O GRANDE POTENCIAL APRESENTADO PELA ANÁLISE DE RISCO DE USINAS HIDRELÉTRICAS A EXPERIÊNCIA DA CESP

Transcrição

1 COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS XXVII SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS BELÉM PA, 03 A 07 DE JUNHO DE A03 O GRANDE POTENCIAL APRESENTADO PELA ANÁLISE DE RISCO DE USINAS HIDRELÉTRICAS A EXPERIÊNCIA DA CESP João Francisco Alves SILVEIRA Engenheiro, SBB Engenharia Ltda Edvaldo Fábio CARNEIRO Engenheiro, CESP Companhia Energética de São Paulo Euclydes CESTARI Júnior Engenheiro, CESP Companhia Energética de São Paulo Júlio César PÍNFARI Engenheiro, CESP Companhia Energética de São Paulo RESUMO Apresentam-se as principais conclusões das análises de risco aplicadas a avaliação das condições de segurança de quatro Usinas Hidrelétricas da CESP. Duas outras serão analisadas em Tratam-se de análises realizadas no âmbito de um workshop, envolvendo especialistas em Segurança de Barragens. Estudam-se as condições geológicas-geotécnicas, controle de qualidade, desempenho das obras civis, obras de reparo eventualmente implementadas, etc., consubstanciados em trabalhos técnicos apresentados em Seminários Nacionais, Congressos Internacionais e documentos da CESP. As análises têm sido importante para ressaltar em cada uma destas usinas, quais são os locais mais críticos em termos de segurança, e como se pode atuar com medidas corretivas. ABSTRACT This paper presents the main conclusions of the risk analyses of four Dams of CESP. Two more dams will be analyzed in These analyses were accomplished in a workshop involving specialists in Dam Safety. The work begins with a review on the aspects of geologic-geotechnical investigations, construction project, quality control, construction performance repair works that are occasionally realized, etc, published in technical reviews presented in National Seminars and International Congresses, as well as in the available documents in the files of CESP, involving the referred dams. These analyses have been of relevant importance to point out, in each one of the plants, which are the most critical places in terms of safety and how one may act to implement corrective measures. XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 1

2 1. INTRODUÇÃO Barragens, como todas as estruturas, sofrem permanente ação de agentes agressivos que as deterioram ao longo do tempo, quer seja de maneira lenta, como se espera, ou algumas vezes, de modo rápido contrariando a expectativa de seus projetistas. Pelo fato das barragens oferecerem danos potenciais associados, médio ou alto, em termos econômicos, sociais, ambientais ou de perdas de vida humana, requerem supervisão permanente quanto às suas condições de segurança. A CESP, através da Divisão de Engenharia de Manutenção Civil e Segurança de Barragens, desenvolve ações com objetivo de manter a integridade estrutural e operacional de suas barragens, a preservação da vida, propriedade e do meio ambiente [1]. Dentre várias ações, destacam-se a reavaliação dos níveis limites da instrumentação das barragens da CESP, trabalho realizado conjuntamente com a THEMAG Engenharia, em 2001 [2], cujos valores de referência de leituras servem para orientar os processos de análise do comportamento dos diversos instrumentos e tem sido útil para o corpo técnico da CESP, nas análises preliminares sobre o comportamento das estruturas, e o programa de melhoria contínua da CESP, focado no desenvolvimento de habilidades essenciais para realização das atividades nas várias áreas da Companhia, o que propiciou ao Departamento de Engenharia e Gestão da Manutenção buscar aprimoramentos na Avaliação da Segurança de suas Barragens. Dessa busca, viabilizou-se encontros na forma de workshop sobre Análise de Risco das Usinas Hidrelétricas da CESP. A empresa contratada para realizar os levantamentos preliminares e executar os estudos de Análise de Risco, bem como o treinamento dos engenheiros foi a SBB Engenharia Ltda, através do Engenheiro e Consultor João Francisco Silveira. Para a realização da análise de risco de uma Barragem são necessários basicamente os dados sobre o vale à jusante do empreendimento, população e propriedades envolvidas, obras de artes existentes, monumentos históricos, desenhos, relatórios técnicos e dados de projetos. No caso específico da CESP, foi fornecido à SBB Engenharia, relatórios de execução de obras, projetos, dados de instalações dos instrumentos de auscultação, relatórios de análise da instrumentação, desenhos, perfis de sondagens e outras informações relevantes das estruturas. Nos workshops foram abordados os seguintes aspectos sobre os empreendimentos: sismologia do local; características principais do empreendimento; aspectos geológicos e geotécnicos; propriedades do maciço rochoso de fundação das estruturas de concreto; propriedades do maciço de fundação dos maciços de terra-enrocamento; áreas de empréstimo e propriedades do aterro; estruturas de concreto e reatividade-álcali-agregado; instrumentação de auscultação das estruturas de concreto; XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 2

3 instrumentação de auscultação dos maciços de terra-enrocamento; comportamento das estruturas de concreto e suas fundações; comportamento dos maciços de terra-enrocamento; síntese das observações resultantes das inspeções de campo; eficiência das obras de reparo eventualmente já implementadas; cenários de ruptura em potencial para as estruturas de concreto; cenários de ruptura em potencial para os maciços de terra-enrocamento; redução de riscos em potencial através de medidas não estruturais. 2. CONCEITO DE ANÁLISE DE RISCO NO CAMPO DA SEGURANÇA DE BARRAGENS A província canadense de British Columbia, na costa do Pacífico, tem como capital a cidade de Vancouver e possui uma extensão de cerca de 1x10 6 km 2. A sua maior concessionária de energia, a B.C. Hydro, é proprietária de 61 barragens em 43 localidades diferentes, construídas entre 1908 e 1985, foi a primeira a aplicar a técnica da Análise de Risco na avaliação da segurança de suas barragens. As usinas hidrelétricas associadas a estas barragens fornecem aproximadamente 90% da capacidade geradora desta província. B.C. Hydro, assim como a CESP no Brasil, assumiu a postura que ao utilizar os recursos naturais para a produção de energia, ela deve assegurar que seus cidadãos não sejam submetidos a riscos inaceitáveis. Os critérios de projeto e os métodos utilizados em sua construção devem garantir que elas são seguras quando construídas. O Programa de Segurança de Barragens deve assegurar que as barragens continuem seguras ao longo de sua vida útil. A Análise de Risco é um processo sistemático que tem por objetivos básicos: Identificar os riscos em potencial e os modos de ruptura; Proceder à uma estimativa estatística de risco; Avaliar a tolerabilidade de risco; Avaliação do potencial de redução de risco, através de medidas corretivas eventualmente necessárias; Estabelecimento de uma estratégia de atenuação de risco. Este é o processo que está sendo adotado pela CESP para fornecer informações sobre os risco, e as incertezas associadas, auxiliando no processo de decisão sobre a significância dos riscos envolvidos, dentro de uma programação de gerenciamento e supervisão da segurança de suas barragens. Dentre os benefícios e desafios da Análise de Risco, conforme destacam os australianos no Guidelines on Risk Assessment, 2003 [3] e do boletim No 103 do ICOLD [4] : Um tratamento explícito e transparente das incertezas. O conceito de probabilidade desenvolveu-se para permitir a humanidade lidar com incertezas na tomada de decisões. Engenheiros de barragem sempre estiveram conscientes das incertezas e intuitivamente levam-na em consideração. Engenharia de barragens é inerentemente incerta, devido à ocorrência aleatória dos eventos XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 3

4 naturais, tais como cheias e sismos, as variações nas propriedades dos materiais e fundações, e às vezes o conhecimento limitado dos engenheiros em relação ao fenômeno, propriedades do material e processos de ruptura. Avaliação de riscos busca identificar as fontes, natureza e escala das incertezas; Um processo racional e sistemático. A metodologia de avaliação de riscos para revisão dos tópicos de segurança de barragens, incluindo o processo como estipulado na Fig. 1, fornece uma estrutura de trabalho racional, sistemática para gerar todas as informações necessárias para considerar se as barragens são adequadamente seguras. Análises de risco e de engenharia tradicional de barragens tradicionais são elementos-chave para essa estrutura de trabalho; Um caso específico de avaliação de segurança. Avaliação de riscos requer uma estimativa detalhada das conseqüências de uma ruptura em potencial, que é específica para a barragem em questão, e relaciona o nível de segurança requerido para a barragem diretamente a essas conseqüências. A solução tradicional relaciona níveis de segurança requeridos a categorias gerais de conseqüências de ruptura. Essas categorias são normalmente atribuídas por julgamento do engenheiro ou baseando-se em dados limitados de conseqüências de ruptura; Uma avaliação compreensível da segurança da barragem. Avaliação de risco requer identificação de todos os riscos e uma estimativa completa dos riscos de todos os modos de ruptura, sejam eles óbvios ou não, e sejam rapidamente submetidos a análises ou não; Uma base racional, quantitativa para comparação de risco entre várias barragens e modos de ruptura. Avaliação de risco tem por objetivo fornecer comparações de risco para todos os modos de ruptura de uma barragem em particular, e entre um conjunto de barragens. Dentro das incertezas da estimativa, a avaliação de risco fornece uma base de comparação de riscos para classificação, priorização e atribuição de urgência, para todas as barragens do conjunto e para todos os cenários de ruptura em potencial. Na solução tradicional, a comparação de riscos é difícil devido às diferentes medidas de segurança, de acordo com o modo de ruptura e o tipo de barragem; Uma estrutura de trabalho para o planejamento de uma trajetória ótima para a redução de riscos. A estrutura de trabalho para a avaliação de riscos fornece meios para calcular o custo relativo efetivo de uma grande diversidade de medidas de atenuação de risco. Essa capacidade dá a oportunidade de uma solução racional para o planejamento da trajetória ótima para a redução de riscos, diante de todo o conjunto de barragens e de todos os modos de ruptura, de forma que seja feita a melhor aplicação dos recursos disponíveis; Uma base para o estabelecimento dos objetivos do plano de segurança público. Esse é um benefício que pode ser percebido com o decorrer do tempo conforme a avaliação de risco progride e se torna uma prática regular. Soluções tradicionais para análises e margens de segurança aceitáveis para barragens têm sido freqüentemente desenvolvidas, dentro de um grupo de área técnica específica. Por exemplo, engenheiros estruturais desenvolveram modelos estruturais, engenheiros hidráulicos desenvolveram modelos hidráulicos e assim por diante. Cada grupo realiza um bom trabalho técnico, mas a margem de segurança não é estabelecida em um senso comum. O único senso comum é a aversão à ruptura. A avaliação de riscos com todos os seus desafios faz algo que nunca havia sido feito no desenvolvimento dos modelos de engenharia tradicionais. Ela traz equilíbrio à prática comum de avaliação de risco e fornece XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 4

5 uma plataforma para um plano definitivo envolvendo os objetivos de segurança pública; Uma avaliação de riscos sob todos os níveis de carregamento. A avaliação de riscos examina riscos sob todos os níveis de carregamento para checar mais adequadamente aos cenários de ruptura críticos, e então fornecer informações relevantes na tomada de decisão. Aplicando a solução tradicional, os engenheiros tendem a focar eventos extremos, e esse foco pode omitir situações perigosas sob carregamentos menores. Eventos extremos podem não ser os maiores colaboradores para um cenário de risco; Um entendimento apropriado das responsabilidades potenciais da posse de uma barragem. A estimativa de risco específica para uma barragem fornece ao proprietário um conhecimento das responsabilidades que a obra impõe. Tal conhecimento é essencial no planejamento de questões importantes e pode ser valioso para certos propósitos, tais como negociar adequadamente um seguro de proteção; Uma base para demonstração da diligência necessária. Engenheiros adotaram a visão de que, se uma barragem condiz com os modelos tradicionais de engenharia, os riscos residuais são desprezíveis e podem ser tolerados. Os profissionais da área chegaram a essa visão por meio de um longo processo de discussão e experiência, mas sem realmente saber quais são os riscos residuais. Entretanto, é geralmente aceito que os riscos residuais não são nulos; Uma compreensão amplamente melhorada da segurança de uma barragem. Análises de risco melhoraram grandemente a compreensão da segurança das barragens; por exemplo, por meio da análise sistemática da lógica dos mecanismos de ruptura. Nesse sentido, não são apenas os resultados numéricos, que normalmente têm grande incerteza, mas o processo de análise de risco, que é o real beneficiário da avaliação de riscos. 3. INSPEÇÕES DE CAMPO REALIZADAS NAS USINAS DA CESP DURANTE O WORKSHOP O treinamento de campo tem consistido em uma vistoria geral das superfícies aparentes das estruturas de barramento e obras anexas, com todos os participantes do Workshop supervisionadas pelo consultor. De posse dos relatórios de inspeções e auscultação, tem sido, esclarecidas as dúvidas da equipe durante os workshops, tanto do ponto de vista de instrumentação, manutenção, como de pequenas anormalidades registradas nos check-lists elaborados pelos técnicos de segurança de barragens. Importante registrar que ao final das inspeções de campo, que antecedem as discussões sobre análise de riscos, tem sido efetuada uma análise crítica dos pontos abordados, com recomendações efetuadas pela SBB Engenharia. XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 5

6 4. MECANISMO EM POTENCIAL DE RUPTURA DE BARRAGENS MECANISMO DE RUPTURA Perda da eficiência da drenagem Escorregamento através da fundação Escorregamento através da juntas de concretagem Altas tensões de tração nas estruturas Reatividade Álcaliagregado Erosão junto ao pé da estrutura Sismo na região da barragem Carga de assoreamento a montante Plano de instrumentação falho ou incompleto Bloqueio de vertedouro por materiais flutuantes Ruptura ou travamento de comportas Falha de operação ILHA SOLTEIRA Possibilidade muito remota Possibilidade remota em função das baixas subpressões Juntas sem evidência de abertura Estruturas de concreto bem dimensionadas Emprego de pozolana no concreto Bom comportamento após 34 anos de operação No Brasil há baixa sismicidade e nunca houve danos provocados por sismos em barragens Tomada d água não favorece acúmulo de sedimentos junto à fundação Barragem de Ilha Solteira é bem instrumentada, inspecionada e analisada Vegetação flutuante seria descarregada para jusante Comportas são rotineiramente testadas e mantidas JUPIÁ CAUSA DE REJEIÇÃO Possibilidade muito remota Possibilidade remota em função das baixas subpressões Juntas sem evidência de abertura Estruturas de pequeno porte e grande base Emprego de pozolana no concreto (*) Bom comportamento após 34 anos de operação No Brasil nunca houve danos provocados por sismos em barragens Vertedouro de fundo e TA junto à fundação impedem sedimentação a montante Barragem de Jupiá é bem instrumentada e analisada Vegetação flutuante é descarregada para jusante Comportas são rotineiramente testadas e mantidas Equipes são treinadas Equipes são treinadas para situações de para situações de emergência emergência TABELA 1: Ruptura em potencial nas estruturas de concreto. PARAIBUNA PARAITINGA Inexistente Inexistente Inexistente Inexistente Requer supervisão e instrumentação específica Inexistente Há sismicidade natural ou induzidas mas sismos são de baixa a média intensidade Inexistente Esta carga seria favorável como tapete impermeabilizante a montante da BT Barragens de Paraibuna e Paraitinga são bem instrumentadas, inspecionadas e analisadas Pouco Provável Comportas são periodicamente testadas e mantidas Equipes são treinadas para situações de emergência XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 6

7 MECANISMO DE RUPTURA Perda da eficiência da drenagem Escorregamento de taludes Liquefação Erosão interna através do aterro Erosão interna através da fundação Erosão interna através da interface soloconcreto dos abraços ou túnel adutor Altas pressões neutras Altas subpressões na fundação Recalques diferenciais / fissuração ILHA SOLTEIRA JUPIÁ PARAIBUNA PARAITINGA CAUSA DE REJEIÇÃO Manutenção adequada Manutenção adequada Drenagem trabalha afogada e é bem monitorada Drenagem adequada e ausência de sismos Ausência de materiais que podem se liqüefazer Pouco provável em função dos solos do aterro Tipo de maciço rochoso e tratamentos não favorecem Superfícies abatidas dos muros não favorecem Mesmo durante a construção foram de baixa intensidade Análise da instrumentação e implementação de medidas corretivas Já teria ocorrido após 34 anos de operação Drenagem adequada e ausência de sismos Ausência de materiais que podem se liqüefazer (BTMD) (BTMD) Topo rochoso muito fraturado e ausência de medidores de vazão Projeto não deve favorecer, todavia faltam informações precisas sobre interface com a BTMD Durante a construção foram de baixa intensidade Análise da instrumentação e implementação de medidas corretivas Já teria ocorrido após 34 anos de operação Escorregamentos superficiais, há sismicidade na área Ausência de materiais que podem se liqüefazer Pouco provável em função dos gradientes hidráulicos Maior suscetibilidade em função dos materiais Pouco provável em função da grande extensão e pequeno gradiente hidráulico Mesmo durante a construção foram de baixa intensidade Subpressões são moderadas e permanentemente controladas Foram moderados e já teriam ocorrido após 35 anos do final de construção Perda de proteção dos taludes Correção através de manutenções de rotina Correção através de manutenções de rotina Correção através de manutenções de rotina Erosão por galgamento Possibilidade remota Possibilidade remota Possibilidade remota para Paraibuna, e maior para Paraitinga devido camada de areia-siltosa a jusante Sismos na região da barragem Plano de instrumentação falho ou incompleto No Brasil nunca houve danos provocados por sismo em barragens Barragem de Ilha Solteira é bem instrumentada e analisada No Brasil nunca houve danos provocados por sismo em barragens Barragem de Jupiá é bem instrumentada e analisada Sismos de baixa e média intensidade não chegam a comprometer a segurança Barragens de Paraibuna e Paraitinga são bem instrumentadas e supervisionadas TABELA 2: Ruptura em potencial nos maciços de terra e enrocamento. Surge normalmente como um dos mecanismos em potencial de risco das barragens de terra ou enrocamento, a ocorrência de erosão interna ou piping através do aterro, da fundação ou das interfaces aterro-concreto, na região dos muros de ligação, no caso da barragens brasileiras através de vales muito abertos. No quadro a seguir XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 7

8 procurou-se analisar a maior ou menor suscetibilidade à erosão interna das barragens, em função do tipo de solo e suas características de compactação. 5. ANÁLISE DA SUSCETIBILIDADE DE EROSÃO INTERNA OU PIPING EM BARRAGENS Fatores Densidade de Compactação (1) Teor de umidade de compactação Tipos de solo (3) Influência na probabilidade de fissuração ou colapso Mais provável Neutro Menos provável Mal compactado < 95% 95 98% da densidade Bem compactado da densidade seca seca máxima >98% densidade seca máxima máxima Seco ou abaixo da umidade ótima (~ Hot 3%) Argilas finas de baixa plasticidade Hot 1% a Hot 2% Argilas finas de média plasticidade Umidade ótima ou acima da ótima Argilas finas de alta plasticidade. Siltes finos sem coesão TABELA3: Fatores que afetam a probabilidade de fissuração ou a suscetibilidade ao colapso por saturação dos materiais do núcleo (Foster e Fell/1999) [5] Como critério de classificação da plasticidade dos solos utilizados na construção dos aterros de Jupiá, Ilha Solteira, Três Irmãos e Paraibuna-Paraitinga foi empregado o seguinte, no qual IP representa o índice de plasticidade do solo: Baixa plasticidade : 0 < IP < 10 Média plasticidade : 10 < IP < 30 Alta plasticidade : 30 < IP < 50 No quadro a seguir, são apresentadas as características de compactação dos aterros nas barragens da CESP, em questão. Maciço BTMD e BTME Três Irmãos BTMD Ilha Solteira BTME Ilha Solteira Argila arenosa Paraibuna Silte arenoso Paraibuna Argila arenosa Paraitinga Silte arenoso Paraitinga Espessura da N de Desvio Grau de Equipamento camada passadas Umidade Compactação ,8 + 0,6 99,3 + 1,9 20 a ,6 (tf) Rolo tamping (10 km/h) 10 Rolo tamping (15 tf) 10 Rolo tamping (15 tf) 10 Rolo tamping (15 tf) 10 Rolo tamping (15 tf) 0,07 + 1,0 101,8 + 1,0-0,8 + 1,7 98,7 + 3,2-0,9% > 96% - 1,1% > 96 % - 0,5% > 96 % - 1,0% > 96 % TABELA 4: Parâmetros médios de compactação para as barragens de Três Irmãos, Ilha Solteira e Paraibuna/Paraitinga. Barragem de Três Irmãos BTMD Aterro (coluvião), IP = 8,4% - plasticidade baixa Solo residual de basalto, IP=27,1% - plasticidade média e alta XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 8

9 Solo residual de brecha, IP 39,0% - plasticidade alta Barragem de Três Irmãos - BTME Aterro (coluvião), IP = 15% - plasticidade média Solo residual de brecha, IP=28,3% - plasticidade média e alta Solo residual de basalto, IP= 32,2% - plasticidade alta Barragem de Ilha Solteira: solo coluvionar, 11 < IP < 17 - média plasticidade; cascalho argiloso (aluvionar), 8 < IP < 14 - baixa a média plasticidade; Barragem de Paraibuna: Argila arenosa, 30 < IP < 35 - alta plasticidade Silte arenoso, NP < IP < 23 - baixa a média plasticidade Barragem de Paraitinga: Argila arenosa, 23 < IP < 42 - média a alta plasticidade Silte arenoso, NP < IP < 19 - baixa plasticidade Na tabela 5, analisam-se os fatores básicos que condicionam a suscetibilidade de erosão interna destas barragens em decorrência das características geométricas das ombreiras, perfil longitudinal, seção transversal da barragem e tipo de desvio. Fatores Perfil geral da ombreira Irregularidades pequenas no perfil da ombreira Recalque diferencial de fundação Características do núcleo Influência na probabilidade de fissuração ou colapso Mais provável Neutro Menos provável Vales profundos e estreitos. Variações abruptas no perfil. Taludes de ombreira quase verticais Degraus, bancadas, depressões na rocha de fundação, particularmente se contínuas através do núcleo (estradas de acesso) Fundações profundas em solos adjacentes à ombreira em rocha. Solos de fundação de profundidades variáveis. Variação na compressibilidade dos solos de fundação Núcleo delgado, H/W > 2, particularmente núcleos com faces verticais. Material do núcleo mais deformáveis que dos espaldares Núcleo central Razoavelmente uniforme com taludes moderados 0,25H:1V a 0,5H:1V Irregularidades presentes, mas não contínuas através de toda a largura do núcleo Solo de fundação, com variação gradual de profundidade Núcleos médios com 2 < H/W < 1 Materiais do núcleo e dos espaldares com deformabilidade equivalente Perfil de ombreira uniforme. Taludes de ombreira abatidos (> 0,5H:1V) Taludes cuidadosamente modificados ou perfil suave Baixa compressibilidade do solo de fundação. Fundação sem solo. Núcleos espessos H/V < 1 Material do núcleo mais rígido que dos espaldares Núcleo inclinado para montante XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 9

10 Fatores Seção de desvio (durante a construção) Influência na probabilidade de fissuração ou colapso Mais provável Neutro Menos provável Desvio do rio através de seção pela barragem ou novo reaterro muito tempo após a construção da primeira etapa Sem seção de desvio (desvio do rio por galeria ou túnel) TABELA 5: Fatores que afetam a probabilidade de fissuração ou fraturamento hidráulico devido às baixas tensões confinantes (Foster e Fell/1999) [5] Para as várias barragens em estudo, verificou-se que o perfil das ombreiras era um pouco mais íngreme nas barragens de Paraibuna e Paraitinga, em decorrência da topografia local, mas que mesmo nestas barragens a inclinação das ombreiras era da ordem de 1,4H:1,0V, bem superiores ao valor 0,5H:1,0V verificado como mais crítico por Foster e Fells. Com relação aos recalques medidos na barragem de Três Irmãos, os mesmos foram de baixa magnitude, com valores percentuais bem inferiores aos observados em Ilha Solteira e Água Vermelha, onde os recalques medidos (δ) foram de baixa intensidade, a saber: Ilha Solteira: 0,9% < δ/h < 1,2% Água Vermelha: 0,2% < δ/h < 0,4% Três Irmãos: 0,1% < δ/h < 0,2% Tipo de Solo Módulo de deformabilidade (MPa) Teórico (*) Medido BTMD Medido BTME Aterro 60 / / Residual de brecha 30 / Residual de basalto 20 / 40 / / TABELA 6: Comparação entre módulos de deformabilidade adotados em projeto e observados no campo. A barragem apresenta seção transversal homogênea, sem a possibilidade de deformabilidade diferencial entre materiais diferentes. Na seção Est da barragem de Três Irmãos a medição de tensões na base do cut-off apresentou um quadro de tensões efetivas normal, conforme revelado pelas células de pressão total: Relação Tensão Vertical medida: γ.h : σ v / (γ.h u) = 0,99 Coeficiente Empuxo Em Repouso Longitudinal: K o = σ 1 / σ V = 0,58 Coeficiente Empuxo Em Repouso Transversal: K`o = σ T / σ V = 0,34 Desvio do rio foi realizado através das estruturas de concreto, nas barragens de Jupiá, Ilha Solteira e Três Irmãos, não afetando em nada o comportamento das BTMD e BTME. Na tabela 7, analisam-se para cada uma das barragens em estudo as relações entre a altura (H) e a espessura do núcleo, para a avaliação do potencial de risco ao XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 10

11 piping, na qual pode-se observar um quadro geral que não favorece tal ocorrência através do núcleo da barragem propriamente dita. Trecho da Barragem Estaca (seção Típica) Relação H/W Gradiente Hidráulico ( H/ L) BTMD superior 0 a 70 (65) 0,41 < 1 0,28 Ilha Solteira BTMD intermediária 70 a145 (85) 0,41 < 1 0,26 Ilha Solteira BTMD leito rio 145 a 169 (154) 0,31 < 1 0,21 Ilha Solteira BTME 227 a 310 ( 242) 0,48 < 1 0,44 Ilha Solteira Paraibuna ,27 < 1 0,28 Paraitinga ,28 < 1 0,26 TABELA 7: Relação altura/espessura (H/W) para as várias seções. Fatores Inclinação da parede Material de fundação Superfície da parede Contrafortes, anéis de concreto Compactação especial Influência na probabilidade de fissuração ou colapso Mais favorável Neutro Menos favorável Talude negativo Vertical Talude 1H/10V Solo, parede submetido a recalque de rotação Áspero, com irregularidades Presentes, sua geometria dificulta a compactação Sem compactação especial adjacentes às paredes Rocha muito alterada Rocha sã Plana e sem irregularidades ausentes Compactação cuidadosa adjacente às paredes Gradiente hidráulico ao longo da interface G > 5 a 10 G 1 TABELA 8: Fatores que afetam a probabilidade de infiltrações concentradas, associadas com interface concreto/aterro nos muros de ligação(foster e Fell/1999)[5] Observação barragem Três Irmãos Abraços esquerdo e direito Inclinação parede montante: 1H/8V > 1H:10V; Inclinação parede lateral: mais abatido que 1H:10V; Material de fundação: rocha sã devidamente tratada; Superfície da parede plana e sem irregularidades; Ausência de dentes ou contrafortes ao longo do paramento; Compactação cuidadosa do aterro junto aos paramentos de montante e lateral dos muros de ligação direito e esquerdo; Gradiente ao longo da base da estrutura: G < 1. Observação para as barragens de Paraibuna e Paraitinga As barragens de Paraibuna e Paraitinga não possuem muros de ligação com as estruturas de concreto; XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 11

12 gradiente ao longo da parede do túnel adutor é de 0,27 para Paraibuna e de 0,28 para Paraitinga. Sendo, portanto o gradiente de baixa intensidade, podendo-se descartar preocupação com a possibilidade de erosão interna através da interface solo concreto. Observação para a barragem de Ilha Solteira Inclinação parede montante: 1H/8V > 1H:10V; Inclinação parede lateral: mais abatido que 1H:8V; Material de fundação: rocha sã devidamente tratada; Superfície da parede plana e sem irregularidades; Ausência de dentes ou contrafortes ao longo do paramento; Compactação cuidadosa do aterro junto aos paramentos de montante e lateral dos muros de ligação direito e esquerdo; Gradiente ao longo da base da estrutura: G = ~ 1. Em termos gerais, portanto, pôde-se constatar que os aterros das barragens de Jupiá, Ilha Solteira e Três Irmãos, apresentam baixíssima suscetibilidade de erosão interna através do aterro da barragem, sendo tal possibilidade maior nas interfaces solo-concreto dos muros de ligação direito e esquerdo, assim como da Eclusa, no caso da barragem de Três Irmãos. Já para as barragens de Paraibuna e Paraitinga, tal possibilidade também é remota para o aterro propriamente dito, porém de maior suscetibilidade para a fundação, em decorrência de se tratar de solos residuais de granito-gnaisse. 6. CRITÉRIO PARA ANÁLISE DAS PROBABILIDADES DE RUPTURA Tendo essencialmente por base a experiência mundial com as estatísticas sobre rupturas de barragens, que revela como valor atual a probabilidade 10-4 para uma barragem vir a romper por ano e, também, a experiência com análise de risco aplicada à um grande número de barragens canadenses, norueguesas e australianas, propõem-se o seguinte critério para a análise das árvores de evento, tendo por base os resultados mais recentes com o estudo estatístico da ruptura de um grande número de barragens PROBABILIDADE ANUAL DE RUPTURA AVALIAÇÃO DE RISCO ALTAMENTE PREOCUPANTE 10-3 PREOCUPANTE 10-4 ACEITÁVEL 10-5 BOM DESEMPENHO 10-6 ÓTIMO DESEMPENHO 10-7 TABELA 9: Avaliação de risco a partir das árvores de eventos. 7. ÁRVORES DE EVENTOS PARA AS BARRAGENS DA CESP Após a aplicação da Análise de Risco a avaliação das condições de segurança de quatro usinas hidrelétricas da CESP, pôde-se verificar que a nível do Estado de São Paulo, particularmente, os cenários potencialmente mais críticos para as estruturas de concreto dizem respeito à possibilidade de escorregamento através de camadas de baixa resistência na fundação, quando da ocorrência de altas sub-pressões com o tempo. Para os maciços de terra-enrocamento os cenários potencialmente mais XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 12

13 críticos, e que tem sido analisados através da construção de árvores de eventos, são aqueles decorrentes de: Erosão provocada pelo galgamento da barragem, quando da ocorrência de uma cheia excepcional; Erosão interna ( piping ) através da fundação; Erosão interna através da interface aterro-concreto nos muros de ligação. Estes têm sido, então, os cenários de uma ruptura em potencial analisados através de árvores de eventos, para o cálculo das probabilidades de ocorrência a nível de Workshops. A seguir apresenta-se a estrutura básica das árvores de eventos empregadas, cujas probabilidades são atribuídas após vários dias de recapitulação dos aspectos básicos de projeto e de recordação dos pontos mais susceptíveis à problemas, revelado pelo próprio histórico de cada uma das barragens em questão. DETECÇÃO DA INFILTRAÇÃO MATERIAL LANÇADO ESTANCA PROCESSO REBAIXAMENTO DO RESERVATÓRIO DESCALÇAMENTO DO PÉ TEM INÍCIO ESTABILIDADE ASSEGURADA SEM FORMAÇÃO DESENVOLVIMENTO PROGRESSIVO DO PIPING MATERIAL LANÇADO NÃO ESTANCA PROCESSO SEM REBAIXAMENTO DESCALÇAMENTO DO PÉ TEM INÍCIO ESTABILIDADE ASSEGURADA FORMAÇÃO SEM FORMAÇÃO DESCALÇAMENTO DO PÉ TEM INÍCIO FORMAÇÃO O PIPING SE AUTO SICATRIZA INFILTRAÇÃO NÃO DETECTADA ESTABILIDADE ASSEGURADA SEM FORMAÇÃO (*) Erosão interna aterro/fundação 4x10-6 /ano ( após 5 anos de operação). Erosao interna concreto: 10-6 FIGURA 1 - Árvore típica de eventos para Erosão Interna através do abraço. XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 13

14 CHEIA FOI DETECTADA A TEMPO NÃO HÁ TEMPO PARA REBAIXAMENTO DO RESEVATÓRIO GALGAMENTO INICIA EROSÃO DO TALUDE A JUSANTE GALGAMENTO NÃO PROVOCA DANOS SIGNIFICATIVOS FORMAÇÃO SEM FORMAÇÃO CHEIA EXECPIONAL TÉM ÍNICIO REBAIXAMENTO DO RESEVATÓRIO TEM INÍCIO GALGAMENTO INICIA EROSÃO DO TALUDE A JUSANTE GALGAMENTO NÃO PROVOCA DANOS SIGNIFICATIVOS FORMAÇÃO SEM FORMAÇÃO CHEIA É VERTIDA NORMALMENTE PELO VERTEDOURO CHEIA NÃO FOI DETECTADA A TEMPO GALGAMENTO INICIA EROSÃO DO TALUDE A JUSANTE GALGAMENTO NÃO PROVOCA DANOS SIGNIFICATIVOS FORMAÇÃO SEM FORMAÇÃO ( * )Cheia decamilenar FIGURA 2 - Árvore típica de eventos para Erosão Por Galgamento - Cheia Excepcional ESCORREGAMENTO ATRAVÉS DA INTERFACE C/R > 1,0 mm BARRAGEM SE ROMPE PERDA DE EFICIÊNCIA DA DRENAGEM SUBPRESSÃO ATINGE VALORES CRÍTICOS ESCORREGAMENTO ATRAVÉS DA INTERFACE C/R > 1,0 mm BARRAGEM NÃO ROMPE SUBPRESSÃO NÃO CAUSAM PROBLEMAS NÃO HÁ PERDA DE EFICIÊNCIA ( * ) obs.: Em 32 anos de operação não houve sinal de perda de efeiciência da drenagem. Será admitida perda com probabilidade de 1/300. FIGURA 3 Árvore típica de eventos para Escorregamento Através da Fundação (C/R) XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 14

15 Item Cenário de ruptura Erosão interna interface C/A (abraços) Erosão superficial devido a galgamento Escorregamento fundação/estrutura de concreto Erosão interna na interface C/S - Eclusa Risco Total Probabilidade Ilha Solteira Jupiá Três Irmãos Paraitinga Paraitinga 8,0x10-7 8,0x10-5 4,0x10-7 1,9x10-8 3,4x10-6 3,4x10-7 1,5x10-6 1,0x10-5 1,5x10-8 2,5x10-6 1,3x10-8 4,3x10-8 4,2x10-6 8,3x10-5 2,0x10-6 1,0x10-5 TABELA 10: Quadro resumo dos resultados das árvores de evento. 8. PRINCIPAIS CONCLUSÕES Tendo por base a experiência com a aplicação da Análise de Risco à avaliação das condições de segurança das estruturas de barramento das Usinas Hidrelétricas de Jupiá, Ilha Solteira, Três Irmãos e Paraibuna-Paraitinga, no âmbito de Workshops realizados com a participação de cerca de 13 especialistas nas áreas de instrumentação e segurança de barragens da CESP juntamente com o consultor, destaca-se inicialmente que os mesmos têm sido extremamente valiosos no resgate dos principais aspectos envolvendo as investigações geológico-geotécnicas e de projeto, assim como dos pontos mais suscetíveis à problemas, revelados pela instrumentação e pelas inspeções visuais de campo. Alguns locais destas estruturas que já haviam apresentado problemas no passado, mas que não foram presenciados pela equipe mais recente, puderam ser resgatados e valorizados, assim como regiões da barragem na qual a instrumentação original não se fazia mais presente. Estes locais puderam ser relembrados, passando a ser encarados com novo enfoque sob o ponto de vista de segurança das estruturas. A realização de análises de risco através da construção das árvores de evento onde foram determinadas as probabilidades de ruptura dos empreendimentos (ver tabela 10) têm recebido critica de alguns, quanto à confiabilidade das probabilidades finais encontradas. Pode-se destacar, entretanto, tendo por base os procedimentos que antecedem a construção das árvores de eventos em si, assim como a análise dos aspectos e cenários de projeto que podem favorecer ou não a ocorrência de processos de erosão interna através do aterro da barragem, de sua fundação ou de uma interface concreto-solo, que ao final de uma análise de risco consegue-se uma compreensão muito mais lógica e racional das reais características de segurança da barragem e suas fundações. Desde que os Workshops sejam realizados sempre pela mesma equipe, chega-se à conclusão que os valores das probabilidades finais obtidas podem ser comparados em igualdade de condições, constituindo uma ferramenta valiosa para se saber dentre as várias barragens ou estruturas, quais são aquelas que devem receber as prioridades de verba para a melhoria de suas condições de segurança. Ou seja, a análise de risco através da construção das árvores de eventos constitui uma ferramenta de grande utilidade e racionalidade, para o estabelecimento de uma planilha de prioridades, envolvendo um grande número de atividades que se fazem necessárias em grandes usinas hidrelétricas. XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 15

16 Tendo por base estes resultados referentes à análise de risco das barragens de Ilha Solteira, Jupiá, Três Irmãos e Paraibuna-Paraitinga, pôde-se proceder a uma comparação entre as probabilidades totais de risco destas barragens. Deve-se enfatizar que estes resultados foram obtidos ao nível de workshops realizados sempre pela mesma equipe de Engenheiros, após um levantamento o mais completo possível dos dados disponíveis e a avaliação minuciosa dos cenários mais críticos da ruptura em potencial de cada uma das barragens, em igualdade de condições. A probabilidade de ruptura obtido para a barragem de Jupiá, por exemplo, que atingiu 8,3x10-5 se deveu essencialmente à possibilidade de erosão interna através da interface solo-concreto, no abraço esquerdo da barragem, em decorrência da maior altura da barragem, da falta de informações sobre as reais característica do aterro nesta região e da ausência de instrumentação no local. Ficou como recomendação desta análise a realização de uma investigação mais aprofundada desta região, inclusive através da implementação de um plano adequado de auscultação das pressões neutras na região da interface S/C, sem que a instalação de piezômetros na região viesse a colocar em risco a segurança da barragem. Para a barragem de Paraibuna a probabilidade de risco de ruptura obtido é de 10-6, o qual pode ser considerado perfeitamente aceitável, conforme critério já apresentado, porém para a barragem de Paraitinga a probabilidade de risco atingiu o valor 10-5, o qual é aceitável, porém bem inferior ao da barragem de Paraibuna, construídas na mesma época, com materiais semelhantes e constituindo estruturas de porte semelhante. Esta condição um pouco mais crítica para a barragem de Paraitinga foi devida à decisão da Empreiteira das obras civis, que decidiu executar o aterro de jusante sem a camada superficial de argila siltosa, ficando a camada interna de silte arenoso exposta diretamente às condições externas. Este material veio trazer dois problemas durante o período construtivo, a saber, erosão superficial durante períodos de chuva e dificuldade na formação da cobertura vegetal. Atualmente, ao se analisar a probabilidade de ruptura das barragens por erosão decorrente de um eventual galgamento, chegou-se à conclusão que a barragem de Paraitinga é 10 vezes mais suscetível ao risco de ruptura em relação a Paraibuna, em decorrência da camada de silte arenoso ( siltão ) ter ficado exposta a jusante. 9. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem as autorizações da CESP Companhia Energética de São Paulo e da SBB Engenharia Ltda, pela possibilidade de divulgação destas informações referentes à análise de risco destas barragens, integrantes das principais Usinas Hidrelétricas da CESP e registram a participação na elaboração deste trabalho dos engenheiros; Waldyr Lemos Leite, Sérgio Luiz Guimarães Rossetto, Luiz Roberto da Silva; Ruitter Prada Reigada; Wilerson Antonio Cestari; Silvio Roberto Markowski Samara, Aguinaldo Lima de Moraes Junior; Mauro Couvre; José Ulisses Peloso, Carlos Mitsuo Kasai. XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 16

17 10. PALAVRAS-CHAVE Análise de risco, instrumentação, UHE Ilha Solteira, UHE Jupiá, UHE Três Irmãos, Barragens Paraibuna e Paraitinga. 11. REFERÊNCIAS [1] SILVEIRA, J.F.A ( ) Workshop sobre análise de risco das estruturas de barramentos da UHE Paraibuna/Paraitinga, UHE Três Irmãos, UHE Jupiá e UHE Ilha Solteira. [2] KUPERMAN, S.C; MORETTI, M.R.;CIFU, S.; CELESTINO, T.B.;RE; G.;ZOELLNER; K.;PINFARI, J.C.;CARNEIRO, E.F., ROSSETTO, S.L.G.; REIGADA, R.P.; (2003) Critérios para fixação de valores limite da instrumentação civil de barragens de concreto e de terra, XXV Seminário Nacional de Grandes Barragens, Salvador, v.2.p [3] ANCOLD (2003 Guidelines on Risk Assessement, Australian National Committee on Large Dams Inc., October 2003; [4] ICOLD (2005) Risk Assessment in Dam Safety Management, Bulletin N o 130. [5] Foster, M., Fell, R. e Spannagle, M. (1999) Risk Assessment Estimating the Probability of Failure of Embankment Dams by Piping, Australian National Committee on Large Dams ANCOLD, Bulletin N o 112; pp ; [6] Foster, M., Fell, R., Davidson, R. e Wan, C.F.. (2002) Estimating of the Probability of Failure of Embankment Dams by Internal Erosion and Piping Using Event Tree Metthods, Australian National Committee on Large Dams ANCOLD, Bulletin N o 121; pp XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 17