COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS XXX SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS FOZ DO IGUAÇU PR MAIO DE 2015 T 113 A INFORMAÇÕES SOBRE A REFORMA DAS BARRAGENS DE THEODORE ROOSEVELT (USA) E KARIBA (ÁFRICA) VISANDO A CONTINUIDADE DA OPERAÇÃO EM SEGURANÇA Geraldo Magela Pereira WaterMark Engenharia Ltda. RESUMO O presente trabalho mostra alguns dados coletados na bibliografia sobre a reforma realizada na Usina de Theodore Roosevelt (USA) e a reforma planejada para a Usina de Kariba (África), objetivando a continuidade da operação dessas usinas em segurança. ABSTRACT This paper presents shows some data collected on the literature on the reform undertaken in the Theodore Rosevelt Power Plant (USA) and the reform planned to Kariba Power Plant (Africa), aiming the continued safe operation of this power plants. 1
1. USINA THEODORE ROOSEVELT A Usina Theodore Roosevelt, no rio Salt, Arizona (USA), foi construída pelo USBR entre os anos 1903 e 1911. Ela era, até 1980, a barragem de alvenaria mais alta do mundo, com 85,3 m de altura, com 220,4 m de extensão, 4,9 m de largura na crista e 56,1 m na base. O talude de montante tinha uma inclinação de 0,05:1 e o talude de jusante 0,67:1. Foto 1 Usina Theodore Roosevelt 1915 (WIKIPEDIA). Muito pouca escavação foi requerida, tendo em vista as boas condições do maciço rochoso no local (gabros, dolomitos e chert uma variedade de quartzo, fraturados). As juntas foram seladas com injeção de cimento sem pressão. A barragem não tinha galeria de drenagem e as forças de subpressão não foram consideradas. As pressões no pé da barragem, a montante e a jusante, foram comparadas com testes de compressão em dois corpos de prova cúbicos extraídos da fundação. Os resultados indicaram que a rocha tinha resistência suficiente para resistir às tensões. A construção foi interrompida algumas vezes por cheias, a pior delas em 1905, que destruíram as ensecadeiras. A casa de força original, que tinha uma capacidade de 19,3 MW em vário geradores de 25 Hz, está fora de operação. Em 1973 esses geradores foram substituídos por um gerador de 60 Hz, com capacidade de 36 MW e queda máxima de 68,6 m. A usina tem dois condutos forçados de 3,0 m de diâmetro que se juntam em um de 4,42 m antes da unidade. Além da geração, o reservatório tem por objetivos controlar cheias e irrigação, que transformou parte do deserto do Arizona em uma fazenda com terras muito produtivas, onde as principais culturas são trigo, sorgo, pastagens, alfafa, cevada e frutas. A usina tem dois vertedouros, um em cada ombreira, para uma vazão total de 4.248 m 3 /s, em calha não revestida. Os vertedouros eram, originalmente, de soleira livre. Em 1913 as cristas foram elevadas em 1,5 m para aumentar o volume do 2
reservatório. Em 1923 foram instaladas comportas de segmento: 10 no vertedouro esquerdo e 9 no vertedouro direito, todas com dimensões de 6,1 x 4,8 m. A largura total era de 122,5 m. A vazão específica era da ordem de 34,70 m 3 /s/m, baixa tendo em vista a qualidade do maciço. Foto 2 Usina Theodore Roosevelt (KOLLGAARD, 1988). Descarregadores de Fundo Operando. Foto 3 Usina Theodore Roosevelt (KOLLGAARD, 1988). Vertedouros Operando. 3
Em 1935 foram realizados estudos em modelo reduzido na Universidade Estadual do Colorado (CSU). Os ensaios recomendaram rebaixar a crista em 1,5 m para restabelecer a capacidade de vazão de 4.248 m 3 /s. Ao longo de sua vida útil não foi constatado nenhum problema de infiltração ou estrutural. Em 1907, 1940 e 1974 as análises de estabilidade foram repetidas e as conclusões foram de que a barragem poderia suportar as cargas dinâmicas proveniente de um terremoto de magnitude 5,8. A passagem das cheias de 1915 e 1915 provocou erosão dos canais dos vertedouros. As erosões foram reparadas com concreto. Em dezembro de 1978 foram registrados danos de erosão consideráveis que foram imediatamente reparados. Na década de 80 o USBR realizou estudos de alternativas que envolviam modificações no projeto para ajustá-lo à VMP (vazão máxima provável) e para corrigir as deficiências de projeto relativas à segurança das estruturas no que tange aos novos estudos realizados de cargas dinâmicas. Em 8 anos de reconstrução, de 1989 a 1996, a barragem foi modificada pelo USBR: foi alteada em 23,50 m e a seção foi transformada em uma seção clássica concretogravidade em arco, com o objetivo de resolver os problemas de segurança. O volume armazenado aumentou 20%. A ponte rodoviária foi concluída em outubro de 1990. A nova barragem tem 344.000 m 3 de concreto. O primeiro bloco de concreto foi construído em setembro de 1992 e o último foi colocado em 28 de Junho de 1995. Foram construídos novos vertedouros (foto a seguir), instalado um novo descarregador de fundo e reformada a casa de força. As instalações de recreação também foram melhoradas. Foto 4 Usina Theodore Roosevelt Reconstruída (WIKIPEDIA). 4
2. USINA DE KARIBA A Usina de Kariba (600 MW) foi construída no rio Zambesi, Zambia/Zimbawe, África, de 1956 a 1959. Entrou em operação em 1960. A barragem em arco, com uma altura de 128 m, criou um grande reservatório com 181 km 3. Seu vertedouro é composto de 6 orifícios na seção central da barragem, com comportas lagarta, com soleira 33 m abaixo da crista da barragem. As comportas têm dimensões de 8,8 m x 9,1 m. A capacidade total de vazão é de 9.000m 3 /s. A geologia local é composta de arenitos, conglomerados, areia/cascalho (do Triássico), estrato argiloso (do Permeano), quartzito (do Pré-cambriano), gnaisses, anfibolitos e xistos (do Arqueano). O leito do rio e as ombreiras são formados por gnaisse muito são. Na ombreira direita, aproximadamente 90 m acima do leito do rio, o gnaisse é recoberto por um quartzito com juntas e com uma forte foliação (ANDERSON, 1960). Em ambas as ombreiras os materiais eram bastante intemperizados. O processo de erosão evoluiu em 20 anos como mostrado na figura a seguir. A cratera de erosão atingiu 80 m de profundidade em 1981. Essa erosão ficou estabilizada e apresentava a mesma forma em 2001, segundo NORET (2012), em função dos poucos vertimentos no período e com a operação das comportas não adjacentes. Mas existia um consenso que a erosão poderia evoluir em caso de cheias extremas, com a operação das comportas adjacentes. Estima-se que foram removidos 150.000 m 3 entre o primeiro levantamento (setembro de 1962) e o décimo nono levantamento (julho de 1981). Figura 1 Barragem de Kariba. Vertedouro em Orifício em Salto de Esqui. (NORET, 2012; CBDB, 2002; WHITTAKER, 1984; MASON, 1986; HARTUNG/HÄUSLER, 1973). 5
Foto 5 UHE Kariba. Vista Aérea de Jusante. (WIKIPEDIA). Foto 6 UHE Kariba. Vista Aérea do Vertedouro Operando. (FALCONSAFARIS). 6
NORET (2012) apresentou uma tabela que resume as diversas estimativas feitas para a profundidade da fossa de Kariba ao longo dos anos. Todas as estimativas foram subestimadas: Mason (1985): - cota 313 m; Damle (1966) cota 359 m; Martins, (1975) cota 359 m; Chee e Kung, (1974) cota 336 m; Sofrelec (1980) cota 323 m; e Veronese (1937) cota 318 m. A modelagem do fenômeno foi melhorada através da calibração de uma fórmula desenvolvida especificamente para Kariba por Alain Carrère inspirado por Mason (Coyne et Bellier, 1997-98): D max = 5,27 q0,61 H 0,05 h 0,15 g 0,30 d m 0,10 Onde: D profundidade de erosão = distância do NA de jusante à máxima profundidade da fossa (m); Dmax profundidade máxima calculada utilizando-se esta fórmula (m); H h g dm diferença de níveis reservatório canal de fuga (m); tirante de água a jusante (m); aceleração da gravidade (m 2 /s); diâmetro médio da partícula (m). Foi mostrado que, a menos que medidas fossem tomadas, a tendência de evolução da erosão. Segundo NORET (2012), a profundidade de erosão para as seis comportas operando (Q = 9.000 m3/s) poderia atingir a cota 293 m pela fórmula acima. NORET (2012) informa que um moderno levantamento batimétrico realizado com o apoio de mergulhadores em março de 2011 revelou que não existem mudanças significativas na geometria da fossa em relação à de 1981 (ver foto a seguir). Informa ainda que os vertimentos nesse período foram raros e que os vertimentos com mais de três comportas foram evitados. Foto 7 Levantamento Batimétrico realizados em Março/2011. (NORET, 2012). 7
Seguiu-se um estudo de remodelar a fossa de erosão (plunge pool). A Zambezi River Authority contratou o Laboratório de Construção Hidráulica da Escola Politécnica Federal de Lausanne (LCH/EPFL) e a AQUAVISION Engineering, também da Suiça, para avaliar a evolução futura da erosão e estudar uma nova forma da fossa que pudesse garantir a segurança da barragem. Os estudos foram realizados utilizando o matemático CSM Comprehensive Scour Model (BOLLAERT, 2004) e um modelo físico de fundo fixo na escala 1:65. As pressões medidas no modelo físico abasteciam o modelo matemático. As pressões hidrodinâmicas eram comparadas com a resistência da massa rochosa. A análise dos resultados permitiu concluir que a atual forma da erosão era instável para a condição de operações de comportas adjacentes, incluindo uma tendência de erosão regressiva na direção do pé da barragem (ver figura a seguir). Figura 2 Erosão Potencial Futura ao longo do Eixo da Barragem de Kariba (BOLLAERT, 2012). Em função disso, Zambezi River Authority decidiu contratar os serviços de remodelagem da forma da erosão (plunge pool) para continuar a operação da usina de forma segura. Os serviços em processo de contratação (outubo/2012) envolverão escavação adicional para alterar a forma do talude de jusante da cratera de erosão (plunge pool), tornando-o mais suave, bem como serviços de modernização do vertedouro, em contratos separados, segundo os estudos de NORET (2012) e de BOLLAERT (2012). 8
Figura 3 Geometria do Projeto de Re-escavação da Fossa de Kariba (NORET e BOLLAERT, 2012). O período de cheias vai de fevereiro a abril. Os serviços de escavação (300.000 m 3 ) então deverão ser realizados em 9 meses de maio a janeiro, com as duas casas de força operando a plena carga. A área será isolada por ensecadeiras celulares de 20 m de altura, preenchidas com random - materiais granulares. As escavações deverão ser cuidadosas, dada a proximidade da estrutura da barragem, dos condutos de descarga das casas de força (outlets) e da margem sul instável. 3. PALAVRAS-CHAVE Erosão, Vertedouros, Estabilização, Reparos. 4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] KOLLGAARD, E. B., CHADWICK, W. L. Development of Dam Engineering in the Unites States. 16 o ICOLD, San Francisco (1988). [2] MASON, P. J. ARUMUGAN, K. A Review of 20 Years of Scour Development at Kariba Dam. 2 nd Conference of Flood and Flood Control. Cambridge. 1986). [3] BOLLAERT, E. F. R. MUNODAWAFA, M.C., MAZVIDZA, D. Z. Kariba Dam Plunge Pool Scour: quasi-3d Numerical Predictions. ICSE6, Paris, August (2012). [4] NORET, C., GIRARD, J-C., MUNODAWAFA, M. C., MAZVIDZA, D. Z. Kariba Dam on Zambezi River: Stabilizing the Natural Plunge Pool. ICSE6, Paris, August (2012). 9