COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS XXV SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS SALVADOR, 12 A 15 DE OUTUBRO DE 2003 T92-A32 EXECUÇÃO DO VERTEDOURO COMPLEMENTAR DA UHE MARECHAL MASCARENHAS DE MORAES Erton Carvalho Flavio Paulo Tosta Filhote Letícia Costa Manna Leite José Reginaldo de Castro Domingos Julio César Ribeiro D Armada Artur Freire Júnior FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS S.A. Eleuberto Antonio Martorelli Leonardo Lago de Souza Fernando Chein Muniz Sérgio Eduardo Scarpim CONSTRUTORA NORBERTO ODEBRECHT S.A. José Manuel Iañez INTERTECHNE CONSULTORES ASSOCIADOS LTDA. RESUMO Em função das alterações das características do projeto original, e por ter sido construída anteriormente às usinas do atual Sistema FURNAS, a UHE Marechal Mascarenhas de Moraes funcionava como um elemento restritivo à melhor operacionalidade deste trecho do rio Grande, causando estrangulamento da cascata. Objetivando eliminar as restrições operacionais e adequar a segurança da barragem para a ocorrência da PMF Probable Maximum Flood, foi construído um vertedouro complementar no maciço rochoso da ombreira esquerda, com um canal de aproximação, conforme apresentado na Figura 1 a seguir. 1
ABSTRACT Because of the change performed on the original project, and because it was built before the other power plants of the Furnas system, the Mal. Mascarenhas de Moraes hydroelectric power plant worked like a restrictive element to the operation of this stretch of the Grande river, causing the strangling of the fall. Seeking to eliminate the operational restrictions and to adapt the security of the dam to the occurrence of the PMF Probable Maximum Flood, an auxiliar spillway was built in the left shoulder rock formation, with an approximation channel, like shown on Figure 1. FIGURA 1 - Vista Parcial da UHE Mal. Mascarenhas de Moraes - Margem Esquerda. 1 INTRODUÇÃO A UHE Marechal Mascarenhas de Moraes, outrora denominada Peixoto, foi construída pela CPFL (Companhia Paulista de Força e Luz), tendo sido adquirida por FURNAS em agosto de 1973 e encontra-se em operação comercial desde 1957. Possui capacidade instalada de 476 MW, distribuída em 10 unidades geradoras acionadas por turbinas tipo Francis de eixo vertical. Localiza-se no rio Grande, município de Ibiraci, estado de Minas Gerais, e está situada entre dois complexos energéticos de porte: a Usina Hidrelétrica de Furnas, a montante, com capacidade instalada de 1.216 MW e a Usina Hidrelétrica Luiz Carlos Barreto de Carvalho, antiga Estreito, a jusante, com capacidade instalada de 1.050 MW. Durante a fase de construção da Usina, nos idos da década de 50, foi constatada a existência de uma falha geológica que coincidia com o eixo da barragem. Tal fato impôs significativas modificações no arranjo geral, inicialmente elaborado, determinando um arqueamento para montante em seu eixo a partir da inclusão de dois segmentos retos e um arco central. Esta disposição final das estruturas prejudica as condições do escoamento efluente. As vazões vertidas impõem um barramento hidráulico no leito do rio, gerando grandes oscilações e correntes regressivas em direção à Casa de 2
Força. Estes fenômenos, agravados para vazões acima de 4.400m 3 /s, provocam grande elevação do nível d água no Canal de Fuga, causando, assim, a redução da capacidade de geração e riscos de inundação da Casa de Força. Além disto, o órgão extravasor desta Usina foi dimensionado a partir de critérios hidrológicos normalmente utilizados na época de sua construção, tendo sido definido o valor de 10.400 m 3 /s para a vazão de projeto desta estrutura. Estudos hidrológicos realizados em 1997, utilizando como critério a metodologia da PMF Probable Maximum Flood, determinaram como vazão máxima afluente ao reservatório da UHE Furnas o valor de 18.802 m 3 /s, defluindo pelo seu vertedouro a vazão máxima de 12.297 m 3 /s. A vazão máxima afluente calculada para o reservatório da UHE Marechal Mascarenhas de Moraes foi de 16.107 m 3 /s. Cabe ressaltar que caso não existisse o reservatório da UHE Furnas, a vazão máxima afluente em Mascarenhas de Moraes, correspondente à ocorrência da PMF em condições naturais, seria de 19.508 m 3 /s. Nas simulações realizadas para verificar a segurança do empreendimento constatou-se que o nível d água no reservatório ultrapassaria em 0,63m a elevação da crista da barragem, uma vez que o vertedouro, com capacidade máxima de 10.400 m 3 /s, não seria suficiente para defluir a nova cheia de projeto. Para atender as novas condições hidrológicas e garantir a segurança da barragem, foi projetado e construído o vertedouro complementar, com capacidade máxima de defluir a vazão de 3.100 m 3 /s, considerando o reservatório em seu nível d água máximo normal (El.666,12m), totalizando, assim, um valor de 13.500 m 3 /s. Este vertedouro, situado na margem esquerda, do tipo superfície livre associado a uma calha vertente e salto de esqui, foi posicionado de forma que as vazões efluentes sejam lançadas bem a jusante do canal de fuga e direcionadas para o leito principal do rio, minimizando os efeitos de oscilação junto a casa de força. Face à complexidade do arranjo existente, o projeto do vertedouro complementar foi subsidiado por estudos hidráulicos em modelo reduzido, visando definir a melhor geometria de tal estrutura, bem como as proteções necessárias à Casa de Força e Subestação. Em resumo, a construção do vertedouro complementar aumenta a capacidade atual de vertimento do empreendimento, garante uma operação mais adequada e eficiente da Usina e, em conseqüência de toda a cascata, minimizando os riscos e proporcionando segurança em relação às passagens de cheias excepcionais. 2 CARACTERÍSTICAS DAS ESTRUTURAS 3
O sistema extravasor complementar é constituído de um vertedouro de superfície livre, tipo perfil Creager, com calha vertente associada a um salto de esqui, projetado e executado para descarregar a vazão de 3.100 m³/s, com nível máximo do reservatório, na El. 666,12 m, conforme apresentado na Figura 2. OGIVA CANAL DE APROXIMAÇÃO SISTEMA VIÁRIO CALHA DO VERTEDOURO PROTEÇÃO CASA DE FORÇA NOVA GALERIA DE CABOS SALTO DE ESQUI DIQUE FIGURA 2: Vertedouro Complementar Arranjo Geral A estrutura do vertedouro é constituída de um único bloco, dotado de ogiva, galerias de injeção e drenagem e três pilares, sendo dois externos e um intermediário. Este vertedouro situa-se na ombreira esquerda do barramento, tendo a tomada d água a sua direita. Durante a fase executiva das estruturas, a escavação do canal de aproximação foi realizada de forma a manter um septo rochoso a montante (Figura 3), desmontado posteriormente com derrocagem subaquática, de forma a permitir todas as atividades civis e de montagem eletromecânica. A escavação do septo de montante, apresentada na Figura 4, foi realizada sob rigoroso controle de vibrações e pressão hidrodinâmica e totalizou o desmonte de 58.432 m³, sem prejudicar o fornecimento de energia gerada por Mascarenhas, sendo: Escavação mecanizada, acima do NA 6.624 m³ Escavação mecanizada, abaixo do NA 26.960 m³ Escavação em rocha, abaixo do NA 24.848 m³ 4
FIGURA 3: Septo de montante para construção do Vertedouro Complementar. FIGURA 4: Trabalhos finais de remoção do Septo e limpeza do canal de aproximação. Na ombreira direita deste vertedouro, imediatamente a montante do canal de aproximação, foi executada uma estrutura direcionadora de fluxo (muro-guia), visando disciplinar o escoamento efluente, tendo em vista a esconcidade do mesmo em relação à estrutura. Este muro-guia, apresentado na Figura 5, possui uma configuração em curva, com 20,85 m de extensão, desenvolvida, e 7,50 m de altura máxima. A seção transversal apresenta larguras máximas de 4 m na sua elevação mais baixa e 3,5 m na crista. Sua construção foi realizada em duas etapas, sendo que a primeira totalizou 226,50 m³ de concreto com fck de 40 MPa, subaquático, bombeado e autoadensável, com aditivo aglutinante e antidispersante. 5
FIGURA 5: Detalhe do Muro-Guia do canal de aproximação. Para o controle das vazões vertentes foram instaladas duas comportas segmento, cada qual com 12,00 m de largura por 18,60 m de altura, acionadas por uma única central oleodinânica, localizada no pilar intermediário. Para os serviços de inspeção e manutenção destas comportas foi utilizado um conjunto de comporta ensecadeira, do tipo deslizante, manobrado por um pórtico rolante com capacidade de 200 kn. Este conjunto é armazenado em poço de estocagem na ombreira esquerda do vertedouro. A sala de quadros de comando dos sistemas elétricos está localizada no pilar esquerdo do vertedouro. Concordando com a ogiva tem-se uma calha vertente inclinada (1V:23,4194H), com 337,85 m de extensão e 28,5 m de largura. O desenvolvimento, em planta, da calha apresenta uma pequena curvatura para direita em seu trecho final, definida a partir de cálculos teóricos. Essa característica impõe um escoamento estável, em regime supercrítico, com velocidades médias máximas inferiores a 22 m/s e um direcionamento do fluxo efluente para o leio do rio, evitando que o mesmo incida diretamente no dique de proteção da subestação, localizada a jusante da estrutura. O eficiente comportamento hidráulico foi comprovado em ensaios no modelo reduzido na escala 1:100, do Laboratório de Hidráulica Experimental (LAHE) de Furnas. Esta calha foi construída em laje de concreto armado nervurada em vigas de 0,80 m de largura e 1,55 m de altura. Devido a uma falha geológica local esta estrutura apóia-se, parcialmente, em 64 tubulões de 1,30 m de diâmetro, base trapezoidal com lados de 2,00 m e profundidade variável de 0,60 m a 13,73 m, totalizando 481,39 m. 6
Essa condição impõe a Usina de Mascarenhas de Moraes o status de ser a única hidrelétrica brasileira com calha vertente apoiada sobre tubulões. FIGURA 6: Calha Vertente - Fase Construtiva. No final da calha vertente tem-se a estrutura do salto de esqui, com extensão de 15,15 m e bordo de lançamento na El.630,00 m e ângulo de 38 0. Estas características foram definidas após alguns estudos em modelo reduzido, que proporcionaram minimizar os efeitos de represamento do córrego do Tocaia, localizado imediatamente a jusante, e os volumes de concreto para a sua construção. Além disto, os afloramentos rochosos localizados no leito do rio, a jusante do salto de esqui, foram derrocados até a El. 618,00 m, visando melhorar as condições dos escoamentos efluentes do vertedouro e da casa de força, totalizando um volume escavado de 18.320,00 m³. Tendo em vista o posicionamento do vertedouro complementar, foi construída uma nova galeria de cabos, com extensão de 570 m, para abrigar os novos cabos de interligação entre a casa de força e a subestação, em substituição aos antigos. Foram substituídos 250 mil metros de cabos de força e de comando/controle. Para a realização deste serviço, foram necessárias 5.200 manobras entre desligamentos e religações, sem prejudicar o fornecimento de energia gerada pela Usina. A UHE Marechal Mascarenhas de Moraes foi a primeira obra civil no Brasil a utilizar o Método GIN (grau de intensidade de injeção), de injeção de calda de cimento para consolidar e impermeabilizar maciços rochosos. Diferentemente do método tradicional, o GIN permite calcular eletronicamente a quantidade exata da calda de cimento a ser introduzida nas fissuras da rocha, com economia significativa dos recursos empregados. Esta metodologia consiste em definir o nível de intensidade de injeção, através do desenvolvimento da curva hiperbólica do produto da pressão final de injeção X volume injetado, que parametrizará todo o processo de injeção e seu controle. 7
Com o objetivo de proteger a casa de força das inundações com TR=1.000 anos, foi projetado e executado um muro de concreto a jusante (Figura 7), com altura média de 4,0m e cota de coroamento na El.634,75 m. FIGURA 7: Construção do Muro de Proteção da Casa Força. Esta estrutura é composta por elementos metálicos, concreto pré-moldado e convencional, dotada de passagens estrategicamente dispostas de modo a permitir a movimentação das comportas ensecadeiras do tubo de sucção (comporta modulada em dois elementos) e uma passagem destinada ao tráfego de equipamentos de grande porte para jusante, na direção do salto de esqui. A vedação desta passagem é feita através de uma comporta metálica de 2700 kg, articulada verticalmente e operada manualmente (portão naval), conforme pode se observar na Figura 8 a seguir. FIGURA 8 : Passagem a Jusante Portão Naval 8
Para proteger à área da subestação de cheias com período de recorrência de até 300 anos, foi construído ao longo da margem esquerda do rio Grande um dique de enrocamento e núcleo impermeável, Figura 9, com coroamento na El.635,00m e extensão de 350 metros. FIGURA 9: Dique de Proteção da Subestação. 3 - CONCLUSÃO A construção do vertedouro complementar, com capacidade de 3.100 m 3 /s, permitiu a UHE Marechal Mascarenhas de Moraes defluir cheias excepcionais (PMF) com segurança. Esta estrutura, pelo seu posicionamento, direciona a vazão defluente diretamente para o leito principal do rio, bem a jusante do canal de fuga, minimizando os efeitos de oscilações e correntes de retorno junto da Casa de Força, possibilitando, assim, um escoamento mais disciplinado. Estes motivos irão corroborar para a utilização desta estrutura complementar como o vertedouro de serviço. Devido ao espraiamento do fluxo defluente do vertedouro complementar, verificado durante os ensaios em Modelo Reduzido, foi necessária a construção de um dique, constituído de enrocamento com núcleo impermeável, visando proteger a área da Subestação da Usina. Foi construído, também, um muro de proteção de concreto junto ao canal de fuga, com a finalidade de evitar riscos de inundação da Casa de Força, para uma vazão com tempo de recorrência inferior ou igual a 1.000 anos. Face ao exposto, pode-se concluir que a construção do vertedouro complementar tornou-se necessária e imprescindível, uma vez que garantiu a segurança do empreendimento em relação à passagem de cheias excepcionais, além de proporcionar uma maior flexibilidade operacional da cascata do rio Grande. 9