável de Argila ou Enrocamento com Face de Concreto, as quais são desnecessárias, ou de menor porte para as Alternativas com Barragens de Concreto, como por exemplo, Túneis de Desvio, Emboques e Desemboques, Ensecadeiras, Escavações para Canais de Aproximação, Canais de Adução, Canais de Restituição, Bacias de Dissipação de energia, grandes Volumes de Concreto Armado nas Tomadas D Água, nas Casas de Força, nos Vertedouros, de Frotas Pesadas de Equipamentos de Terraplenagem, grandes Alojamentos, grandes Canteiro de Obras, grande efetivo de Mão de Obra, Custos Indiretos, etc. A descrição das características das diferentes estruturas e equipamentos são adiante apresentadas. 1

3 SOLUÇÕES DE ARRANJOS VISANDO A ECONOMIA E A REDUÇÃO DE PRAZOS NO PROJETO E CONSTRUÇÃO DE BARRAGENS DE CONCRETO COMPACTADO COM ROLO 1. INTRODUÇÃO O que aqui se apresenta é uma descrição do Projeto e das vantagens que oferecem as Barragens do Tipo Gravidade, em Concreto Compactado com Rolo (CCR). Se compararmos o custo da Barragem de Terra, ou de Seixo Rolado, ou de Terra Enrocamento, ou de Terra com Núcleo de Asfalto, ou Enrocamento com Núcleo Impermeável de Argila, ou Enrocamento com Face de Concreto, unicamente, com o custo da Barragem de CCR, provavelmente esta última será mais cara. Porém se compararmos o Aproveitamento Hidrelétrico, completo, como um todo (Tomada d Água, Casa de Força, Vertedouro, Desvio do rio, Ensecadeiras, Condutos Forçados, Bacias de Dissipação, Comportas, Pontes Rolantes, etc.) certamente o de CCR será mais econômico e de menor Prazo de Implantação, por causa dos seguintes motivos: Os Aproveitamentos Hidrelétricos com Barragens de Concreto Compactado com Rolo possibilitam um Arranjo Geral mais simplificado e mais econômico quando permitem combinar no próprio corpo das Barragens as Estruturas de Adufas para Desvio de rios, Vertedouros, Tomadas D Água, Condutos Forçados, Casas de Força e Subestações Elevadoras, tornando desnecessários gastos na Construção de Túneis de Desvio, Escavações em Rocha para Emboques, Desemboques, Canais de Adução, de Aproximação, de Restituição, Volumosas Ensecadeiras, Muros de Concreto para Tomadas D Água, Condutos Forçados e Vertedouros tipo Superfície com controle através de enormes comportas tipo Segmento (Tainter) e respectivas Bacias de Dissipação e inclusive alguns equipamentos pesados como Pontes Rolantes. A seguir é apresentada uma descrição das vantagens que oferecem as Barragens de CCR. 2. BARRAGEM DE CCR, COM CASA DE FORÇA INCORPORADA EM CÂMARA OU CAVERNA NA BASE DO MACIÇO Como enunciado no próprio título, a inovação aqui apresentada consiste em alojar, no próprio corpo da barragem, a Casa de Força como numa Câmara ou Caverna situada no terço médio da base, conforme mostrado no desenho (Figura 1). 2.1 ARRANJO GERAL O Arranjo Geral mais compacto é aquele que permite alojar a Casa de Força Incorporada na calha do rio, junto a uma das margens, dispensando a construção de Canais de Adução e de Restituição. Economiza-se escavação em rocha, pois a Casa de Força passa a ser localizada na depressão natural já existente na Calha do rio, evitando, assim, onerosos Custos na execução de Escavações e Concreto Estrutural, necessários para as Casas de Força Convencionais, nas margens ou ao pé das barragens. 2.2 VOLUME DE CCR A Casa de Força Incorporada permite uma redução de 10,00 % a 15,00 % no volume de CCR do Maciço da Barragem devido à Caverna criada pela Sala de Máquinas da 2

4 Usina, Área de Montagem, Caminho de Rolamento para Pontes Rolantes, Galerias de Cabos, de Equipamentos Elétricos, de Equipamentos Mecânicos, de Ventilação, Oficinas, Espaço ocupado pelas Turbinas, Geradores, Tubo de Sucção, Canal de Fuga, etc. 2.3 VOLUME DE CONCRETO ARMADO DAS ESTRUTURAS A combinação das Estruturas no Corpo da Barragem de CCR propicia uma redução no Volume de: Tomadas d Água, Condutos Forçados, Berços de Apoio, Casas de Força, Áreas de Serviço, Vertedouros, Muros do Canal de Adução, Muros do Canal de Dissipação e Bases da Subestação Elevadora. 2.4 TOMADA D ÁGUA A Barragem de CCR com a Casa de Força Incorporada permite localizar a Tomada d Água na Calha do rio, dispensando a construção de Canais de aproximação e de Restituição em terra firme, reduzindo assim os volumes de Escavações em Terra e em Rocha. 2.5 GALGAMENTO A Barragem em Concreto permite o Galgamento no caso de Enchentes excepcionais durante a construção, o que possibilita Ensecadeiras com menor altura e portanto, menor volume. 2.6 DESVIO DO RIO A Barragem de Concreto oferece a possibilidade de fazer o Desvio do Rio por meio de Adufas, dispensando-se, gastos com longos e dispendiosos Túneis provisórios. 2.7 EQUIPAMENTOS DE CONSTRUÇÃO Redução significativa na Frota de dispendiosos Equipamentos de Extração e Transporte de Rocha e Terra, os quais consomem grandes quantidades de combustível. 2.8 CORREIAS TRANSPORTADORAS Uso intensivo de Correias Transportadoras acionadas por Energia Elétrica, bem mais econômica para o transporte de Agregados secos e/ou Concreto prémisturados, ao invés de caminhões, que são bem mais dispendiosos. 2.9 PÓRTICO ROLANTE AO INVÉS DE PONTE ROLANTE NA CASA DE FORÇA Sugere-se o emprego de Pórticos Rolantes descarregando as cargas no caminho de rolamento, no piso da Casa de Máquinas, ao invés de Pontes Rolantes descarregando peso nas vigas do caminho de rolamento aéreo, sobrecarregando a superestrutura da Casa de Força (Figura 1) COMPORTAS HIDRÁULICAS Redução no custo das Comportas tipo Ensecadeiras e Ring Gate das Tomadas d Água em forma de Tulipa e das Comportas tipo Ensecadeiras e tipo Setor dos Vertedouros tipo Descarga de Fundo, as quais são bem menores e mais leves MÃO-DE-OBRA Redução significativa no Efetivo de Mão-de-Obra Direta e Indireta CUSTOS INDIRETOS Redução nos Custos Indiretos devido à redução no escopo de serviços CRONOGRAMA 3

5 Redução no Prazo de Construção devido a diminuição no escopo de serviços CUSTOS FINANCEIROS Redução devido a diminuição no prazo de construção CUSTO DO MW/h Redução no Custo do MW hora gerado devido a redução no custo de implantação SEGURANÇA As Barragens de Concreto tem-se mostrado mais seguras e menos suscetíveis a catástrofes. O custo operacional e a Apólice de Seguros para Barragens de Concreto é menor do que para as Barragens de Terra e/ou Enrocamento. 3. CONDUTOS FORÇADOS (PENSTOCKS) Menor comprimento de Condutos Forçados, refletindo-se em menos peso em Chapas de Aço, menor custo, bem como menor Perda de Carga, permitindo mais Rendimento Energético no Circuito Hidráulico de Geração (Figura 2). A Barragem CCR com Casa de Força Incorporada permite localizar Condutos Forçados verticais de concreto armado convencional (CCV) (Figura 1), executado pelo sistema de formas deslizantes, localizados a montante da Face de Montante da Barragem, de tal modo que podem ser construídos antecipadamente e independentemente do avanço do maciço de concreto da Barragem CCR. Ficarão envoltos pela água do reservatório submetidos à compressão, para a qual o CCV apresenta excelente resistência, bem mais econômicos do que os condutos forçados de espessas chapas de aço convencionais, mais longos, expostos ao tempo, submetidos à tração, portanto mais caros. Os Condutos Forçados de Concreto Armado CCV a montante da Barragem permitem ainda localizar a Tomada D água em forma de Tulipa no topo dos Condutos Forçados de CCV controlada por comportas do tipo Ring Gate, mais econômicas do que as comportas tipo Vagão das tomadas D água convencionais (Figura 3). 4. VERTEDOUROS 4.1 VERTEDOUROS DO TIPO DESCARGAS DE FUNDO A sugestão que aqui se apresenta, é que para a descarga das enchentes dos Reservatórios das Barragens, ao invés de Vertedouros convencionais do tipo Superfície controlados por enormes Comportas tipo Segmento ou Tainter, utilizar Descargas de Fundo (Figura 4), controladas por múltiplas pequenas Comportas do tipo Setor, localizadas preferencialmente nas calhas dos rios. Os Vertedouros tipo Superfície controlados por enormes Comportas tipo Segmento (Figura 5) requerem enormes volumes de Concreto Armado, bem como de Concreto Protendido porque os braços das Comportas descarregam enormes reações, a jusante, nos apoios (vigas munhão), a grande altura distantes da soleira, que por sua vez transferem indesejáveis esforços de tração nos blocos de concreto armado a montante das comportas, muito acima do perfil Kreager. Para descarregar as reações a montante são necessários grandes muros Contra-fortes, assim como grossas Lajes de Concreto Armado afim de combater os efeitos de tombamento, de deslizamento e à sub-pressão na Soleira. As comportas tipo Setor descarregam a reação do Empuxo Hidrostático para a soleira de Concreto Armado e daí diretamente para a rocha de fundação, de modo 4

6 que no Concreto Armado predominam esforços de compressão, característica para a qual ele apresenta excelente resistência. A altura das comportas tipo Setor podem ser menos da metade da altura das comportas tipo Segmento. A fim de oferecer estabilidade aos Vertedouros Tipo Descarga de Fundo, uma porção considerável de concreto armado é substituída por CCR, acima da Comporta Setor até a Crista do Vertedouro. O custo do CCR é algo em torno de 15,00 % do custo do Concreto Armado Convencional. 5. BACIAS DE DISSIPAÇÃO: Os Vertedouros tipo Superfície em geral exigem grande Bacia de Dissipação. Os Vertedouros tipo Descarga de Fundo podem dispensar as Bacias de Dissipação. 6. DESVIO DO RIO Sem prejuízo de sua função original de Descarga de Fundo, qual seja controle do assoreamento do Reservatório e descarga de materiais indesejáveis, ao se tornar a principal estrutura para descarga de enchentes excepcionais do Reservatório, o vertedouro de Descarga de Fundo também cumprir as funções de Desvio do Rio durante o período de construção. 7. CENTRAL DE CONCRETO SOBRE CORPO DA BARRAGEM 7.1 ANTECEDENTES O CCR conforme foi concebido, é econômico para obras de grandes volumes de Concreto, com ampla frente de trabalho, que permita velocidade de lançamento, compactação e cura. Para isto foram concebidos sofisticados Sistemas de Correias Transportadoras para o transporte do Concreto Pré-Misturado. Devido ao elevado custo destas correias transportadoras da mistura úmida, tem-se utilizado outros meios de transporte menos dispendiosos, como pequenos Caminhões Basculantes, Caminhões Betoneira, Calhas, etc. 7.2 LOCALIZAÇÂO DA CENTRAL DE CONCRETO (Figura 6) Com vistas a reduzir o custo de produção do Concreto Compactado com Rolo, ao invés de transportar Concreto Pré-Misturado em caminhões, sugere-se transportar os Granéis Secos, por meio de Correias Transportadoras, mais econômicas até Silos de Brita, Areia, Cimento localizados sobre o corpo da barragem em construção, apoiados em equipamento do Tipo Self Elevating, movidas por eletricidade. O Cimento e a Pozolana são bombeados pneumaticamente até os Silos. Os Silos podem estar assentes em perfis de Estrutura Metálica, os quais ficam perdidos no Corpo da Barragem a medida em que os lances de concretagem vão subindo. As centrais dosadoras móveis podem ser sobre skids que vão subindo a medida que os lances de concretagem vão avançando. Os equipamentos de construção necessários para o Transporte, Lançamento, Espalhamento, Compactação e Cura do Concreto não saem da pista em construção. 5

7 8. REDUÇÃO DE ESCOPOS DE SERVIÇOS A redução no escopo de serviços é resultante da diminuição nas quantidades de serviços de terra e de rocha para os Canais de Aproximação, Canais de Restituição, Bacias de Dissipação de Energia, Ensecadeiras bem como na diminuição nos volumes das estruturas de Concreto Armado das Casas de Força convencionais, Tomadas d Água e dos Vertedouros. 9. REDUÇÃO DOS PRAZOS A redução nos prazos de construção resulta da diminuição dos Escopos de Serviços acima citados, de terraplenagem para Canais de Aproximação, de Adução, de Restituição, Bacias de Dissipação e volumes de concreto armado. 10. RECEITAS ANTECIPADAS Com a redução no prazo de construção resulta a Antecipação de receitas devidas a entrada em operação mais cedo, dos Turbos Geradores. 11. AUMENTO DA QUANTIDADE DE ENERGIA FIRME ANUAL As Barragens CCR com Casa de Força Incorporada oferecem a possibilidade de provisão de espaço para a implantação de Turbo-Bombas de recalque d água e ou Turbo Geradores Reversíveis, com vistas ao futuro Aumento na Quantidade de Energia Firme produzida anualmente pelos Turbo Geradores implantados inicialmente. 12. RECOMENDAÇÕES Recomenda-se, aos Projetistas, que nas próximas licitações para Implantação de Empreendimentos Hidrelétricos, além do Projeto Convencional, apresentem também, como Alternativas de Projeto, as sugestões de Barragem de Concreto Compactado com Rolo com Casa de Força Incorporada, Central de Concreto Sobre o Corpo da Barragem, Correias Transportadoras para o transporte de agregados secos, Condutos forçados de Concreto Armado Convencional Verticais ao montante da Barragem, Vertedouro Tipo Descarga de Fundo com controle através de Comportas Tipo Setor. Além disto, recomenda-se que os contratos de construção sejam feitos por gerenciamento de empreendimentos ao invés de Engenharia Procura e Construção (EPC). 12. CONCLUSÃO Desde que exista disponibilidade de Cimento e Pozolana a preços satisfatórios, o emprego da Alternativa de Barragem de Concreto Compactado com Rolo com Casa de Força Incorporada, localizando a Central de Concreto sobre o Maciço da Barragem, transportando os Agregados secos em Correias Transportadoras utilizando Vertedouros do tipo descarga de Fundo com controle através de Comportas tipo Setor e Condutos Forçados de Concreto Armado a montante da 6

8 Barragem pode resultar uma redução no prazo de construção e uma economia no Custo de Implantação do Aproveitamento Hidrelétrico de até 20% do valor das Obras Civis comparadas com as Alternativas Convencionais, de Terra, Enrocamento com núcleo impermeável ou Enrocamento Face de Concreto. Isto conduz a uma redução significativa no custo do MWhora gerado. 13. DESENHOS ANEXOS Figura 1. Barragem de Concreto Compactado com Rolo com Casa de Força Incorporada e Condutos Forçados de Concreto Armado a montante da Barragem - Seção Típica. Figura 2. Barragem de Concreto Compactado com Rolo com Casa de Força Incorporada Condutos Forçados metálicos embutidos no maciço da Barragem Seção Típica. Figura 3. Condutos Forçados de Concreto Armado Convencional a montante da face de montante da Barragem. Planta e Seção Típica. Figura 4. Vertedouros Tipo Descarga de Fundo com controle através de Comporta tipo Setor ao invés de Comporta Tipo Segmento ou Tainter. Figura 5. Vertedouro Tipo Superfície com controle através de Comportas tipo Segmento. 14. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] ANDRIOLO, F. R., (1998) - The Use of Roller Compacted Concrete. Oficina de Texto. [2] BACALTCHUK, J. S., (1998) - Barragens de Concreto Compactado com Rolo com Casa de Força Incorporada em Câmara ou Caverna na Base do Maciço. Anais do III Seminário Nacional de Concreto Compactado, CBDB, Foz do Iguaçú. [3] BACALTCHUK, J. S., (ICOLD 2009) - Vertedouros Tipo Descarga de Fundo. Anais do Vingt Troisième Congrés Des Grands Barrages, Brasília. [4] BACALTCHUK, J. S., (2005) - Central de Concreto Sobre o Corpo da Barragem, XXVI Seminário Nacional de Grandes Barragens, Goiania. [5] Grandes Vertedouros Brasileiros CBDB [6] Main Brazilian Dams II CBDB

9 Figura 1 8

10 Figura 2 9

11 Figura 3 10

12 Figura 4 11

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