ESTABILIZAÇÃO DA BARRAGEM DAS CODORNAS. Jorge Felippe da Silva Filho e Alexandre José de Carvalho

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1 XXIII Seminário Nacional de Grandes Barragens - Belo Horizonte, Pág. 165 a 174 ESTABILIZAÇÃO DA BARRAGEM DAS CODORNAS Jorge Felippe da Silva Filho e Alexandre José de Carvalho RESUMO Durante as fortes precipitações ocorridas no período chuvoso 1996/1997, a barragem das Codornas, de concreto, foi galgada pelas águas provenientes da ruptura de uma barragem de terra localizada a montante. Para prover a barragem de novas estruturas de controle de cheias que evitassem a repetição do acidente, optou-se por uma solução que, simultaneamente, diminuiu a massa de concreto da barragem e elevou sua crista. Para estabilizar a barragem, foi projetado um sistema de drenos de alívio perfurados a partir da face de jusante da barragem. O sistema de drenagem foi projetado admitindo-se critérios para determinação das subpressões menos conservadores do que os convencionais. 1- INTRODUÇÃO A barragem das Codornas faz parte do sistema de geração hidroelétrica do Rio do Peixe, da Mineração Morro Velho (MMV) (1)*. A estrutura é constituída por uma barragem de gravidade, encaixada em um vale rochoso estreito e profundo, conforme indicado, de forma esquemática, na Figura 1. Durante as fortes precipitações ocorridas no período chuvoso 1996/1997, a barragem foi galgada pela onda de cheia causada pela ruptura de uma barragem de terra localizada a montante, que provocou danos de monta ao sistema, especialmente na região da ombreira esquerda da barragem (1). 2 - SISTEMA DE CONTROLE DO RESERVATÓRIO A Figura 2 mostra uma seção transversal da barragem das Codornas, indicando as estruturas hidráulicas originais disponíveis para controle do nível do reservatório. (*) O número entre parênteses indica publicação constante nas Referências Bibliográficas

2 Estas estruturas compreendiam as tomadas d'água que alimentam o conduto forçado, a descarga de meio fundo, operada por duas comportas, e os sifões. Os sifões, que representavam a estrutura vertedora de superfície da barragem, entravam em operação, automaticamente, sempre que o N.A. atingisse o nível localizado a 1,20 metros abaixo da crista da barragem. No período de estiagem, as comportas de meio fundo permaneciam fechadas e o nível do reservatório era mantido com adução de água proveniente da operação do sistema de alimentação do reservatório da Lagoa Grande (1). Durante os períodos chuvosos, as comportas eram acionadas manualmente, procurando manter o N.A. normal próximo ao seu nível máximo operacional que coincide com o de captação dos sifões, gerando uma borda livre de 1,20 metros em relação à crista. Caso a operação não conseguisse manter o reservatório abaixo daquele nível, os sifões entravam em operação, automaticamente, de forma a manter o nível do reservatório naquela elevação. 3 - HISTÓRICO DO ACIDENTE Entre os dias 19 e 24 de dezembro de 1996, o nível do reservatório estava em seu nível operacional máximo, sob o efeito das chuvas normais, quando um afluxo excepcional, gerado pelo rompimento de uma barragem a montante e que não pôde ser dominado pelo sistema de controle do nível do reservatório, ocasionou o galgamento da Barragem das Codornas por uma lâmina de água de aproximadamente 0,35 metro de espessura. O galgamento permaneceu atuante por um período de aproximadamente 4 (quatro horas) (1). 4 - DANOS CAUSADOS AO SISTEMA Os danos à barragem concentraram-se na sua ombreira esquerda, que sofreu um intenso processo erosivo (1). A barragem de concreto, tendo sido submetida a várias inspeções, nos dias subseqüentes ao acidente, não apresentou fissuras ou deslocamentos da massa de concreto nem qualquer outro dano aparente, proveniente do acréscimo de carga hidráulica atuante durante o acidente, permanecendo virtualmente intacta. 5 - MEDIDAS PARA EVITAR A REPETIÇÃO DO ACIDENTE Pelo fato de existirem outras barragens a montante do reservatório da barragem das Codornas, decidiu-se que, além da implantação das obras para reparação dos danos causados ao sistema, era necessário dotar a barragem de uma estrutura de vertimento que lhe garantisse uma determinada segurança hidráulica, no caso de repetição do acidente. Dentre as várias opções estudadas (1), decidiu-se pela construção de um vertedouro de superfície livre na crista da barragem. Basicamente, esta solução consistiu em efetuar um corte de 1,20 metros ao longo da crista da estrutura de concreto, de forma que a soleira do novo vertedouro viesse a coincidir com a soleira do sifão original.

3 A extensão máxima deste corte, e portanto da extensão da soleira do vertedouro, considerando as características da estrutura da barragem e levando em conta a segurança das ombreiras, é de 60 metros, iniciando-se na parede direita do vertedouro de meio-fundo que opera atualmente e terminando na ombreira direita. Nos trechos onde existem as casas de máquina para operação das comportas de fundo e da tomada d água, proteções especiais foram estudadas para evitar inundações quando o vertedouro estiver em operação. Para a proteção da margem esquerda, foi projetado um dique de terra, que manterá o reservatório afastado da ombreira, ligado à barragem através de um muro de abraço, construído em concreto ciclópico. Uma mureta de concreto situada na mesma elevação que a crista do dique, construída para dotar o reservatório de uma certa capacidade de amortecimento de cheias, elevando a crista da barragem em 1,20m, completa o novo sistema de vertimento. A Figura 3 mostra a configuração atual do sistema de controle do reservatório e a Figura 4 mostra detalhes da mureta e do vertedouro de crista. 6 - ESTABILIDADE DA BARRAGEM INTRODUÇÃO A demolição para implantação do vertedouro de superfície e a construção da mureta de concreto, provocaram uma redução no peso da barragem e uma elevação de sua crista. Isto obrigou a que as condições de estabilidade da barragem fossem reavaliadas para as novas condições de contorno. Os estudos foram iniciados por um trabalho de pesquisa nos arquivos da Mineração Morro Velho, para verificar a existência de memórias de cálculo do projeto original. Entretanto, os únicos documentos encontrados foram alguns desenhos relacionados com os projetos mecânicos das comportas e alguns estudos de alteamento da barragem, datados de 1948, contendo poucas informações de importância técnica GEOMETRIA DA BARRAGEM Para a obtenção da geometria da barragem, foi executado um levantamento topográfico da sua seção máxima PARÂMETROS DE RESISTÊNCIA A rocha de fundação pode ser observada no pé de jusante da barragem e é constituída basicamente por quartzitos bastante resistentes. Para a definição dos parâmetros de resistência geomecânica da rocha de fundação, válidos para o contato concreto/rocha, decidiu-se efetuar uma série de retroanálises, tendo por base as condições de carregamento atuantes no dia do acidente, conforme indicado a seguir.

4 6.4 - RETROANÁLISES Para a realização das retroanálises, foram adotadas os seguintes parâmetros básicos: - ângulo de atrito do quartzito, ' = 45 ; - o nível de água a montante estaria 0,35m acima da crista da barragem, correspondendo ao nível durante o acidente; - as subpressões na base da barragem seriam totais. Foi assumido ainda que, durante o acidente, os coeficientes de segurança, seriam aqueles corres-pondentes ao Caso de Carregamento Limite (CCL), discutido mais adiante. As expressões utilizadas para as análises de estabilidade foram as seguintes: - segurança à flutuação onde: V U FSF 1 (1) V = cargas gravitacionais U = cargas devidas às subpressões FSF = coeficiente de segurança à flutuação - segurança ao tombamento onde: MR MT FST 1 (2) MR = momentos resistentes MT = momentos de tombamento FST = coeficiente de segurança ao tombamento - segurança ao escorregamento ( V U ) H tg φ + FSD φ C A H FSD c 1 (3)

5 onde: V = cargas verticais U = cargas devidas às subpressões H = cargas horizontais C = coesão A = área da base da estrutura φ = ângulo de atrito FSD φ = coeficiente de segurança com relação ao ângulo de atrito FSD c = coeficiente de segurança com relação à coesão Foi assumido ainda que, durante o acidente, os coeficientes de segurança seriam aqueles corres-pondentes ao Caso de Carregamento Limite (CCL), indicados na Tabela 1. Como resultado, as retroanálises permitiram estimar o valor da coesão do quartzito como sendo igual a 200 kn/m 2. Coeficientes de Segurança Condições de Carregamento Normal (CCN) Excepcional (CCE) Limite (CCL) FSD C 4,00 3,00 2,00 FSD Ø 1,50 1,30 1,20 FST 1,50 1,30 1,20 FSF 1,50 1,30 1,20 Tabela 1 - Coeficientes de Segurança Utilizados nas Análises ANÁLISE DA ESTABILIDADE PARA AS NOVAS CONDIÇÕES DE CONTORNO Com base nos parâmetros geomecânicos obtidos nas retroanálises, foram realizadas novas análises de estabilidade da barragem, desta vez considerando-se sua nova geometria e as novas condições de carregamentos determinadas pelos estudos hidrológicos e hidráulicos. Os coeficientes de segurança utilizados para os vários casos de carregamento, estão indicados na Tabela 1. Com relação aos carregamentos hidráulicos, foram considerados três diferentes níveis de água a montante e dois diferentes níveis a jusante, conforme indicado na Tabela 2. Nos casos CCN, o nível d água de montante tangencia a crista do vertedouro, sem escoamento, e nos demais casos a água estaria escoando pelo vertedouro. Em todos os casos analisados, foi admitido diagrama de subpressões totais na base.

6 Foram calculados os coeficientes de segurança à flutuação, ao tombamento e ao deslizamento, obtendo-se os valores indicados na Tabela 2. Além disso, foi também efetuada a verificação do nível de tensões atuantes na base, como é de praxe. Caso de Carregamento NA Montante NA Jusante FST Fator Segurança ao Tombamento FSD Fator Segurança ao Deslizamento FSF Fator Segurança à Flutuação CCN , ,94 1, CCN , ,94 1,16 0,88 2,77 CCE , ,94 1,06 1,01 2,98 CCE , ,94 0,87 0,97 2,67 CCL , ,94 1,09 1,00 2,99 CCL , ,94 1,08 0,95 2,69 Tabela 2 - Coeficientes de Segurança Para as Novas Condições de Contorno da Barragem ANÁLISE DOS RESULTADOS - ESTUDOS ADICIONAIS Observa-se da Tabela 2, que os coeficientes de segurança são menores do que os valores indicados na Tabela 1, que são aqueles adotados internacionalmente para este tipo de projeto. Embora se possa argumentar que, devido ao efeito tridimensional favorecido pela geometria do vale e pelo ligeiro arqueamento da barragem, os coeficientes de segurança seriam maiores que aqueles calculados nas análises bidimensionais, ainda assim, decidiu-se buscar uma solução que permitisse um aumento dos valores dos coeficientes de segurança, ainda no âmbito das a- nálises bidimensionais. Foram estudadas duas soluções para o problema: a primeira seria a de aumentar a massa de concreto da estrutura e a segunda, escolhida por ser a mais econômica, corresponderia a introdução de uma linha de furos de drenagem, para alívio das subpressões na base, a partir do talude de jusante, já que a barragem não possui galeria de drenagem. Estes furos seriam perfurados por roto-percussão, a uma altura de 6m, com inclinação de 20º, até atingir o contato concreto rocha a, aproximadamente, 4m do paramento de montante, conforme indicado na Figura ANÁLISE DA ESTABILIDADE CONSIDERANDO O EFEITO DOS DRENOS DE ALÍVIO Subpressões Para avaliação da influência dos drenos na estabilidade da barragem, foram realizadas análises com base em dois critérios para o estabelecimento das subpressões na base da barragem.

7 O primeiro critério, mais convencional, indicado na Figura 7, define as pressões na linha de drenos através da seguinte expressão: H d ( H m H j ) = H j + (4) 3 onde: H m = carga hidrostática de montante H j = carga hidrostática de jusante H d = carga hidrostática na linha de drenos O segundo critério, menos convencional (2), indicado na Figura 8, e que leva em conta a geometria do sistema de drenagem, define a subpressão média na linha de drenos como: S = CD + onde: ( S CD) d ( Sd H j ) ( ) Sd CD 2 (5) bλ 2π λ = (6) 2ax axln πϕ [ 1.5( x + 1) x] Os simbolos indicados nas expressões acima correspondem a: S d = subpressão média ao longo da linha de drenos d = distância da linha de drenos ao paramento de montante b = distância da linha de drenos ao pé de jusante λ = fator de forma da linha de drenos CD= distância entre a boca do dreno e o plano de referência Hj = carga hidrostática de jusante a = distância entre drenos ϕ = diâmetro dos drenos x = 1.73 Os valores das subpressões indicados na Figura 7 e na Figura 8, correspondem aos casos C- CL Coeficientes de Segurança Os resultados das análises, para os dois critérios de estimativa de subpressões, estão apresentados na Tabela 3.

8 Caso de car- Critério Convencional Critério Não Convencional regamento FST FSD FSF FST FSD FSF CCN1 1,49 1, ,62 1,12 5,20 CCN2 1,47 1,03 3,51 1,59 1,10 4,50 CCE1 1,35 1,32 3,78 1,46 1,40 5,04 CCE2 1,32 1,29 3,40 1,43 1,37 4,38 CCL1 1,38 1,17 3,81 1,50 1,24 5,10 CCL2 1,36 1,14 3,42 1,47 1,21 4, Tração na Base Tabela 3 - Coeficientes de Segurança Com Drenagem na Base No caso das análises realizadas com o critério convencional, o percentual de área da base submetida à tensões de tração, nos casos de carregamento excepcional e limite, mostraram-se acima dos valores geralmente aceitáveis, que limitam a porcentagem de área da base submetida à tensões de tração a, no máximo, 25% da área da base, desconsiderando-se o aumento das subpressões devido ao descolamento da mesma. Levando-se em consideração o aumento de subpressão devido ao descolamento da base, a porcentagem da área tracionada aumentou sensivelmente, indicando instabilização da barragem. No caso das análises realizadas com o critério não convencional entretanto, verificou-se que, no caso CCN, a base da barragem apresentava tensões de compressão em toda a sua extensão. Nos casos CCE e CCL, embora parte da base da barragem apresentasse zonas tracionadas, a área submetida a tensões de tração era menor que 25% da área total. 7 - CONCLUSÕES A utilização do sistema de drenagem introduzido a partir da face de jusante da barragem, embora não seja uma solução convencional, viabilizou a implantação do novo sistema de controle de cheias da barragem das Codornas, garantindo-lhe um nível de segurança adequado no evento de repetição do acidente. 8 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1 - J. F. da Silva, E. A. Barbosa - "Reabilitação da Barragem das Codornas" - XXIII Seminário Nacional de Grandes Barragens - Belo Horizonte - março/ R. A. Andrade, M. A. B. Afonso - "Nova Abordagem na Verificação da Estabilidade das Estruturas Hidráulicas" - XV Seminário Nacional de Grandes Barragens - Rio de Janeiro - novembro/1983.

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