MEDIDAS ESTRUTURAIS EM BACIAS DE DISSIPAÇÃO PARA REDUÇÃO DE EROSÕES A JUSANTE DO DISSIPADOR

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1 COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS XXIX SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS PORTO DE GALINHAS PE, 08 A 11 DE ABRIL DE 2013 T 109 A 12 MEDIDAS ESTRUTURAIS EM BACIAS DE DISSIPAÇÃO PARA REDUÇÃO DE EROSÕES A JUSANTE DO DISSIPADOR Marcos Hideyoshi FUDIMORI Engenheiro Civil Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica Bruno PECINI Engenheiro Ambiental Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica Kikuo TAMADA Consultor Fundação Centro Tecnológico de Hidráulico José Carlos de Melo BERNARDINO Coordenador da Modelação Hidráulica Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica RESUMO: Em geral, usinas hidrelétricas de baixa ou média queda justificam a utilização de vertedouros com bacia de dissipação de energia por ressalto hidráulico. Estudos experimentais em modelo físico utilizando fundo móvel à jusante da bacia de dissipação mostraram que alguns tipos de condições geológicas locais podem favorecer processos erosivos mais intensos no canal de restituição junto às extremidades da bacia de dissipação. Neste trabalho são discutidos os principais resultados obtidos nos estudos em modelo físico reduzido das Usinas Hidrelétricas de Foz do Chapecó e Estreito que apresentaram esta tendência erosiva. ABSTRACT: Usually hydropowers with low or medium fall justify the use of spillways with energy dissipation by hydraulic jump. Experimental studies in physical models using movable bottom downstream of the stilling basin have been showed some kinds of geologic conditions can provide higher erosive trends in restitution channel along the edges of the stilling basin. This paper presents the main results obtained in the studies on physical scale models of Foz do Chapecó Hydropower and Estreito Hydropower in which those erosion trends are identified. XXIX Seminário Nacional de Grandes Barragens 1

2 1. INTRODUÇÃO Um dos aspectos de fundamental importância no projeto de grandes barragens tratase do dimensionamento do sistema de dissipação de energia do conjunto extravasor. O dissipador de energia deve ser dimensionado de tal modo que o escoamento oriundo do vertedouro seja restituído ao curso d água a jusante com energia residual compatível com a condição de resistência oferecida pela calha, de forma que as erosões no leito do rio sejam as menores possíveis, tanto para não afetar demasiadamente a morfologia fluvial, quanto para não colocar em risco a própria segurança da barragem. No caso de grandes barragens é comum a utilização de modelos físicos reduzidos para avaliação das condições de dissipação de energia do conjunto extravasor. Os modelos físicos em escala reduzida são poderosas ferramentas de auxilio aos projetos de engenharia, pois permitem reproduzir uma série de condições de escoamento que serão enfrentadas pela barragem ao longo de sua construção e operação, visando a garantia das condições de segurança do empreendimento e otimização dos projetos das estruturas hidráulicas, com enfoque na redução dos impactos ambientais e dos custos do empreendimento. No caso da verificação das condições de dissipação de energia do conjunto extravasor, é comum realizar ensaios em modelos físicos sob condições de fundo móvel, o que significa reproduzir o trecho do curso d água a jusante da bacia de dissipação com material erodível. Este material, que pode ser constituído de areias ou pedriscos, tem a finalidade de reproduzir no modelo reduzido um comportamento de erosão e deposição semelhantes ao leito do rio quando submetido às mesmas condições de escoamento. A finalidade básica destes ensaios é apresentar tendências erosivas generalizadas ou localizadas no canal de restituição que possam comprometer a integridade da obra, ou ainda causar impactos indesejados na calha do rio natural. Caso seja observada a ocorrência destas erosões, são estudadas alternativas no sentido de eliminar essa ocorrência ou mesmo mitiga-la até que se torne aceitável. Vale destacar que ensaios de fundo móvel são testes que apresentam resultados qualitativos, visto que o material solto utilizado no modelo físico não reproduz com precisão a resistência do material geológico existente na obra, mas somente o tamanho médio provável do resultado de fragmentação das rochas existentes no leito do rio, obtido através dos estudos geológicos. O presente trabalho pretende apresentar os principais resultados de dois estudos de caso nos quais foram detectadas erosões localizadas e intensas a jusante do dissipador de energia. Tratam-se dos estudos em modelos físicos das Usinas Hidrelétricas de Foz do Chapecó e Estreito, nos quais foram desenvolvidas pesquisas de alternativas que possibilitassem a redução do fenômeno erosivo. Para o caso da UHE Foz do Chapecó foi desenvolvido no CTH um pequeno defletor instalado nas extremidades da bacia junto ao end-sill, que possibilitou uma melhora no direcionamento do escoamento, resultando assim em uma diminuição da fossa erodida nestes extremos. XXIX Seminário Nacional de Grandes Barragens 2

3 No estudo da UHE Estreito, mesmo havendo uma erosão semelhante à ocorrida em Foz do Chapecó, foi necessária uma intervenção diferente, tendo sido utilizado um prolongamento no comprimento da bacia de dissipação para mitigar o efeito erosivo. 2. UHE FOZ DO CHAPECÓ A Usina Hidrelétrica Foz do Chapecó está instalada no Rio Uruguai, entre os municípios de Águas de Chapecó, em Santa Catarina, e Alpestre, no Rio Grande do Sul, conforme localização ilustrada no mapa da FIGURA 1. A casa de força, onde as unidades geradoras estão instaladas, fica localizada em Alpestre possuindo potência total instalada de 855 MW, com 4 unidades geradoras do tipo Francis e queda livre de referência de 49,80 m, sendo que em 14 de outubro de 2010 a primeira das quatro unidades entrou em operação e a última em 12 de março de FIGURA 1 Localização geográfica da UHE Foz do Chapecó (fonte: Mapa Hidroviário do Ministério dos Transportes) A barragem é de enrocamento com núcleo asfáltico e possui 598 m de extensão com 48 m de altura. O vertedouro possui 15 vãos de 18,70 m e foi projetado para veicular uma vazão de m³/s. A UHE Foz do Chapecó foi construída pela empresa CCCC Construções e Comércio Camargo Correa S.A. que contratou a FCTH Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica para realizar os estudos em modelo físico reduzido, a fim de auxiliar na otimização do Projeto Básico e Executivo desenvolvidos pela empresa CNEC Consórcio Nacional de Engenheiros Consultores, conforme arranjo geral ilustrado na XXIX Seminário Nacional de Grandes Barragens 3

4 FIGURA 2. FIGURA 2 - Arranjo Geral da UHE Foz do Chapecó O modelo reduzido tridimensional foi construído na escala 1:120, representando um trecho de 2.500m ao longo do eixo do rio Uruguai (sendo m a montante do eixo da barragem e 1.400m a jusante do eixo), com uma largura média superior a m, conforme ilustra a FIGURA 3. [1] FIGURA 3 Modelo reduzido tridimensional da UHE Foz do Chapecó XXIX Seminário Nacional de Grandes Barragens 4

5 A bacia de dissipação de energia utilizada neste empreendimento foi do tipo inclinada com end-sill, como mostra a FIGURA 4. A bacia foi dimensionada com 56,3 m de comprimento e inclinação de 1:4,45. O end-sill possui 13,5 m de comprimento e inclinação de 1:3,48 no paramento de montante. FIGURA 4 UHE Foz do Chapecó Bacia de dissipação inclinada com end-sill A dissipação de energia foi verificada por meio de ensaios em modelo reduzido utilizando-se fundo móvel. O material utilizado para este ensaio foi obtido através da análise geológica do local que apontou uma probabilidade de fragmentação do maciço rochoso em blocos com 0,6 m de diâmetro médio. Os resultados dos ensaios de fundo móvel apresentaram uma tendência erosiva localizada na extremidade esquerda e a jusante da bacia dissipadora. Neste local, a cota do terreno era de aproximadamente 210,0 m, e após a passagem da cheia máxima provável (62.190,0 m³/s) ocorreu uma erosão de 11 m de profundidade, atingindo a cota 199,0 m. A FIGURA 5 e FIGURA 6 ilustram os resultados deste ensaio. XXIX Seminário Nacional de Grandes Barragens 5

6 FIGURA 5 UHE Foz do Chapecó Detalhe da erosão junto ao muro de restituição esquerdo para VMP FIGURA 6 UHE Foz do Chapecó Detalhe da erosão junto ao muro de restituição esquerdo para VMP Em observação ao escoamento, notou-se que junto ao muro lateral esquerdo da bacia de dissipação formava-se uma erosão localizada e esta pode ser atribuída à ação de uma corrente de formato helicoidal que se forma nos escoamentos em canais junto às suas paredes, associada à turbulência. Este escoamento, ao deixar o end-sill, descolava, formando um escoamento de formato complexo. Esta componente helicoidal da corrente contribui para a formação da erosão nos cantos da bacia de dissipação. As ilustrações apresentadas nas FIGURA 7 e FIGURA 8 procuram esquematizar o fenômeno. XXIX Seminário Nacional de Grandes Barragens 6

7 FIGURA 7 UHE Foz do Chapecó Localização em planta do fluxo helicoidal (em vermelho) FIGURA 8 Vista em perspectiva do fluxo helicoidal a jusante da bacia de XXIX Seminário Nacional de Grandes Barragens 7

8 dissipação (em azul) No sentido de minimizar os efeitos desta corrente foi implantado um defletor na extremidade esquerda da bacia de dissipação. O defletor possui formato de cunha começando na cota 213,38 m junto ao muro e começo do end-sill, e finalizando na extremidade de jusante do end-sill na cota 217,26 m com 14,52 m de largura, como pode ser observado na FIGURA 9 e FIGURA 10. [1]. Os detalhes da geometria do defletor são apresentados na FIGURA 11 FIGURA 9 UHE Foz do Chapecó Localização do defletor em planta FIGURA 10 UHE Foz do Chapecó Detalhe do defletor XXIX Seminário Nacional de Grandes Barragens 8

9 MURO ESQUERDO BACIA DE DISSIPAÇÃO 213,38 END SILL MURO ESQUERDO DEFLETOR 217,26 DEFLETOR 7,26 217,26 CANAL DE RESTITUIÇÃO 14,52 PLANTA S/ ESCALA (medidas e cotas em metros) A END SILL 14,52 CORTE A S/ ESCALA (medidas e cotas em metros) FIGURA 11 UHE Foz do Chapecó Geometria do defletor O objetivo deste defletor foi reduzir a intensidade da corrente que provocava a recirculação no escoamento e, ao mesmo tempo, afastá-la do fundo do canal de restituição a jusante do end-sill. Os resultados dos ensaios após a implantação do defletor mostraram melhora significativa na tendência erosiva do local, diminuindo a erosão de 11 para 2 metros de profundidade. As fotos apresentadas nas FIGURA 12 e FIGURA 13 mostram as fossas de erosão obtidas após a realização dos ensaios. XXIX Seminário Nacional de Grandes Barragens 9

10 FIGURA 12 UHE Foz do Chapecó Fossa de erosão com defletor para VMP (redução da erosão na extremidade da bacia de dissipação). FIGURA 13 UHE Foz do Chapecó Fossa de erosão com defletor para VMP (redução da erosão na extremidade da bacia de dissipação). 3. UHE ESTREITO A Usina Hidrelétrica de Estreito está instalada no Rio Tocantins na divisa dos Estados do Tocantins e Maranhão. A barragem e demais estruturas associadas estão situadas nos Municípios de Estreito (MA) e de Aguiarnópolis e Palmeiras do Tocantins (TO). A UHE Estreito fica a 130 km da cidade de Imperatriz (MA), a 766 km da capital do Estado do Maranhão, São Luís e a 513 km da capital do Estado do Tocantins, Palmas, conforme localização ilustrada no mapa da FIGURA 14. XXIX Seminário Nacional de Grandes Barragens 10

11 FIGURA 14 - Localização geográfica da UHE Estreito (fonte: Mapa Hidroviário do Ministério dos Transportes) A casa de força, onde estão abrigadas as 8 unidades geradoras do tipo Kaplan, possui uma potência total instalada de MW, para uma queda bruta de 22 m. Em abril de 2011, a primeira das oito unidades entrou em operação. A barragem é de terra com proteção de enrocamento e possui 480 m de extensão (sem vertedouro e casa de força) com 57 m de altura máxima. O vertedouro possui 14 vãos, comportas segmento de 19,10 m de largura e foi projetado para atender uma vazão máxima de m³/s. O Consórcio Estreito Energia CESTE é responsável pela construção e operação da Usina Hidrelétrica Estreito que contratou a FCTH Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica para realizar os estudos em modelo físico reduzido, a fim de auxiliar na otimização do Projeto Básico e Executivo desenvolvidos pelo CNEC Consórcio Nacional de Engenheiro Consultores. O arranjo geral, com a casa de força na margem direita e o extravasor na margem esquerda, foi ilustrado na FIGURA 15. XXIX Seminário Nacional de Grandes Barragens 11

12 FIGURA 15 Arranjo Geral da UHE de Estreito O modelo físico reduzido tridimensional foi construído na escala 1:100, representando um trecho de 3.400m ao longo do eixo do rio Tocantins (sendo m a montante do eixo da barragem e m a jusante do eixo), com uma largura média superior a m, conforme ilustra a FIGURA 16. [2] FIGURA 16 Modelo reduzido tridimensional da UHE Estreito escala 1:100 XXIX Seminário Nacional de Grandes Barragens 12

13 A bacia de dissipação de energia utilizada inicialmente neste empreendimento foi do tipo I da USBR com cota de fundo 122,5 m e presença de end-sill. A bacia foi dimensionada com 50,9 m de extensão e o end-sill com 10,0 m de comprimento e inclinação de 1:2 no paramento de montante. A FIGURA 17 mostra um perfil longitudinal da bacia de dissipação. FIGURA 17 UHE Estreito Bacia de dissipação tipo USBR I com end-sill Os estudos de dissipação de energia no modelo físico foram realizados com fundo móvel. Como não era conhecida a granulometria do material resultante da fragmentação do arenito local, foi adotada para os testes em modelo uma areia peneirada com diâmetro médio correspondente a 10 cm. O ensaio de fundo móvel simulou uma cheia do rio com duração aproximada de dois dias e meio e apontou uma tendência erosiva localizada na extremidade direita e a jusante da bacia dissipadora. Neste local, a cota do terreno era de aproximadamente 122,5 m, e após a passagem da cheia de m³/s (correspondente ao período de retorno de 10 anos) ocorreu uma erosão de 12,5 m de profundidade, que atingiu, portanto, a cota 110,0 m. A FIGURA 18 e FIGURA 19 ilustram os resultados deste ensaio. XXIX Seminário Nacional de Grandes Barragens 13

14 FIGURA 18 UHE Estreito Erosão nas extremidades a jusante do dissipador Q= m³/s (TR 10 anos) FIGURA 19 UHE Estreito Erosão nas extremidades a jusante do dissipador Q= m³/s (TR 10 anos) Em observação ao escoamento notou-se que a erosão se formava por uma composição da corrente oriunda do vertedouro com o fluxo a jusante do end-sill, onde foi detectada uma corrente de retorno, conforme ilustrado na FIGURA 20. Esta interação das correntes promovia uma alteração do comportamento característico do fluxo junto a esta região, ampliando o movimento circulatório e contribuindo para a erosão localizada. XXIX Seminário Nacional de Grandes Barragens 14

15 FIGURA 20 UHE Estreito Formação da corrente de retorno (destaque em vermelho). Após a realização deste ensaio decidiu-se substituir o material de fundo móvel utilizado no modelo reduzido por outro de granulometria mais fina, pois se considerou que os resultados estavam superestimando a capacidade resistiva do material do leito do rio. Optou-se por utilizar no modelo físico uma areia fina com diâmetro médio correspondente a 1,5 cm em valor de protótipo. Destaca-se que com esta granulometria mais leve, houve a formação de uma grande fossa de erosão a jusante de quase toda bacia de dissipação para a vazão de m³/s, agravando seriamente o cenário inicial e indicando a necessidade de uma intervenção no mecanismo de dissipação de energia no local. Para diminuição da tendência erosiva foram pesquisadas varias medidas estruturais. Dentre elas destacou-se a Alternativa 1 que consistiu no prolongamento do muro direito, além da bacia de dissipação, associado a um defletor e a Alternativa 5 que prolongou a bacia de dissipação original em 43,5 m. 3.1 DISSIPADOR DE ENERGIA ALTERNATIVA 1 (MURO PROLONGADO E DEFLETOR) Diante dos resultados observados e na tentativa de tentar anular a entrada do fluxo mostrado na FIGURA 20, decidiu-se alongar o muro direito além da bacia de dissipação em 45,0 m, considerando-se que a escavação do canal a jusante do extravasor na margem esquerda possuía resistência suficiente para suportar a ação do escoamento. Em conjunto ao muro prolongado, e para auxiliar na diminuição da tendência erosiva na extremidade direita e a jusante do dissipador, instalou-se um pequeno defletor, similar ao utilizado para o estudo da UHE Foz do Chapecó, conforme mostra a FIGURA 21. [2] XXIX Seminário Nacional de Grandes Barragens 15

16 O material utilizado para o ensaio de fundo móvel foi o mesmo da etapa anterior, ou seja, utilizou-se areia fina peneirada com dimensões que, considerando-se a escala do modelo, reproduziriam um diâmetro médio de 1,5 cm. Com a realização do teste para a vazão de m³/s (correspondente ao período de retorno de 25 anos) houve formação de uma grande fossa de erosão a jusante da bacia, indicando a necessidade de melhoria na dissipação de energia. A fossa de erosão localizada junto à extremidade direita a jusante da bacia de dissipação resultou em uma profundidade de 19,5 m, atingindo a cota 103,0 m. Entretanto, dois resultados positivos foram observados nesta alternativa com relação à original: (a) houve uma redução significativa na erosão localizada junto às extremidades e (b) observou-se acúmulo de material junto ao end-sill, protegendo a estrutura da bacia. A FIGURA 21 e a Figura 22 ilustram o resultado deste ensaio. FIGURA 21 UHE Estreito Alternativa 1 Erosão a jusante da bacia Q=28.270m³/s (TR 25 anos) XXIX Seminário Nacional de Grandes Barragens 16

17 Figura 22 UHE Estreito Alternativa 1 Erosão a jusante da bacia Q=28.270m³/s (TR 25 anos) 3.2 DISSIPADOR DE ENERGIA ALTERNATIVA 5 (BACIA DE DISSIPAÇÃO PROLONGADA) Esta alternativa consistiu no prolongamento da bacia de dissipação em 43,5 m com relação à original, mantendo-se a cota de fundo em 122,5 m. Houve ainda uma alteração no end-sill que passou a ter comprimento de 7,5 m com inclinação de 1:5 no paramento de montante. Para a vazão de m³/s, notou-se significativa melhora na dissipação de energia com relação às alternativas anteriores, com uma redução da ação da corrente de retorno sobre o fluxo oriundo do extravasor, melhorando a conformação do fluxo na região de uma forma geral. A fossa de erosão localizada junto à extremidade direita a jusante da bacia passou 19,5 m (alternativa 1) para 9,5 m de profundidade, atingindo a cota 113,0 m, o que representou uma significativa melhora de desempenho. Além disso, os resultados do ensaio para a alternativa 5 mostraram que, de uma forma geral, houve redução na fossa de erosão ao longo de toda largura da bacia de dissipação, bem como foi possível observar que o material movimentado apresentou tendência a se acumular a jusante do end sill protegendo a estrutura do extravasor. A FIGURA 23 e a FIGURA 24 procuram ilustrar o resultado deste ensaio. XXIX Seminário Nacional de Grandes Barragens 17

18 FIGURA 23 Alternativa 5 Erosão a jusante da bacia Q= m³/s (TR 25 anos) FIGURA 24 Alternativa 5 Erosão a jusante da bacia Q= m³/s (TR 25 anos) Com o aumento no comprimento da bacia, nota-se que a melhora na dissipação de energia minimiza os efeitos da incidência do fluxo erosivo na extremidade direita a jusante do end-sill. Portanto, é possível concluir que o desempenho do dissipador de energia foi um fator importante na melhoria das condições do fluxo restituído, contribuindo de maneira decisiva para a redução da erosão localizada. Além da melhora na dissipação, com esta alternativa houve também um direcionamento da XXIX Seminário Nacional de Grandes Barragens 18

19 corrente de retorno junto à bacia, o que melhorou a conformação do fluxo na região, conforme ilustrado na FIGURA 25. FIGURA 25 UHE Estreito Representação dos fluxos para Bacia Original e Prolongada. 4. CONCLUSÕES Em geral, nas usinas hidrelétricas de baixa ou média queda justifica-se a utilização de extravasores com bacia de dissipação de energia do tipo USBR I, com a presença do end-sill na extremidade de jusante. Na maior parte dos casos, esta configuração faz com que a bacia fique bem protegida, pois a corrente que interage com o end-sill tende a provocar o arraste do material rochoso de jusante para montante, auxiliando na proteção da extremidade da estrutura. Porém, em alguns casos, podem ocorrer erosões localizadas nas extremidades de saída do dissipador de energia junto aos muros da bacia de dissipação. Neste trabalho foram apresentados dois casos, referentes às Usinas de Foz de Chapecó e Estreito, nos quais por meio de testes realizados em modelos físicos reduzidos foi possível detectar tendências erosivas nas extremidades da bacia de dissipação que apontavam a possibilidade do descalçamento desta estrutura. Apesar de em ambos os casos a origem da erosão apresentar causas semelhantes, diferenças na eficiência do dissipador de energia, bem como na conformação do fluxo a jusante, resultaram em soluções distintas para mitigar os processos erosivos. No caso da UHE Foz do Chapecó foi proposta a utilização de um defletor em forma de cunha na extremidade esquerda da bacia de dissipação, cuja finalidade era reduzir a intensidade da corrente que provocava a recirculação no escoamento e, ao XXIX Seminário Nacional de Grandes Barragens 19

20 mesmo tempo, afastá-la do fundo do canal de restituição a jusante do end-sill. No caso da UHE Estreito foi proposto um aumento no comprimento da bacia de dissipação melhorou a dissipação de energia e reduziu o efeito da corrente de retorno que auxiliava na formação da erosão localizada junto à extremidade direita da bacia. Com base nos resultados apresentados neste e em outros estudos, é possível concluir que os modelos físicos são ferramentas extremamente eficientes na otimização de projetos hidráulicos de barragens. Em especial, no caso dos estudos de dissipadores de energia, que são um órgão de segurança da barragem, a utilização da modelagem física é fundamental, sendo que os ensaios de fundo móvel, embora qualitativos, permitem um estudo aprofundado das tendências erosivas no leito do rio. Este estudo permite não só estabelecer as principais consequências dos processos de erosão para a segurança da barragem ou para o meio ambiente, mas também possibilita a busca de alternativas para eliminar ou mitigar estes processos. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à CESTE Consórcio Estreito Energia, formado pelas empresas Companhia Energética Estreito, Estreito Energia S.A., InterCement Brasil S.A., GDF Suez, Vale S.A., Alcoa e Camargo Corrêa Energia por permitirem a utilização dos dados da UHE Estreito e a FCE Foz do Chapecó Energia S.A. formada pelas empresas CPFL Energia, Eletrobras Furnas e CEEE-GT Companhia Estadual de Geração e Transmissão de Energia Elétrica por permitirem a utilização dos dados da UHE Foz do Chapecó na elaboração deste trabalho. Os autores também agradecem a colaboração do técnico Gilvan Pessoa Franco na elaboração dos desenhos. 6. PALAVRAS CHAVES Erosão. Dissipador de energia. Bacia de dissipação 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] UHE FOZ DO CHAPECÓ Modelo Tridimensional 1:120 (2007), Relatório parcial nº 3 Estudo de Fundo Móvel, RP R1, FCTH, São Paulo, SP. [2] AHE ESTREITO Modelo Tridimensional 1:100 Modelo Bidimensional 1:60 (2008), Relatório parcial nº 5 Estudo de erosão a jusante do dissipador de energia, RP R0, FCTH, São Paulo, SP. [3] AHE ESTREITO Modelo Tridimensional 1:100 (2008), Relatório parcial nº 5 Complementar 1 - Estudo de erosão a jusante do dissipador de energia, RP05 Complementar R0, FCTH, São Paulo, SP. XXIX Seminário Nacional de Grandes Barragens 20

21 XXIX Seminário Nacional de Grandes Barragens 21