Modelagem Litológica do Maciço de Fundação da Barragem de Itaipu

Modelagem Litológica do Maciço de Fundação da Barragem de Itaipu Josiele Patias Itaipu Binacional, Foz do Iguaçu, Brasil, josielepatias@gmail.com / jpatias@itaipu.gov.br Diane Ubiali Malacrio Centro de Estudos Avançados em Segurança de Barragens (Ceasb-PTI), Foz do Iguaçu, Brasil, diane_ubiali@hotmail.com Débora de Oliveira Fernandes Centro de Estudos Avançados em Segurança de Barragens (Ceasb-PTI), Foz do Iguaçu, Brasil, deboraof@pti.org.br Marilan Albuquerque Centro de Estudos Avançados em Segurança de Barragens (Ceasb-PTI), Foz do Iguaçu, Brasil, marilan.albuquerque@gmail.com RESUMO: Este trabalho apresenta o desenvolvimento de modelos litológicos em duas e três dimensões da fundação rochosa da Barragem de Itaipu, realizado por meio da interpolação de dados oriundos de perfis litológicos obtidos desde o período de construção da usina até os dias atuais. Para a composição destes modelos foram utilizadas informações de sondagens rotativas, além de dados de mapeamento geológico de taludes, túneis, trincheiras e poços de investigação, e informações dos perfis litológicos de furos realizados para a instalação de instrumentos como piezômetros e extensômetros. A fundação da Barragem de Itaipu é composta por basaltos da Formação Serra Geral. Para a construção desta barragem foram investigados intensamente cinco derrames basálticos, atingindo profundidades maiores do que 300 m. Cada derrame apresenta uma composição típica, onde se observa uma camada superficial de basalto vesicular ou vesículoamigdaloidal, abaixo desta se verifica o basalto denso ou compacto. Entre os derrames ocorrem brechas basálticas de espessuras variadas. No interior de cada derrame tem-se a presença de descontinuidades sub-horizontais, que se estendem por toda a área investigada e são, em sua grande maioria, de origem singenética. Para a modelagem destes materiais optou-se pela utilização do programa RockWorks. Neste programa é possível compor o banco de dados, bem como, realizar a modelagem por meio de métodos matemáticos de interpolação de dados georreferenciados, além de permitir a visualização do modelo tridimensional e bidimensional (seções geológicas). A composição de um banco de dados litológicos a partir de informações obtidas por meio de diversos tipos de investigação geológico-geotécnica permite a geração desses modelos de maneira rápida, assim como, a atualização da base de dados e dos modelos e seções. A partir da geração dos modelos é possível visualizar em três dimensões os derrames basálticos investigados e a localização das sondagens, além da realização de seções geológicas e diagramas de cerca, não apenas nos locais onde há pontos investigados, mas em qualquer local que se necessite conhecer as condições geológicas. O método de interpolação utilizado neste trabalho foi o Inverso Ponderado da Distância, o qual apresentou bom ajuste aos dados, conforme revelou a validação realizada por meio da comparação entre seções geológicas elaboradas na época da construção de Itaipu e as seções geradas no RockWorks. As informações obtidas nos modelos são utilizadas em análises da equipe de segurança de barragens de Itaipu, permitindo a avaliação do comportamento de instrumentos instalados nas litologias mapeadas. PALAVRAS-CHAVE: Sondagem Rotativa, Barragem de Itaipu, Modelagem de Maciços Rochosos.

1 INTRODUÇÃO A Usina Hidrelétrica de Itaipu é composta por diferentes tipos de estruturas de barramento (Figura 1), tais como: Barragem de Terra da Margem Esquerda (1); Barragem de Enrocamento (2); Barragem de Ligação, formada por blocos de contraforte (3); Estrutura de Desvio (4), construída com concreto maciço; Barragem Principal (5), composta por blocos de gravidade aliviada; Barragem Lateral Direita (7), constituída por blocos de contrafortes; Vertedouro (8); Barragem de Terra da Margem Direita (9). Figura 1. Barragens que compõem a Usina Hidrelétrica de Itaipu. Fonte: Itaipu (2014) As barragens de concreto são apoiadas em basalto compacto (denso). O objeto de estudo deste artigo é o Trecho E, que pertence à Barragem Lateral Direita, composto pelos seis últimos blocos de contrafortes, próximos à Barragem Principal. Para o estudo das fundaçõess destas estruturas foram executados diversos tipos de investigações geológico-geotécnicas, destacamse as sondagens rotativas, os túneis e trincheiras de exploração, os poços de grande diâmetro e os mapeamentos geológicos. Todos estes dados são utilizados atualmente nas análises de segurança de barragens, onde informações de diversos instrumentos instalados na fundação em rocha são avaliadas e refletem o comportamento das feições monitoradas, tais comportamentos devem ser entendidos através da comparação dos dados de instrumentação com as características geológicas locais. Para tanto, modelos digitais da fundação são utilizados. Estes modelos podem ser apresentados em três e duas dimensões (seções geológicas). Além disso, os dados do arquivo técnico que estão em papel compõem, neste caso um banco de dados digital, onde as informações podem ser tratadas de diversas formas em tempo real. 1.1 Geologia Regional A Bacia do Paraná, com área de aproximadamente 1.500.000 km², é uma ampla região sedimentar do continente sul-americano, que se estende pelos territórios do Brasil, Paraguai, Argentina e Uruguai (MILANI et al. 2007). Segundo Assine, Soares e Milani (1994), no Brasil, sua área aflorante engloba parte dos Estados do Mato Grosso e Mato Grosso do Sul, Minas Gerais, São Paulo, Paraná, Santa Catarina e Rio Grande do Sul (Figura 2). A Bacia possui formato alongado e se desenvolveu a partir do Neo-ordoviciano, composta por rochas sedimentares, formadas em ambientes distintos, e rochas vulcânicas, formadas em derrames, sills e diques. (ZALÁN et al.1990; MILAN et al.2007; SIQUEIRA, 2011). Trata-se de uma das bacias sedimentares brasileiras mais estudadas, sendo tema recorrente na bibliografia geocientífica brasileira. A primeira coluna estratigráfica foi estabelecida por White (1908), sendo esse trabalho, considerado como o marco zero na sistematização estratigráfica da Bacia. Posteriormente, com trabalhos realizados para diferentes áreas de atuação da Geologia, foram propostos diferentes agrupamentos e denominações para os membros, formações e grupos (MILANI et al.2007). Durante o cretáneo, a crosta terrestre foi submetida a um fraturamento associado a um intenso magmatismo basáltico que recobriu a maior parte da Bacia do Paraná. As lavas foram originadas por atividade vulcânica não explosiva e extravasavam por meio de amplas fraturas de distensão (SALAMUNI et al.2002).

Uma característica marcante desse magmatismo é o empilhamento sucessivo de derrames basálticos, que chegam a espessuras de até 1.500 m (MAACK, 1968 apud SALAMUNI et al.2002). Ainda segundo Salamuni et al. (2002), esses derrames estão sobre as sequências sedimentares da Bacia do Paraná. Figura 2. Mapa geológico da Bacia do Paraná. Fonte: Assine, Soares e Milani (1994). Recentemente, o Serviço Geológico do Paraná (MINEROPAR, 2013) publicou um relatório com os resultados do mapeamento Geológico das cartas 1:250.000 de Guaíra, Cascavel, Campo Mourão, Foz do Iguaçu, Guaraniaçu, Guarapuava, Pato Branco e Clevelândia, redefinindo para Grupo Serra Geral a unidade que compreende os derrames vulcânicos da Bacia do Paraná. Segundo a nova proposta o Grupo Serra Geral, apresentaria quatro formações e treze membros. Frente a essa nova classificação, os derrames basálticos que afloram no Município de Foz do Iguaçu pertenceriam ao membro denominado de Foz do Iguaçu, da Formação Cascavel. 1.2 Geologia Local Para a construção da Barragem de Itaipu foram investigados intensamente cinco derrames basálticos, denominados, em ordem ascendente de A, B, C, D e E, com espessuras variando entre 30 e 70 m, sendo que as profundidades investigadas foram superiores a 300 m (IECO; ELC, 1974; ITAIPU BINACIONAL, 2009). Os derrames são relativamente uniformes e apresentam uma gradação entre basalto de estrutura densa ou compacto, para um basalto vesicular ou vesicular-amigdalóide, da base para o topo (IECO; ELC, 1974) O basalto denso apresenta textura microcristalina, densidade e módulo de deformabilidade altos, 2,9 g/cm 3 e 20 GPa, respectivamente. Trata-se de uma rocha altamente fraturada, devido a sua rigidez. O basalto vesículo-amigdaloidal, também possui estrutura microcristalina, porém, com pequenos vazios, chamados de vesículas, que são formadas pelo escape de voláteis enquanto a rocha se consolida, e as amígdalas, denominadas assim, quando os vazios são preenchidos por minerais (IECO; ELC, 1974). Dentre os diversos materiais de preenchimento de amígdalas, citam-se como mais comuns: a sílica amorfa; a calcita e; os minerais da família das esmectitas. O basalto vesicularamigdaloidal investigado para a obra de Itaipu apresenta densidade e módulo de deformabilidade em torno de 2,6 g/cm 3 e 10 GPa, respectivamente (IECO; ELC, 1974). Entre cada derrame são observadas as brechas vulcânicas que apresentam características heterogêneas. Durante o período ocorrido entre dois derrames, a superfície irregular no topo do último derrame foi submetida ao intemperismo, com erosão e deposição de materiais. As brechas vulcânicas são formadas quando, a lava do derrame subsequente remobiliza e funde esses materiais sedimentares (ITAIPU BINACIONAL, 2009). Durante as investigações geotécnicas para as obras de Itaipu foram identificados quatro tipos de brechas vulcânicas, com propriedades geomecânicas e variação lateral diferenciadas, a saber (IECO; ELC, 1997): - Brecha Tipo I: altamente resistente, e compacta, apresenta fragmentos de basalto fortemente cimentados; - Brecha Tipo II: resistente, porém porosa devido a presença de basalto vesicular; - Brecha Tipo III: Extremamente porosa e cavernosa, rigidamente estruturada por veios de

quartzo e carbonato; - Brecha Tipo IV: Argilosa e altamente compressível, com ocorrência em camadas descontínuas. No interior de cada derrame geralmente é encontrada pelo menos uma descontinuidade de origem singenética, provavelmente causada pelo resfriamento diferencial que ocorre no derrame. A erosão causada pelo rio Paraná em seu vale, também pode ter gerado descontinuidades, pelo desconfinamento de massas rochosas que levemente se movimentaram em direção ao leito do Rio (ITAIPU BINACIONAL, 2009). Outro tipo de descontinuidade, encontrada na área, são aquelas associadas ao contato entre dois litotipos de basaltos (IECO; ELC, 1997; ITAIPU BINACIONAL, 2009). Foram mapeadas as seguintes descontinuidades na área das obras: Descontinuidade A, Descontinuidade B, Descontinuidade D também denominada Junta D, Contato A/B (entre os derrames A/B) e Contato C/D (entre os derrames C/D). As descontinuidades foram nomeadas com as letras A, B e D, pois foram localizadas nos derrames de mesma denominação. Os contatos ocorrem entre derrames e recebem as letras dos derrames adjacentes em suas denominações. 2 MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Dados Tratados Este artigo trata da modelagem da fundação das estruturas do Trecho E, composta por seis blocos de contraforte, localizados entre o Trecho D e a Barragem Principal de Itaipu (ver Figura 3). Para este trabalho foram utilizadas informações sobre a litologia oriundas de 50 perfis de sondagens rotativas executadas em diferentes períodos, desde a época da obra até recentemente, além da descrição litológica de furos onde estão instalados instrumentos como extensômetros e piezômetros. Figura 3. Localização da área de estudo. Para a composição do banco de dados e modelagem foi utilizado o programa RockWorks, o qual é um Sistema de Informações Geográficas, aplicado à Geologia e à Geotecnia, que utiliza métodos de interpolação para estimar valores e gerar os modelos. A escolha deste programa se deu, pois apresenta um conjunto de ferramentas e métodos capazes de realizar os modelos necessários para as análises de segurança de barragens. As informações contidas no modelo litológico foram complementadas com mapeamentos geológicos, especialmente nos casos de locação de descontinuidades, bem como, com mapeamentos de túneis e poços de investigação. Para a geração dos modelos foi necessária a composição de um banco de dados contendo informações oriundas das sondagens rotativas. Sendo assim, o banco de dados foi composto pelos seguintes dados: nome da sondagem, coordenadas Norte e Este; cota de boca; profundidade; orientação e; descrição litológica. Para a geração do modelo as litologias existentes foram cadastradas antecipadamente através da ferramenta Stratigraphy (estratigrafia), onde foi desenvolvido um perfil litológico padrão, contendo todos os materiais investigados, conforme pode ser visto na Figura 4.

Figura 4. Perfil litológico padrão, contendo a descrição típica das litologias e feições existentes. 2.2 Desenvolvimento dos Modelos Para a geração dos modelos litológicos foi necessário definir os limites do projeto, que podem ser obtidos automaticamente através dos dados de localização dos furos. Desta maneira, foi gerado o mapa de localização das sondagens que serviu como limite para o desenvolvimento dos modelos litológicos. A fase seguinte envolve a definição do interpolador e os parâmetros de vizinhança e ajustes do modelo. Para este trabalho foi utilizado interpolador IDW (Inverse Distance Weight), denominado em português como Inverso Ponderado da Distância. Na Figura 5 é possível observar os parâmetros utilizados nesse trabalho. Há também ferramentas comuns a todos os interpoladores apresentadas como adicionais, que permitem ajustes nos modelos. Para este trabalho foi ativada a ferramenta high fidelity, que garante que os valores interpolados passem no mesmo local que os valores reais o que torna o resultado obtido na sondagem um verdadeiro ponto de controle para os modelos. Também utilizou-se a opção polyenhanced, que permite que o programa ajuste os dados a uma superfície polinomial e, em seguida, deforma a superfície permitindo continuidade das camadas, sem perda de qualidade do modelo. Para o trecho em análise foi utilizado uma polinomial de ordem 1. Tanto a definição desta opção, quanto à de pontos foram ajustadas de modo a reduzir algumas anomalias que ocorriam no processo quando da validação dos modelos. Os modelos em duas dimensões (seções geológicas) podem ser gerados utilizando-se duas opções, quais sejam: - Section: é possível criar uma seção que passe exatamente por qualquer ponto desejado, mesmo ele não estando em linha reta; - Profile: onde só é possível definir dois pontos que são os limites da seção, mas que permite definir uma largura de varredura. 2.3 Validação dos Modelos Para garantir a fidelidade dos modelos obtidos com a realidade de campo foram comparadas as seções geradas no RockWorks com as seções geológicas históricas correspondentes, obtidas no arquivo técnico de Itaipu. 3 RESULTADOS E ANÁLISES Figura 5. Seleção do interpolador e parâmetros de vizinhança e ajustes do modelo. O expoente utilizado para o IDW foi 2. O número de pontos (sondagens) utilizados para cada interpolação foi definido como 4. Neste capítulo serão apresentados e discutidos os modelos gerados para o presente estudo, bem como a validação destes modelos com a realidade de campo. 3.1 Modelos e Perfis Geológico- Geotécnicos

O modelo litológico tridimensional do maciço de fundação do Trecho E da Barragem de Itaipu pode ser observado na Figura 6. Verifica-se nesta imagem a localização das sondagens que foram utilizadas para compor o banco de dados que gerou o modelo. A legenda apresenta os materiais existentes no local que foram estudados, verifica-se a presença de material inconsolidado, e em seguida a sequência de derrames com as variações de basalto denso e vesicularamigdaloidal. Entre derrames observa-se a presença de brechas basálticas que são denominadas como Brecha E/D, Brecha D/C e Brecha C/B. O modelo da Figura 6 é composto por materiais dos Derrames E ao B, o Derrame A não aparece, pois as investigações no Trecho E não atingiram esta profundidade. A partir do modelo tridimensional é possível a geração de outros modelos, como o diagrama de cerca (Figura 7), onde se visualiza a parte interna do modelo 3D, e os modelos bidimensionais que geram seções geológicas (Figura 8). Figura 7. Diagrama de cerca da fundação do Trecho E. Figura 6. Modelo litológico tridimensional da fundação do Trecho E. Nota-se a presença de uma descontinuidade geológica, denominada Junta D, o que levou a divisão do Derrame D no perfil litológico padrão em Derrame D - Denso Superior e Derrame D - Denso Inferior. Esta denominação foi utilizada apenas para que o programa considerasse esta descontinuidade. A Junta D foi inserida neste modelo, pois trata-se de uma feição de suma importância para as análises de estabilidade dos blocos do Trecho E, sendo densamente instrumentada com piezômetros e extensômetros. As cotas de locação da Junta D foram retiradas de perfis de instalação destes instrumentos, visto que para localização desta feição foi necessária a realização de ensaios de perda d água sob pressão, de mapas topográficos elaborados na época da obra e de mapeamentos geológicos da feição ao longo de túneis e trincheiras de investigação. Figura 8. Seção geológica na fundação do Trecho E. As seções geológicas podem ser extraídas em qualquer local de interesse, a partir de duas metodologias, por meio das ferramentas Section e Profile. A seção geológica da Figura 8 foi obtida com o uso da ferramenta Section, conforme pode ser

visto na Figura 9 (Mapa de locação dos furos de sondagem e da seção em estudo). Caso novas informações geológicogeotécnicas sejam obtidas em campo, estas poderão ser inseridas no banco de dados, sendo que novos modelos poderão ser gerados de maneira rápida. gerada no RockWorks (Figura 8). Percebe-se que as camadas coincidem em ambas as imagens. Assim, pode-se concluir que o interpolador utilizado, bem como, os parâmetros de vizinhança e ajustes definidos resultaram em um modelo muito próximo à realidade de campo. Figura 10. Seção geológica elaborada na época da obra de Itaipu. 4 CONCLUSÃO Figura 9. Mapa de locação dos furos de sondagem e da seção em estudo. O modelo tridimensional desenvolvido para o Trecho E é utilizado em conjunto com análises da instrumentação da fundação, com vistas a avaliação da segurança da Barragem de Itaipu. Este modelo também servirá de base para simulações que serão realizadas em conjunto com a estrutura de concreto, para fins de determinação de novos valores de fatores de segurança das estruturas de Itaipu e, consequentemente, de valores de controle atualizados para os instrumentos. 3.2 Validação dos Modelos Para validação dos modelos desenvolvidos no RockWorks foi realizada a comparação de seções geológicas geradas neste programa com seções elaboradas na época da construção de Itaipu, que se encontram no acervo técnico da usina. Na Figura 10 observa-se uma seção elaborada na época da obra e que também foi A elaboração deste trabalho permitiu as seguintes conclusões: - A composição de um banco de dados georreferenciado e a geração de mapas tridimensionais, com o objetivo de obter o máximo de informações geológico-geotécnica do local estudado, permite uma maior facilidade no manuseio e análise de todas as informações utilizadas pelos engenheiros de segurança de barragens de Itaipu; - O programa RockWorks, desenvolvido para as áreas de Geologia e Geotecnia, direciona a inserção de dados para o tipo de investigação realizada e também para o modelo mais próximo à realidade de campo; - O interpolador IDW, bem como, os parâmetros de vizinhança e ajustes definidos para este estudo adaptaram-se de maneira coerente aos dados, o que pode ser observado por meio da validação realizada com a comparação entre seções geológicas geradas no RockWorks e seções elaboradas na época das obras de Itaipu; - O RockWorks se mostrou um programa com inúmeras possibilidades de interação de acordo com o interesse do usuário, como

exemplo citam-se as seções que podem ser elaboradas conforme necessidade da análise que está sendo realizada; - Os modelos litológicos gerados também podem ser utilizados como informação inicial para simulações matemáticas, que permitirão a definição de fatores de segurança atualizados das barragens que compõem Itaipu, bem como, a definição de novos valores de controle dos instrumentos que monitoram a segurança destas estruturas. AGRADECIMENTOS Agradecem-se à Itaipu Binacional, ao Centro de Estudos Avançados em Segurança de Barragens e ao Parque Tecnológico Itaipu. Pitanga, Bacia do Paraná, SP, Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-Graduação em Geoquímica e Geotectônica, Instituto de Geociências, Universidade de São Paulo, 62 p. White, I.C. (1908). Relatório final da Comissão de Estudos das Minas de Carvão de Pedra do Brasil. Rio de Janeiro: DNPM, 1988. Parte I, p.1-300; Parte II, p. 301-617. Serviço Geológico do Paraná MINEROPAR (2013). O Grupo Serra Geral no Estado do Paraná. Mapeamento geológico das cartas 1:250.000 de Guaíra, Cascavel, Campo Mourão, Foz do Iguaçu, Guaraniaçu, Guarapuava, Pato Branco e Clevelândia. Curitiba: MINEROPAR, 452 p. Zalán, P. V.; Wollf, S.; Conceição, J.C.J. Marques, A.; Astolfi, M.A.M.; Appi, V.T.; Zanotto, O.A. (1990). Bacia do Paraná. In: Raja Gabaglia G.P. Milani, E. J. (eds). Origem e evolução de Bacias Sedimentares. Rio de Janeiro: Petrobrás/SEREC/CEM-SUD, p 135-168. REFERÊNCIAS Assine, M.; Soares, P.C.; Milani, E.J. (1994) Sequências Tectôno-sedimentares Mesopaleozóicas da Bacia do Paraná, Sul do Brasil, Ver. Bras. de Geociências, v. 24 (2), p 77-89. International Engineering Company - IECO; Enerconsult Engenharia Ltda. ELC. (1974). Estudo do rio Paraná: Geologia e materiais de construção. Apêndice B. Suplemento 1, Parte 1.. (1974). Relatório Final de Projeto da Central Hidrelétrica de Itaipu. Parte I. Seção 1: Geral, 58 p. Itaipu Binacional. (2009). Usina Hidrelétrica de Itaipu: Aspectos Técnicos das Estruturas Civis. Superintendência de Engenharia Diretoria Técnica. Foz do Iguaçu: ITAIPU, 784 p.. (2014). Barragem de Itaipu. Disponível em: <http://www.itaipu.gov.br/energia/barragem>. Acesso em: 07/04/2014. Maack, R. (1947). Breves notícias sobre a geologia dos estados do Paraná e Santa Catarina. Curitiba, Arquivos de Biologia e Tecnologia (IBPT), Vol. 11, p. 63-154. Milani, E. J.; Melo, J.H.G.; Souza, P.A; Fernandes, L. A. (2007). Bacia do Paraná, B. Geoci. Petrobras, Vol. 15, n. 2, p. 265-287. Salamuni, R.; Salamuni, E; Rocha, L. A.; Rocha, A. L. (2002) Parque Nacional do Iguaçu, PR Cataratas de fama mundial. In: Schobbenhaus, C.; Campos, D.A.; Queiroz, E.T.; Winge, M.; Berbert-Born, M. L. C. (eds). Sítio Geológicos e Paleontológicos do Brasil. Brasília: DNPM/CPRM Comissão Brasileira de Sítios Geológicos e Paleológicos (SIGEP), 2002. Vol. 1, p. 313-321. Siqueira, L.F. da S. (2011). Tectônica deformadora em sinéclises intracratônicas: a origem alto estrutural de