UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ CARINA PIROLLI CELSO FELIPE BORA

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ CARINA PIROLLI CELSO FELIPE BORA RECUPERAÇÃO DE LEITURAS E MAPEAMENTO GEOESTATÍSTICO DO NÍVEL DE ÁGUA SUBTERRÂNEO DE UMA BARRAGEM DE TERRA NO ESTADO DO PARANÁ CURITIBA 2009

CARINA PIROLLI CELSO FELIPE BORA RECUPERAÇÃO, PREVISÃO E MAPEAMENTO GEOESTATÍSTICO DE LEITURAS DO NÍVEL DE ÁGUA SUBTERRÂNEO DE UMA BARRAGEM DE TERRA NO ESTADO DO PARANÁ Trabalho de conclusão de curso apresentado à disciplina Trabalho Final de Curso como requisito parcial à conclusão do Curso de Engenharia Civil, Setor de Tecnologia, Exatas, Universidade Federal do Paraná. Orientadora: Prof. a Dr. a Eng. Andrea Sell Dyminski. Co-orientadora: Dr. a Eng. Roberta Bomfim Boszczowski CURITIBA 2009

Este trabalho é dedicado a todos aqueles que possuem ideais. Alessander C. M. Kormann

iv AGRADECIMENTOS A Deus, pelas suas realizações em nossas vidas. A nossa família pelo apoio e amor incondicional. A nossa orientadora, Andrea Sell Dyminski, pela orientação, pelo incentivo constante, pela dedicação, pelos conhecimentos transmitidos, pela confiança depositada em nosso trabalho, os quais foram fundamentais para o alcance dos objetivos do trabalho. A nossa co-orientadora e companheira de trabalho, Roberta Bomfim Boszczowski, sempre com disposição em ajudar e sanar dúvidas no decorrer do trabalho. Aos nossos colegas de Laboratório do LAME, Alex, Ida, Pablo, Rafael, Thierry, Thais e Valdevan que mesmo tendo seus objetivos individuais, mostraramse dispostos a ajudar nesse trabalho. As quatro pessoas que contribuíram fortemente, Maiko Buzzi, Neile Andraos, Paulo Justiniano e Ricardo Del Moro. Ao Departamento de Engenharia da Copel, pelo apoio e por permitir total acesso aos dados instrumentais da barragem apresentados neste trabalho. Aos funcionários do LAME e do CESEC. Aos colegas de curso de Engenharia Civil, os quais nos apoiaram no desenvolvimento deste trabalho.

v RESUMO O monitoramento de barragens obtido através da correta análise dos dados de instrumentação é ferramenta essencial para a avaliação das suas condições de segurança, podendo as mesmas variar ao longo de vida útil. Para tanto é necessário que esse monitoramento seja contínuo desde o término da construção até o descomissionamento da barragem. Neste trabalho propõe-se uma metodologia baseada na união de resultados de correlação estatística entre instrumentos, envolvendo recuperação de dados perdidos através de análise de séries temporais, e utilizando-se também a geoestatística como ferramenta para o mapeamento dos níveis de água registrados pela instrumentação. A correlação estatística entre os instrumentos foi obtida através do software MatLab e para análise geoestatística utilizou-se o software R. O mapeamento do nível de água do corpo e ombreiras da Barragem Gov. Parigot de Souza foi realizado para três condições específicas - maior e menor nível do reservatório e nível normal. Para comprovar a eficiência dos métodos empregados, que envolve a combinação de correlações e geoestatística, os métodos foram testados usando-se dados de instrumentação que não haviam sido aplicados na calibração dos modelos, para que se estimassem valores desconhecidos. Os resultados mostraram-se bastante próximos dos reais, atestando que os métodos usados consistem em boas ferramentas de auxílio à recuperação e à previsão de leituras de instrumentação de uma barragem. Palavras-chaves: segurança de barragens, geoestatística, séries temporais, barragem de terra, instrumentação geotécnica.

vi Saber onde encontrar a informação e saber usá-la, este é o segredo do sucesso. (Albert Einstein) A mente que se abre a uma nova idéia jamais voltará a seu tamanho original. (Albert Einstein)

vii SUMÁRIO AGRADECIMENTOS... IV RESUMO... V SUMÁRIO... VII LISTA DE FIGURAS... IX 1. INTRODUÇÃO... 1 1.1 ESCOPO GERAL... 1 1.2 OBJETIVOS... 2 1.3 JUSTIFICATIVAS... 3 1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO... 5 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 6 2.1 BARRAGENS... 6 2.1.1 Definição de Barragens... 7 2.1.2 Finalidades principais... 7 2.1.3 Tipos Principais... 8 2.1.3.1 Barragens homogêneas de terra...8 2.1.3.2 Barragens zoneadas de terra-enrocamento...9 2.1.3.3 Barragem de enrocamento com face de concreto...10 2.1.3.4 Barragens de concreto...10 2.2 SEGURANÇA DE BARRAGENS... 11 2.3 INSTRUMENTAÇÃO GEOTÉCNCA... 13 2.3.1 Piezômetros... 15 2.3.2 Medidores de nível d água... 16 2.3.3 Freqüência de leituras dos instrumentos... 16 2.4 ANÁLISE DE CORRELAÇÃO COM TESTES DE SIGNIFICÂNCIA... 17 2.4.1 Conceito Básico de Correlação Linear... 17 2.4.2 Coeficiente de Correlação de Pearson... 20 2.4.3 Coeficiente de Correlação Amostral... 22 2.4.3.1 Teste de hipótese nula...23 2.4.3.2 Teste de hipótese não nula...23 2.5 REGRESSÃO LINEAR MÚLTIPLA... 24 2.6 GEOESTATÍSTICA... 25 2.6.1 Aspectos Gerais... 25 2.6.2 Variogramas... 26 2.6.3 Parâmetros do semivariograma... 26 2.6.4 Modelos Teóricos de Ajustes... 28 2.6.4.1 Esquema Esférico (de Matheron)...28 2.6.4.2 Esquema Exponencial (de Formery)...29 2.6.4.3 Esquema de Gauss (parabólico)...30 2.6.5 Krigagem... 31 3. MATERIAIS E MÉTODOS...33 3.1 MATERIAIS... 33 3.1.1 Barragem Governador Parigot de Souza... 33

viii 3.1.1.1 Informações Técnicas...34 3.1.1.2 Dados gerais do aproveitamento...35 3.1.1.3 Medidores de Nível d água...37 3.1.2 Software MATLAB... 38 3.1.3 Software Statgraphics... 39 3.1.4 Software R... 39 3.2 MÉTODOS... 40 3.2.1 Cálculo de Correlações... 40 3.2.2 Correlação direta entre dois instrumentos... 41 3.2.3 Recuperação dos dados... 43 3.2.4 Mapeamento Geoestatítico... 44 3.2.4.1 Modelo 1...47 3.2.4.2 Modelo 2...47 3.2.4.3 Modelo 3...48 3.2.4.4 Modelo 4...48 3.2.4.5 Modelo 5...48 3.2.4.6 Modelo 6...48 3.2.4.7 Modelo 7...49 4. RESULTADOS...50 4.1 ANÁLISE DE SÉRIES TEMPORAIS... 50 4.1.1 Introdução... 50 4.1.2 Análise de Correlação Grupo 1... 51 4.1.3 Análise de Correlação Grupo 2... 57 4.2 MAPEAMENTO GEOESTATÍSTICO... 61 4.2.1 Introdução... 61 4.2.2 Mapas por geoestatística... 61 4.2.2.1 Menor nível do reservatório...61 4.2.2.2 Nível normal do reservatório...63 4.2.2.2 Maior nível do reservatório...64 4.2.3 Discussão dos resultados da geoestatística... 66 REFERÊNCIAS...74 APÊNDICES...78

ix LISTA DE FIGURAS FIGURA 1A - COCAL PIAUÍ.... 4 FIGURA 1B BARRAGEM DE ALGODÕES 1.... 4 FIGURA 1C - DESABRIGADOS.... 4 FIGURA 1D - DESTRUIÇÃO.... 4 FIGURA 2 BARRAGEM DE TERRA HOMOGÊNEA.... 9 FIGURA 3 BARRAGEM ZONEADA DE TERRA-ENROCAMENTO.... 9 FIGURA 4 BARRAGEM DE ENROCAMENTO COM FACE DE CONCRETO.... 10 FIGURA 5 BARRAGEM DE CONCRETO.... 11 FIGURA 6 ESQUEMA PIEZÔMETRO TIPO CASAGRANDE.... 15 FIGURA 7 ESQUEMA MEDIDOR DE NÍVEL D ÁGUA... 16 FIGURA 8 ESPALHAMENTO DE PONTOS E CORRELAÇÃO LINEAR.... 19 FIGURA 9 CORRELAÇÃO POSITIVA.... 21 FIGURA 10 CORRELAÇÃO NEGATIVA.... 22 FIGURA 11 SEM CORRELAÇÃO.... 22 FIGURA 12 SEMIVARIOGRAMA.... 27 FIGURA 13 MODELO ESFÉRICO.... 29 FIGURA 14 MODELO EXPONENCIAL.... 30 FIGURA 15 MODELO DE GAUSS.... 30 FIGURA 16 BARRAGEM GPS.... 33 FIGURA 17 LOCALIZAÇÃO DA BARRAGEM GPS.... 34 FIGURA 18 LOCALIZAÇÃO DOS INSTRUMENTOS.... 37 FIGURA 19 DIVISÃO DAS SUB-ÁREAS DE KRIGAGEM.... 46 FIGURA 20 VARIÁVEL INDEPENDENTE NA3.... 51 FIGURA 21 VARIÁVEL INDEPENDENTE NA4.... 52 FIGURA 22-VARIÁVEL INDEPENDENTE NA5... 52 FIGURA 23 VARIÁVEL INDEPENDENTE NA6.... 52 FIGURA 24 NA2 RECUPERADOS/ NA2 REAIS.... 53 FIGURA 25 MEDIDORES NA3, NA4, NA5, NA6.... 53 FIGURA 26 PREDIÇÃO VRS OBSERVADO.... 55 FIGURA 27 SÉRIE TEMPORAL NA2.... 56 FIGURA 28 SÉRIE TEMPORAL NA2 RECUPERADO.... 56 FIGURA 29 RECUPERADOS NA2 / REAIS NA2.... 56 FIGURA 30 VARIÁVEL INDEPENDENTE NA26.... 58 FIGURA 31 VARIÁVEL INDEPENDENTE NA28.... 58 FIGURA 32 VARIÁVEL INDEPENDENTE NA29.... 58 FIGURA 33 MEDIDORES NA26, NA28, NA29.... 59 FIGURA 34 - NA27 RECUPERADOS/ NA27 REAIS.... 59 FIGURA 35 SÉRIE TEMPORAL NA27.... 60 FIGURA 36 SÉRIE TEMPORAL NA27 RECUPERADO.... 60 FIGURA 37- RECUPERADOS NA27 / REAIS NA27... 60 FIGURA 38 MAPA - MENOR NÍVEL DO RESERVATÓRIO COTA 831,2.... 62 FIGURA 39 MAPA - MENOR NÍVEL DO RESERVATÓRIO SEM AS ISOLINHAS COTA 831,2.... 62 FIGURA 40 MAPA - NÍVEL NORMAL DO RESERVATÓRIO COTA 840,81.... 63 FIGURA 41 MAPA - NÍVEL NORMAL DO RESERVATÓRIO SEM ISOLINHAS COTA 840,81.... 64 FIGURA 42 MAPA - MAIOR NÍVEL DO RESERVATÓRIO COTA 845,13.... 65

FIGURA 43 - MAPA - MAIOR NÍVEL DO RESERVATÓRIO SEM ISOLINHAS COTA 845,13.... 65 FIGURA 44 REPRESENTAÇÃO DAS TRÊS SEÇÕES EM PLANTA.... 68 FIGURA 45 SEÇÃO TRANSVERSAL A-A.... 69 FIGURA 46 SEÇÃO TRANSVERSAL B-B.... 69 FIGURA 47 SEÇÃO TRANSVERSAL C-C.... 69 x

1 1. INTRODUÇÃO 1.1 ESCOPO GERAL Identificar riscos inerentes em barragens é aspecto fundamental na garantia do correto funcionamento do empreendimento, desde a fase de construção e funcionamento até o seu descomissionamento. Assim, a avaliação de segurança fornece um diagnóstico do comportamento dos elementos da obra, devendo-se envolver aspectos de natureza geotécnica, estrutural, hidráulica, operacional e ambiental. (SARÉ et al., 2006). Para avaliar as condições de segurança de uma barragem, a principal ferramenta é o seu monitoramento, o qual assume diferentes características e finalidades dependendo da obra a qual se deseja analisar. Ao longo de sua vida útil a barragem pode ter algumas características alteradas, sejam elas resultantes do processo de envelhecimento ou de condições ambientais. Através desse acompanhamento é possível, caso sejam notadas alterações nas condições de segurança da barragem, definir um conjunto de ações a serem realizadas a fim de se mitigar os riscos envolvidos. (SARÉ et al., 2006). Apesar de a instrumentação não se constituir como solução para todos os problemas, quando projetada, instalada e interpretada corretamente ela aparece como ferramenta essencial na avaliação das condições de segurança de um empreendimento em todas as suas fases. Aliado a isso, a instrumentação pode ser utilizada para a verificação das hipóteses adotadas em projeto, com o objetivo de trazer economia às obras, dentro das necessárias condições de segurança (CRUZ, 2005). No ano de 1979, durante o XIII Congresso do ICOLD (Internacional Commission on Large Dams), em Nova Delhi, decidiu-se dar maior atenção à segurança de barragens, já que se notava ocorrência de diversos incidentes com graves conseqüências, além do aumento das dimensões das barragens que vinham sendo construídas, do envelhecimento das existentes e do crescimento das novas

2 estruturas em construção em países com pouca ou nenhuma experiência na área. Esse conjunto de acontecimentos trazia à tona a necessidade de normas e diretrizes que regulamentassem as barragens existentes e as futuras. Em 1996 e 1997, o Comitê Brasileiro de Grandes Barragens - CBGB, através da Comissão de Deterioração e Reabilitação de Barragens, elaborou minuta de portaria nº 739, do Ministério de Minas e Energia, propondo a criação do Conselho Nacional de Segurança de Barragens. Após isso, o Ministério criou um grupo de trabalho objetivando elaborar um documento para normalização dos procedimentos preventivos e de manutenção com relação à segurança das diversas barragens existentes. Até 2009, encontrou-se em trâmite no Congresso Nacional o Projeto de Lei PL 1181/03 BRASIL (2003), de autoria do deputado Leonardo Monteiro, que define diretrizes de segurança para construção de barragens de água e de aterros para contenção de resíduos líquidos industriais. E no dia 23/06/2009, a Comissão de Constituição e Justiça e de Cidadania aprovou a proposta que obriga o Poder Executivo a instituir uma Política Nacional de Segurança de Barragens, substituindo o texto do PL 1181/03. O objetivo deste texto foi dotar o Poder Público de um instrumento permanente de fiscalização das mais de 300 mil barragens existentes no País. (VILLWOCK, 2009). 1.2 OBJETIVOS Este trabalho tem por objetivo, através da análise de séries temporais de trinta e dois medidores de nível de água da barragem da Usina Gov. Parigot de Sousa, determinar a correlação existente entre os instrumentos e as possíveis justificativas de ocorrência dessa correlação linear, podendo assim se fazer a estimativa de leituras faltantes, a identificação de leituras errôneas ou mau funcionamento de instrumentos, além de detecção de anomalias na barragem. Como objetivo secundário pode ser citado a idéia de avaliar a aplicabilidade do método desenvolvido por BUZZI (2007), na realização de rotinas computacionais capazes de localizar e agrupar dados automaticamente de forma rápida e segura, sejam eles de mesma natureza ou não.

3 Com as séries completas, é possível se atingir ainda um objetivo adicional, que consiste na realização do mapeamento geoestatístico do nível de água subterrâneo da barragem e suas ombreiras, com o qual se pretende avaliar as variações de nível de água em diversas situações, como maior e menor nível do reservatório e níveis normais. 1.3 JUSTIFICATIVAS As discussões acerca de construções de barramentos tomaram dimensão mundial. Levando-se em conta a quantidade de massa de água que armazenam, as barragens podem ser consideradas como sendo fontes de perigo potencial, pois expõem vidas e propriedades que se localizam a jusante a uma constante situação de risco. Atrelado a isso, não se sabe ao certo a quantidade de barragens existentes no Brasil, se forem consideradas todos os tamanhos e tipos. A decisão de construir uma barragem, como qualquer outra obra de Engenharia Civil está associada à decisão de correr riscos e à gestão dos recursos hídricos disponíveis (FRANCO, 2008). Historicamente, o Brasil possui grande experiência com barragens e, felizmente, não tem sido registrados muitos acidentes graves. Entretanto, eles ocorrem e causam danos emocionais, econômicos e financeiros à população, além de prejudicar os demais seres vivos. Para evitar os riscos maiores, há a necessidade de se estar sempre atento quanto às condições de segurança estrutural e operacional das barragens, identificando os problemas e recomendando reparos, restrições operacionais e/ou modificações quanto às análises e estudos para determinação de soluções adequadas (MI, 2002). Em contrapartida à experiência e aos poucos registro de acidentes graves, no início deste ano ficou registrado um fato histórico à segurança de barragens no país: o rompimento da barragem de Algodões I, localizada no município de Cocal no Piauí (FIGURA 1A), o qual vitimou 11 pessoas (UOL NOTÍCIAS). Fotografias mostrando algumas das consequências deste grave acidente (FIGURAS 1B a 1D) dão uma idéia do sofrimento causado por este evento. A necessidade de evitar

4 esses acidentes para garantir a qualidade desse tipo de empreendimento acaba motivando a realização de trabalhos como este. FONTE: UOL NOTÍCIAS. FIGURA 1A - COCAL PIAUÍ. FONTE: UOL NOTÍCIAS. FIGURA 1C DESABRIGADOS. FONTE: UOL NOTÍCIAS. FIGURA 1B BARRAGEM DE ALGODÕES 1. FONTE: UOL NOTÍCIAS. FIGURA 1D DESTRUIÇÃO. Felizmente é mais comum o rompimento de pequenos barramentos, como foi o caso do rompimento de uma barreira na região metropolitana de Campinas, ocorrido em setembro deste ano, deixando cerca de 40% da população sem água. (UOL NOTÍCIAS). Pode-se citar ainda o transbordamento da Represa da SABESB em Carapicuíba que alagou 50 casas em outubro de 2009. (GAZETA DO POVO ONLINE).

5 1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO Este trabalho está apresentado em 5 capítulos. O presente capítulo traz uma breve introdução do trabalho, bem como seus objetivos e justificativa. A revisão bibliográfica, na qual são abordados aspectos como conceito de barragens, instrumentação, segurança e descrição dos métodos estatísticos, encontra-se no capítulo 2. O capítulo 3 descreve os materiais e métodos utilizados na obtenção dos resultados, apresentando em detalhes todos os passos seguidos até a convergência dos melhores resultados. O capítulo 4 apresenta os resultados obtidos na previsão das leituras faltantes através do método utilizado, bem como a apresentação dos mapeamentos geoestatísticos gerados. As conclusões bem como sugestões de estudos futuros estão descritos no capítulo 5.

6 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 BARRAGENS Sendo a água um elemento fundamental para o desenvolvimento da humanidade, e a demanda por ela vem apenas aumentando, deve-se armazená-la para garanti-la em períodos e seca. Também se pode utilizá-la para geração de energia elétrica, outro bem essencial para a sociedade. Há milhares de anos que se constroem barragens. Os primeiros registros que se têm conhecimento datam da época dos faraós no Egito, que ao longo do Rio Nilo se utilizavam de pequenos barramentos como alternativa para restringir os efeitos da seca. Ao longo do século XX, grande parte do mundo recorreu a tais obras para atender à crescente demanda pela água. Aliado ao conceito de que a construção de barragens conduzia ao desenvolvimento e progresso econômico, entre as décadas de 1930 e 1970 no Brasil, registrou-se um significativo aumento destas construções (BASTOS, 2007). O Brasil detém aproximadamente 1% das grandes barragens do cenário mundial. No entanto, o país detém uma das maiores disponibilidades hídricas do planeta, representando grandes possibilidades de crescimento com a construção de novas barragens. A construção de barragens no Brasil chegou ao seu apogeu entre os anos de 1950 e 1970, sobretudo no que diz respeito às obras de usinas hidrelétricas. A primeira barragem construída e que se tem registro, no Brasil, foi à barragem de Ribeirão do Inferno, no ano de 1883 no Estado de Minas Gerais, utilizada para o aproveitamento hidroelétrico (MI, 1982).

7 2.1.1 Definição de Barragens Diversas são as definições encontradas para o termo Barragem. Segundo Ministério da Integração Social (2002), a definição de barragem é uma estrutura construída transversalmente a um rio ou talvegue com a finalidade de se obter a elevação do seu nível d água e/ou de criar um reservatório de acumulação de água ou de outro fluido. 2.1.2 Finalidades principais Segundo o BUREAU OF RECLAMATION (1987), as barragens podem ser classificadas de acordo com o seu uso, seu projeto hidráulico ou de acordo com os materiais pelos quais elas são construídas. Sua classificação, de acordo com as finalidades de armazenamento, de desvio ou de retenção, pode ser descrita como sendo: Barragens de armazenamento: captam água durante períodos de cheia, objetivando seu uso no período de estiagem ou seca, podendo servir também para geração de energia elétrica e irrigação. Barragens de desvio: são construídas para proverem de água os diques, canais ou outros sistemas de abastecimento. São mais usuais nos sistemas de irrigação e para abastecimento da rede municipal e industrial. Barragens de retenção: são construídas para o controle de enchentes, sendo constituídas de dois tipos principais: aquelas em que a água é represada temporariamente e liberada através de uma estrutura de escoamento, em uma vazão que não exceda à capacidade do canal a jusante, e aquelas em que a água é retida, tanto quanto possível, para se infiltrar no subsolo.

8 2.1.3 Tipos Principais Segundo FRANCO (2008), o corpo da barragem é o responsável pela contenção do volume de água represada. No projeto da obra, portanto, deve ser considerado que a construção deste corpo pode ser feita com uso de diferentes tipos de materiais. Dependendo dos materiais utilizados em sua construção, pode-se classificar o barramento. Dentre os principais tipos, destacam-se as barragens de: concreto, terra, enrocamento e mistas. Conforme CIRILO (2003), cada um destes tipos pode, por sua vez, ser subdividido em diversos outros distintos, com características próprias. As mais utilizadas na construção civil brasileira são as barragens homogêneas de terra, as zoneadas de terra-enrocamento, as de enrocamento com face de concreto e as barragens de concreto. Apresentam-se nos itens seguintes as características dessas barragens. 2.1.3.1 Barragens homogêneas de terra As barragens de terra têm boa aceitação técnica se houver disponibilidade de solos em abundância e com propriedades geotécnicas adequadas que facilitam a adaptação perfeita aos terrenos de fundação. Hoje são as mais comuns e as mais utilizadas, dadas as facilidades para obtenção do material de sua construção. Caracterizam-se por permitir a utilização de equipamentos mais simples e disponíveis na região. Em relação ao custo são bem mais competitivas do que os outros tipos (CIRILO, 2003) apenas possuem limitações em médias e grandes obras, pois necessitam de maior tempo de construção e consequentemente apresentam maior custo. A representação esquemática de uma barragem de terra encontra-se abaixo na FIGURA 2.

9 FIGURA 2 BARRAGEM DE TERRA HOMOGÊNEA. 2.1.3.2 Barragens zoneadas de terra-enrocamento As barragens zoneadas de terra-enrocamento, como demonstrado na FIGURA 3 foram destaques e predominaram até a década de 1980, pela sua versatilidade, segurança e economia (SILVEIRA, 2005). Utilizam mais de um tipo de aterro na sua seção transversal, permitindo a utilização de diferentes aterros disponíveis no canteiro de obra e com características geotécnicas diversas. FIGURA 3 BARRAGEM ZONEADA DE TERRA-ENROCAMENTO.

10 2.1.3.3 Barragem de enrocamento com face de concreto Estas utilizam pedras de todos os tamanhos para prover estabilidade à sua estrutura, e uma camada de concreto armado à montante com a função de impermeabilização e a formação do reservatório. Elas são adequadas para lugares onde o suprimento de pedra é amplo e cujos solos não possuem propriedades geotécnicas adequadas para uma barragem de terra. Outro fato relevante é que o tempo de construção da barragem é menor se comprado a barragens de terra. Um esquema de barragem de enrocamento com face de concreto encontra-se na FIGURA 4. FIGURA 4 BARRAGEM DE ENROCAMENTO COM FACE DE CONCRETO. 2.1.3.4 Barragens de concreto As barragens de concreto são estruturas rígidas, construídas totalmente em concreto. Podem ser subdivididas de acordo com seu projeto estrutural: gravidade, arco e contraforte, podendo utilizar várias tecnologias para a construção. A representação de uma barragem de concreto, à gravidade, está disposta na FIGURA 5, a seguir.

11 FIGURA 5 BARRAGEM DE CONCRETO. 2.2 SEGURANÇA DE BARRAGENS A principal finalidade das barragens é trazer grandes benefícios à sociedade, pois possibilitam o acumulo de água, garantido que não falte em épocas de estiagem, além de possibilitar a geração de energia. Espera-se que a construção, operação e desativação das mesmas aconteçam de forma segura. A ruptura de uma barragem pode causar grande destruição, com perda de vidas humanas, danos ambientais e enormes prejuízos materiais. Desta forma, o projeto seguro, a construção adequada e a correta operação de barragens é uma preocupação de âmbito mundial (AIEVC, 2005). Segundo GUTIÉRREZ (2003), o histórico de rupturas de barragens revelou que um longo período de operação normal das obras não é garantia de condições futuras de segurança, uma vez que tem havido casos de ruptura brusca após 10 ou 20 anos de operação normal. Este fato mostra a importância do monitoramento das barragens ao longo da sua vida útil. Segundo CARDIA (2004), os principais tipos de acidentes que ocorrem em barragens são devido ao galgamento, à erosão interna e aos sismos. O galgamento (overtopping) é a situação onde o nível de água do reservatório sobe muito por algum motivo, normalmente por vazão afluente elevada, e provoca a passagem da água por cima do topo da estrutura da barragem, de montante para jusante. A erosão interna (internal erosion) é a formação de vazios no interior de solo ou rocha mole, causada por efeito mecânico ou químico, de remoção de material por

12 percolação. Também é conhecida como piping, que é o desenvolvimento progressivo da erosão tubular interna por percolação, surgindo à jusante na forma de cavidade, descarregando água turva por carreamento de partículas. Os sismos provocam vibrações intensas e podem interferir estruturalmente na barragem, caso não sejam considerados em projetos. Como a evolução da ciência e o surgimento de novas tecnologias, os projetos de barragens ficaram cada vez mais ousados e maiores. Desta forma, em 1928, foi criado o ICOLD International Comission on Large Dams, uma instituição não governamental que visa promover um fórum permanente de discussão e troca de conhecimento e experiências entre profissionais do mundo todo a respeito de engenharia de barragens. Atualmente, o ICOLD tem Comitês Nacionais em 83 países, incluindo o Brasil, onde é representado pelo Comitê Brasileiro de Grandes Barragens (CBGB). Desde a década de 60, dentre os temas de maior ênfase que o ICOLD tem abordado encontram-se a segurança de barragens, o seu monitoramento, reanálise da estabilidade de obras antigas, estudo de efeitos de envelhecimento e impactos ambientais gerados por barragens (ICOLD, 2006). O tema segurança de barragens, avaliações de riscos e programas de ações emergenciais vem sem sendo bastante estudado por diversos fatores, alguns citados por CARDIA (2004) como: O envelhecimento das barragens, não satisfazendo as condições de fluxo correntes, critérios sísmicos e os procedimentos atuais de engenharia; O desenvolvimento de comunidades e de atividades a jusante das barragens combinado com o aumento das expectativas da sociedade por medidas de proteção às intempéries naturais e riscos gerados pelo homem; A ênfase em justificar gastos, mostrando a relação custo-benefício da aplicação de recursos públicos, adotado pelo Governo. Para a avaliação de segurança de uma barragem, dispõe-se de vários métodos, desde a avaliação visual, até mesmo o acompanhamento da instrumentação instalada na barragem, se for o caso. Segundo SANCHEZ (2009), para poder avaliar a segura operação de uma barragem deve-se contar com uma equipe treinada, a qual deve monitorar a estrutura, procurando sempre que o valor estimado para o risco seja menor que o

13 valor de risco tolerável pela obra. Este gerenciamento pode ser realizado com o auxílio de sistemas de tomada de decisão. Em geral, estes sistemas são baseados em informações advindas de inspeções periódicas na barragem e de dados de instrumentos instalados no corpo da mesma e em locais estratégicos da área de influência da obra. 2.3 INSTRUMENTAÇÃO GEOTÉCNCA O monitoramento de barragens, através da instrumentação, é a principal ferramenta de avaliação contínua de sua segurança. O monitoramento pode detectar variações nas condições de segurança, como resultado de processos de envelhecimento e alterações ambientais (SARÉ et al., 2006). A instrumentação geotécnica envolve a união das capacidades dos instrumentos de medida e das qualidades de leituras. A prática da instrumentação não se restringe apenas à seleção de instrumentos, sendo na verdade um processo que começa com a definição do objetivo e termina com a análise rigorosa dos dados coletados. Cada passo neste processo é relevante para o sucesso do programa de instrumentação. Para cada tipo de barragem são estabelecidos instrumentos específicos, sempre buscando monitorar as principais características da estrutura e do maciço com o qual a mesma está interagindo. As principais grandezas a serem medidas em barragens de terra e fundações, conforme CRUZ (2005) são: nível de água, medido por medidores de nível de água; subpressão, medida por piezômetros; tensões efetivas, detectadas por célula de tensão total; deslocamentos, medidos por medidores de recalques, inclinômetros, extensômetros de hastes e fios; vazão, medida por medidores de vazão; e deslocamento cisalhante, detectado por pêndulos invertidos. Isso nos mostra a importância do desenvolvimento de um projeto de instrumentação antes da construção da barragem, para definição dos instrumentos que serão instalados assim como a sua localização. Segundo SILVEIRA (2003), os principais pontos sobre a avaliação da segurança de barragens são:

14 Todas as barragens devem ser classificadas quanto às conseqüências de uma ruptura em potencial, onde devem ser considerados fatores como população a jusante, danos materiais, danos ao meio ambiente, danos à infra-estrutura, etc; Devem ser inspecionadas periodicamente, para detectar eventuais deteriorações; Devem ser instrumentadas de acordo com seu porte e riscos associados, e terem seus dados analisados, através das leituras; Todos os instrumentos devem ser dotados de valores de controle ou limites; Todas as barragens devem ser submetidas periodicamente a uma reavaliação de suas condições de segurança, segundo sua classificação quanto às conseqüências de ruptura; As barragens deverão ser dotadas de um plano de emergência, objetivando a preservação das pessoas residentes à jusante, em caso de acidente. Apesar da instrumentação não constituir a solução para todos os problemas, é inegável sua utilidade quando corretamente projetada, instalada e interpretada, não só para a avaliação das condições de segurança de um empreendimento, em todas as suas fases, mas também para verificação das hipóteses adotadas em projeto, com o objetivo principal de tornar as obras mais econômicas, dentro das necessárias condições de segurança (CRUZ, 2005). A instrumentação deve ser monitorada, analisada e mantida, para garantir a operação segura da barragem. O instrumento ideal deve oferecer uma série de características e, normalmente, as mais importantes referem-se à confiabilidade e à durabilidade. A seguir são apresentadas as características de piezômetros e medidores de nível de água, dois instrumentos de monitoramento bastante comuns em barragens homogêneas de terra e utilizados na barragem em estudo neste trabalho.

15 2.3.1 Piezômetros A determinação de subpressões nas barragens de terra e fundações é realizada através dos piezômetros. Existem diversos tipos de piezômetros. Os mais comuns são os de tubo aberto (standpipe), elétrico, de corda vibrante, pneumático e hidráulico. Na Usina Governador Parigot de Souza são utilizados os de tubo aberto (Casagrande), como mostrado na FIGURA 6. Este piezômetro é constituído por uma tubulação de 0,375 (aproximadamente 1cm) conectada a um elemento poroso cilíndrico feito de material cerâmico e é o piezômetro de tubo aberto mais utilizado. Foi desenvolvido por Casagrande durante a construção do aeroporto de Logan, Boston (DUNNICLIFF, 1988). A leitura é feita introduzindo no tubo uma trena com sensor elétrico (pio) na extremidade, que acusa o encontro com a água através da variação brusca de leitura de um dispositivo analógico. Após a detecção da presença de água, é realizada a leitura da trena (SANCHEZ, 2009). FIGURA 6 ESQUEMA PIEZÔMETRO TIPO CASAGRANDE.