COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS XXV SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS SALVADOR, 12 A 15 DE OUTUBRO DE 2003 T92 A36 SOLUÇÃO NÃO CONVENCIONAL PARA O VERTEDOURO DO AHE ITAPEBI Lailton Vieira Xavier Silvano C. Albertoni Roberto Borges Moraes ENGEVIX ENGENHARIA S.A. RESUMO O presente trabalho descreve a solução singular adotada para a adequação do projeto do vertedouro do AHE Itapebi às condições geológicas imprevistas, cujo melhor conhecimento se deu apenas em julho/2001, durante a sua construção, após o escorregamento do maciço rochoso na ombreira esquerda. Devido a esta condição, foi necessário afastar o lançamento do jato do vertedouro da encosta contígua à bacia, já parcialmente escavada. A mudança foi testada em ensaios no modelo hidráulico reduzido, indicando a sua adequação, que posteriormente foi confirmada na operação. ABSTRACT This paper presents the singular solution adopted for the Itapebi HPP Spillway, due to an unforeseen geological condition. That feature was first recognized only in July 2001, during the construction, when a large rock mass sliding occurred on the left bank. In order to prevent stability problems, it was necessary to keep the spillway jet far from the abutment, taking into account that the spillway was already partially excavated. The design solution, first approved in hydraulic scale model tests, performed appropriately in the operational phase. 1 - INTRODUÇÃO O AHE Itapebi está localizado na bacia do rio Jequitinhonha, no município de Itapebi, região sul do estado da Bahia (Figura 1). A usina conta com 3 unidades geradoras Francis de 150 MW cada, totalizando 450 MW de potência instalada. 1
A concessão para exploração energética pertence a Itapebi Geração de Energia S.A., empresa do Grupo Iberdrola. As obras foram iniciadas em outubro de 1999, e o inicio de geração comercial da primeira unidade aconteceu em fevereiro de 2003. Os equipamentos eletromecânicos foram fornecidos pela Alstom Power, e montados pela Construtora Norberto Odebrecht. As obras civis estiveram a cargo das construtoras Norberto Odebrecht e Andrade Gutierrez. O projeto executivo foi desenvolvido pelas empresas Engevix e Intertechne. O AHE Itapebi está localizado na bacia do rio Jequitinhonha, no município de Itapebi, região sul do estado da Bahia (Figura 1). A usina conta com 3 unidades geradoras Francis de 150 MW cada, totalizando 450 MW de potência instalada. A concessão para exploração energética pertence a Itapebi Geração de Energia S.A., empresa do Grupo Iberdrola. As obras foram iniciadas em outubro de 1999, e o inicio de geração comercial da primeira unidade aconteceu em fevereiro de 2003. Os equipamentos eletromecânicos foram fornecidos pela Alstom Power, e montados pela Construtora Norberto Odebrecht. As obras civis estiveram a cargo das construtoras Norberto Odebrecht e Andrade Gutierrez. O projeto executivo foi desenvolvido pelas empresas Engevix e Intertechne. FIGURA 1: Localização do AHE Itapebi Na Figura 2 apresenta-se o arranjo geral do empreendimento. 2
FIGURA 2: Arranjo Geral do Empreendimento 2 - PROJETO DO VERTEDOURO O vertedouro do AHE Itapebi é do tipo superfície com controle de comportas. A crista, na El. 90,00 apresenta seis vãos de 17,40 m de largura e altura de 20 m até o nível normal de operação na El. 110,00. O vertedouro foi projetado para permitir a passagem da cheia decamilenar com pico afluente de 20.915 m 3 /s, que, com o amortecimento no reservatório, resulta em um pico efluente de 20.150 m 3 /s e sobrelevação máxima do nível d'água de 0,59 m. A calha, logo a jusante da soleira tem largura inicial de 123,40 m, com estreitamento contínuo até uma largura de 104,48 m na região do defletor originalmente previsto. A vazão específica máxima, portanto, varia, ao longo do rápido, de 169,50 a 200,00 m 3 /s/m. No final do rápido, foi projetado um defletor, com ângulo de saída de 20º em relação à horizontal, na El. 44,50. A dissipação do fluxo se daria através de uma bacia de dissipação escavada em rocha com fundo na El 10,00, cerca de 33 m abaixo do nível d'água máximo de jusante. A bacia foi prevista escavada na margem esquerda de modo a dissipar convenientemente a energia, minimizando riscos de formação de barras, especialmente junto à saída do canal de fuga, na margem direita. 3
3 - IMPREVISTO GEOLÓGICO EXPOSTO APÓS AS ESCAVAÇÕES O maciço rochoso na área de implantação do AHE Itapebi insere-se no contexto geológico do escudo cristalino antigo, do Pré-Cambriano do sul da Bahia, constituído por rochas metamórficas do Super Grupo Espinhaço. No local do empreendimento afloram gnaisses graníticos intercalados por lentes e camadas sub-horizontais de biotita-xisto/anfibolito (BX/AF). A fundação do vertedouro e do rápido é cortada por várias camadas de BX/AF alteradas a parcialmente alteradas em profundidade, com mergulho suave para jusante, as quais foram mapeadas e denominadas informalmente pelas letras F, G, H, I e J, conforme ilustra a seção do Vertedouro mostrada na Figura 3. FIGURA 3: Seção Longitudinal do Vertedouro Em julho de 2001, um grande escorregamento de rocha aconteceu na ombreira esquerda da barragem do AHE Itapebi, abrangendo também a área de implantação do muro lateral direito e metade direita do rápido e da bacia de dissipação de do vertedouro, que já se encontravam escavados. Esse deslizamento se deu ao longo da camada de BX/AF denominada G, com cerca de 13 de inclinação média e ao longo de uma extensão de aproximadamente 210m, envolvendo um volume de rocha de cerca de 170.000m³. O acidente deveu-se a uma convergência imprevisível de fatores geológicos, geomecânicos e geométricos, tais como: o elevado grau de alteração das camadas de BX/AF em extensão lateral e profundidade maiores que o previsto, as inflexões de mergulho localizadas devido as ondulações das camadas, parâmetros geomecânicos de resistência muito baixos (residuais) ao longo de grandes extensões e ocorrência de planos de fraturas aleatórios em direção extremamente desfavorável. Após o acidente, o projeto do rápido e da bacia de dissipação teve de ser adequado às novas condições encontradas, de forma a garantir a estabilidade da fundação, condicionada de forma nociva pelas camadas de BX/AF, em taludes com frente livre voltada para jusante. 4
A solução adotada foi a de não escavar a metade esquerda da bacia de dissipação, evitando o desconfinamento do maciço rochoso no sentido de jusante e prolongar a calha do vertedouro, afastando efeitos erosivos da dissipação de energia das regiões com estabilidade critica. Além disto, na metade esquerda da calha, a estabilização da fundação do rápido foi garantida através da construção de uma chaveta de concreto que interceptou a camada F. 4 - ADEQUAÇÃO DO PROJETO À CONDIÇÃO GEOLÓGICA A ação do fluxo, na região da bacia de dissipação e a jusante da mesma, em condições normais de operação, poderia provocar erosões junto à encosta à esquerda do vertedouro. Dada à condição crítica observada no maciço desta encosta, entendeu-se que tais erosões poderiam ocasionar a liberação de blocos de rocha, afetando a estabilidade do maciço. Esta condição seria inaceitável, pois poderia colocar em risco a estrutura do vertedouro. Neste sentido, foi necessário avaliar possíveis alterações no projeto do vertedouro, já parcialmente implantado, visando garantir a segurança do maciço rochoso lateral à estrutura. Configurada a condição indesejável quanto ao risco de erosão no pé da ombreira esquerda, decidiu-se modificar o projeto com vistas a afastar da encosta o ponto de impacto do jato proveniente do vertedouro. A condição de evitar a formação de barras buscada anteriormente, embora importante, passou a ser desejável, mas não preponderante no projeto em face dos requisitos de segurança global das obras do barramento. Com o vertedouro já escavado, não havia mais a possibilidade de mudá-lo de posição de modo a permitir uma condição mais favorável geologicamente. A alternativa mais óbvia seria a extensão da calha do vertedouro por uma distância da ordem de 100 m, de modo a que o jato fosse lançado totalmente dentro da calha do rio. Por outro lado, com as escavações da calha e da bacia já executadas, esta solução demandaria um grande volume adicional de concreto, ainda que compactado com rolo. Com o vertedouro posicionado obliquamente em relação ao rio, a calha em concreto estendida avançaria, parcialmente, sobre o leito aluvionar do rio Jequitinhonha. Devido à característica do material aluvionar presente e a proximidade da saída dos túneis de desvio, o ensecamento da área para escavação e concretagem seria praticamente inviável. Uma solução aventada, para minimizar os inconvenientes da solução acima, seria a divisão em duas calhas, sendo a calha da direita hidráulica mais curta que a calha próxima à ombreira que se procurava proteger da ação do jato d'água do vertedouro. Com isso, conseguir-se-ia uma redução importante no enchimento de concreto da bacia já escavada e evitaria a execução de estrutura em concreto no leito aluvionar. 5
Todavia, hidraulicamente, esta solução teria o inconveniente de que o jato proveniente da calha direita tenderia a escavar uma fossa de erosão junto à base do defletor da calha adjacente, colocando em risco a estabilidade desta estrutura. Propôs-se, então, uma extensão da calha, a partir do ponto em que a concha do defletor apresenta ângulo 0º com a horizontal (fundo da concha). Esta extensão se dá horizontalmente, mantendo as direções convergentes dos muros laterais. O comprimento da extensão da calha é variável entre zero junto ao muro direito hidráulico até 97 m junto ao muro lateral esquerdo. Ao final da calha, continuase com a curvatura da concha até 20º com a horizontal. O arco que forma a parte ascendente da concha mantém-se circular num plano vertical paralelo ao eixo do vertedouro. Todavia, como o defletor resultante apresenta, em planta, um ângulo de 45º com o eixo do vertedouro, a superfície da concha corresponde ao um trecho de cilindro oblíquo. A Figura 4 apresenta um detalhe em corte da concha defletora oblíqua. FIGURA 04 Detalhe Típico da Concha Defletora As Figuras 5 e 6 a seguir apresentam planta e seções longitudinais da solução adotada. 6
FIGURA 5 Planta da solução adotada FIGURA 6 Seções Longitudinais pelo Vertedouro A geometria adotada, embora aparentemente complexa, não resultou em dificuldade de execução no campo. Esta solução teve a grande vantagem de propiciar o lançamento do jato em uma região mais afastada da ombreira junto à esquerda hidráulica do vertedouro, sem riscos de erosões indesejáveis junto às estruturas, com redução significativa do volume de concreto em relação às demais alternativas. As figuras 7 e 8 apresentam o vertedouro em final de execução, já com a nova solução. 7
FIGURA 7: Vertedouro em vista de Jusante p/ Montante FIGURA 8: Vertedouro em vista de Montante p/ Jusante 8
5 - ESTUDOS HIDRÁULICOS REALIZADOS Considerando o ineditismo da solução, especialmente num vertedouro com vazões específicas da ordem de 200 m³/s/m, era necessário avaliar as condições de operação do vertedouro para toda a faixa de vazões de operação. Todavia, como a necessidade de adequação do vertedouro aconteceu durante o andamento das obras, não havia tempo disponível para realização de ensaios em modelo reduzido, prévios à tomada de decisão. Os estudos hidráulicos teóricos que levaram à definição da solução são citados abaixo. Foram verificadas as condições de formação de ressalto variável ao longo da largura da calha, no início da operação, em função dos diferentes comprimentos do trecho horizontal, o que não representa problema algum de operação. Há, apenas, uma tendência de expulsão do ressalto, inicialmente junto ao muro direito, progredindo com o aumento da vazão até junto ao muro esquerdo. De qualquer forma, o escoamento supercrítico se estabelece totalmente no trecho horizontal ainda para vazões bastante baixas. Quanto à região de mergulho do jato, a mesma se apresenta como uma linha aproximadamente paralela à linha de descolamento do jato no defletor, a menos de uma mínima redução da distância de alcance, crescente na medida em que se aproxima da esquerda hidráulica. Isto se deve à maior perda de carga ao longo do trecho horizontal progressivamente maior, o que resulta em leve diminuição da velocidade de lançamento. Como a linha que reúne os pontos de mergulho do jato é obliqua (45º) em relação ao sentido do escoamento, esperava-se uma leve deflexão do escoamento para a esquerda hidráulica após o impacto. Esta deflexão seria explicada pelo fato de que a massa d'água à jusante e a esquerda tenderia a estar mais acelerada para frente pela parcela do jato adjacente. Enquanto isso, a tendência de deflexão para a direita estaria dificultada pela menor aceleração da massa d'água (mais afastada do ponto de impacto) e pela provável corrente de retorno que se formaria entre o vertedouro e a outra margem do rio. Esta deflexão, não sendo muito pronunciada que levasse a afetar a margem esquerda, poderia até ser benéfica, minimizando a formação de barras junto à casa de força. Com base nas avaliações teóricas realizadas, tomou-se a decisão de modificar o projeto e procedeu-se à realização de ensaios de verificação no modelo hidráulico reduzido. Os ensaios realizados no modelo reduzido confirmaram as tendências esperadas de comportamento do fluxo, acima descritas, e demonstraram uma excelente performance do escoamento ao longo da calha e defletor esconsos, bem como da dissipação de energia e escoamento geral a jusante. As Figuras 9 e 10 apresentam os ensaios em modelo hidráulico reduzido, com vazão de 10.840 m 3 /s (TR=100 anos) para a nova geometria do vertedouro. 9
FIGURA 9: Vertedouro em operação no Modelo Reduzido em Escala 1:100 FIGURA 10: Modelo Reduzido do Vertedouro Restituição do fluxo ao leito do rio 10
6- ENTRADA EM OPERAÇÃO O vertedouro do AHE Itapebi entrou em operação no dia 01/01/2003. Neste período, chegou a operar continuamente por mais de três meses e descarregou vazões de até 1.500 m 3 /s. A observação da operação do vertedouro demonstrou que estavam a adequadas as premissas adotadas quando da concepção da estrutura modificada, da mesma forma que pode ser observado nos ensaios em modelo reduzido. As figuras 11 e 12 apresentam o vertedouro em operação. FIGURA 11: Vista do Vertedouro em operação FIGURA 12: Detalhe do Ressalto Hidráulico durante a operação 11
7- CONCLUSÃO As estruturas vertentes, especialmente em projetos que requerem alta capacidade de descarga, normalmente são definidas de modo a garantir condições de escoamento previsíveis face ao tremendo potencial erosivo dos fluxos de alta velocidade, tanto em rocha quanto em superfícies de concreto. Desta forma, é natural se buscar geometrias comumente empregadas cuja performance é bastante conhecida e está convenientemente registrada em literaturas técnicas específicas. Todavia, quando existe um fator superveniente na definição do arranjo destas estruturas, formas novas, ou variações daquelas já conhecidas, podem ser empregadas com sucesso, desde que compreendidas adequadamente as características do escoamento e não subestimado o potencial erosivo do mesmo. A solução empregada em Itapebi, embora não convencional, representou a melhor alternativa, tanto do ponto de vista técnico como econômico, quando comparada às possíveis soluções convencionais. 8- REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA PROJETO HL-104 - Estudos Hidráulicos em Modelo Reduzido do Aproveitamento Hidrelétrico de Itapebi - Relatório nº 11 - Estudo do Vertedouro após Modificações feitas em função do Deslizamento ocorrido na Ombreira Direita - CEHPAR - Fevereiro de 2002 12