COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS XXV SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS SALVADOR, 12 A 15 DE OUTUBRO DE 2003 T91 A03 ESTUDOS HIDRÁULICOS DO CANAL DE RESTITUIÇÃO DO VERTEDOURO DA UHE ITUTINGA Engenheiro Ricardo Ahouagi Carneiro Junho HÍDRICON CONSULTORIA DE RECURSOS HÍDRICOS LTDA Engenheira Eliana Campos de Figueiredo Vieira CEMIG COMPANHIA ENERGÉTICA DE MINAS GERAIS GERÊNCIA DE SEGURANÇA DE BARRAGENS E MANUTENÇÃO CIVIL RESUMO Este trabalho apresenta os estudos hidráulicos realizados para a definição das características de canal de restituição para o vertedouro da UHE Itutinga, com os objetivos de disciplinar o escoamento proveniente do vertedouro e evitar o aprisionamento de peixes no antigo leito do rio Grande, durante a operação de fechamento das comportas. Os estudos hidráulicos foram realizados em duas etapas: a primeira, constituída por cálculos teóricos, para a definição das características geométricas do canal de restituição; e a segunda, em modelo hidráulico reduzido, para avaliação da adequação das condições de escoamento e para a otimização da seção de escavação e de cotas de crista e diâmetros de enrocamento de proteção dos aterros longitudinais. Concluída a implantação do canal de restituição, o escoamento das vazões vertidas no período de cheias de 2002/2003 apresentou comportamento hidráulico satisfatório, não tendo sido constatado aprisionamento de peixes a jusante do vertedouro, na operação de fechamento das comportas. ABSTRACT This paper presents the hydraulic studies of the spillway exit channel of Itutinga HPP, which main objectives were to improve hydraulic flow conditions of the exit flow from the spillway and to prevent fish retention at depressions and pools in the rio Grande old river bed, during the closure of the spillway gates. The hydraulic studies were developed in 2 phases: the first one consisted of 1
theoretical calculations and layout design of the spillway exit channel; the second one consisted of hydraulic model testing and optimization of the channel layout, with the reduction of rock cut volumes and setting of crest elevations and stone protection sizing of the rockfill embankments. After the end of the civil works, the hydraulic performance of the 2002/2003 flood season spillway flows was satisfactory and there was no fish retention downstream from the spillway, during the spillway gates closure. 1 - INTRODUÇÃO A UHE ltutinga, localizada no rio Grande, nas proximidades da sede do município de Itutinga-MG, a jusante da UHE Camargos, possui arranjo composto por barragem de terra, estrutura de controle, canal de adução com vertedouro lateral livre, tomada d água e casa de força, na margem esquerda; vertedouro controlado por comportas, no antigo leito do rio; vertedouro livre e barragem de terra na margem direita. Uma vista geral do aproveitamento encontra-se na Figura 1. FIGURA 1 Vista geral da UHE Itutinga Durante a maior parte do tempo de operação da usina, o escoamento ocorre unicamente pela Casa de Força. Durante a estação chuvosa da bacia do rio Grande, que em termos práticos coincide com o período da piracema, grandes quantidades de peixes se deslocam para o vertedouro, durante os seus períodos de operação. Com o fechamento das comportas do vertedouro, a lâmina d água a jusante se reduzia de forma relativamente rápida, provocando o aprisionamento de peixes em depressões e poços existentes na região, que gerava um trabalho muito grande de resgate. A Figura 2 mostra a situação da região a jusante do vertedouro em 1996. 2
FIGURA 2 Região a jusante do vertedouro em 1996 Com os objetivos de disciplinar o escoamento na restituição do vertedouro e de evitar o aprisionamento de peixes, algumas intervenções foram efetuadas pela CEMIG, ao longo do período de operação da usina, dentre as quais, a adoção de uma seqüência de fechamento das comportas que concentrasse o escoamento no antigo leito do rio, a remoção de blocos soltos e preenchimento de poços com concreto ciclópico, a escavação de um canal de pequeno porte associado à construção de pequenos muros de concreto, etc. A situação da região a jusante do vertedouro em 2000 é apresentada nas Figuras 3 e 4. FIGURA 3 Região a jusante do vertedouro em 2000 3
FIGURA 4 Região a jusante do vertedouro em 2000 Tais medidas conduziram à melhoria do escoamento e à redução dos efeitos de aprisionamento de peixes, particularmente para vazões mais baixas. Para estender estes benefícios a vazões de maior porte, decidiu-se pela implantação de um canal na restituição do vertedouro, com capacidade de descarga suficiente para que o escoamento ficasse confinado no seu interior, e que possuísse uma lâmina d água contínua durante todo o tempo, que permitisse a livre movimentação dos peixes entre o vertedouro e o canal de fuga. O canal de restituição consiste, essencialmente, de uma calha menor escavada em rocha e uma calha maior conformada por aterros longitudinais de enrocamento (diques), com o material proveniente das escavações, que foi implantado no período de outubro de 2001 a fevereiro de 2002. No escoamento das vazões vertidas no período de cheias de 2002/2003, foram constatados a adequação da intervenção executada e o atendimento dos objetivos propostos. Os critérios básicos adotados no projeto desta solução e os estudos hidráulicos realizados são apresentados a seguir. 2 - CRITÉRIOS DE PROJETO A UHE Itutinga possui níveis máximos normais de operação nas elevações 885,80 m, no reservatório, e 857,70 m, no canal de fuga. Possui quatro unidades, sendo duas, tipo Kaplan e duas, tipo Hélice, com vazão turbinada máxima total de 236 m 3 /s. O vertedouro, controlado por 5 comportas, com vãos com largura de 10,5 m e altura de 6,0 m, e soleira na El. 880,00 m, possui capacidade de descarga de 1450 m 3 /s, no N.A. Máximo Normal. Para o nível 4
d água na El. 887,50 m, a vazão máxima vertida é da ordem de 2030 m 3 /s, incluindo a vazão pelos vertedouros livres. De acordo com dados fornecidos pela CEMIG e estudos hidrológicos por ela realizados, a vazão média de longo termo é de 136 m 3 /s, no período de janeiro de 1931 a dezembro de 1994, e a vazão de cheia máxima anual com tempo de recorrência de 2 anos é de 550 m 3 /s. Em 1992, ocorreu a máxima cheia observada na bacia, com vazões máximas afluente e defluente da UHE Camargos de, respectivamente, 1627 m 3 Is e 1170 m 3 Is. De acordo com a distribuição de freqüência de Gumbel, ajustada aos dados de cheias médias diárias máximas anuais no período de 1976 a 1991, essa vazão afluente possui tempo de recorrência da ordem de 5.000 anos, conforme apresentado em CEMIG (1992). Como a bacia incremental possui área pouco significativa e a UHE Itutinga opera a fio d água, durante a cheia de 1992, a vazão máxima defluente desta usina foi de 1170 m 3 Is, composta por vazão vertida de 990 m 3 Is e vazão turbinada de 180 m 3 /s. Em função das características hidrológicas no local, a grande capacidade de amortecimento do reservatório da UHE Camargos, a montante, e das interferências no rio Grande, a jusante, decidiu-se adotar vazão de projeto do canal de restituição em 1.000 m 3 /s e vazão de verificação de 1450 m 3 /s, correspondentes, respectivamente, à maior cheia vertida no período histórico e à capacidade de descarga do vertedouro controlado no N.A. Máximo Normal. Para a vazão de verificação, os diques do canal de restituição deveriam ser estáveis, com borda livre mínima de 0,5 m. Para a cheia máxima pelos vertedouros, da ordem de 2030 m 3 /s, foi admitido o galgamento dos diques e, também, o carreamento de parte do enrocamento de proteção. Com relação a aspectos construtivos, as diretrizes gerais adotadas foram: cota de fundo do canal de restituição posicionada cerca de 1,0 m abaixo do nível d água mínimo de operação do canal de fuga da usina (El. 856,30 m); cota de crista dos aterros de enrocamento com borda livre mínima de 1,0 m em relação à linha d água calculada para a vazão de projeto; inclinação do talude dos aterros de enrocamento de 1V:2H; e largura de crista entre 4,0 m e 10,0 m. 3 - ESTUDOS EM MODELO MATEMÁTICO UNIDIMENSIONAL Os estudos teóricos para a definição da configuração geral do canal de restituição foram realizados com o auxílio do modelo HEC-RAS e são apresentados em HÍDRICON (2000). A configuração topobatimétrica da região de interesse foi representada através de 18 seções transversais, com espaçamento médio de 25,0 m, traçadas a partir de levantamento topográfico em escala 1:1.000. Nos cálculos dos perfis de linha d água foram adotados: 5
Coeficiente n de Manning de 0,070, para a condição anterior à implantação do canal de restituição, estimado em visita de campo em agosto de 2000; e para o cálculo da linha d água para a condição posterior à implantação do canal de restituição e definição, com segurança, da crista dos aterros de enrocamento; Coeficiente n de Manning de 0,040, para o cálculo de velocidades do escoamento para a condição posterior à implantação do canal de restituição, e definição do diâmetro de proteção dos aterros de enrocamento; Coeficientes de contração de 0,10 e de expansão de 0,30. Nos estudos de remanso realizados foram calculados perfis de linha d água para vazões vertidas da ordem de 500 m 3 /s, 1.000 m 3 /s e 2.030 m 3 /s. Os níveis d água de partida foram obtidos da curva-chave do canal de fuga, considerando vazão turbinada de 180 m 3 /s, além da vazão vertida, exceto para a vazão máxima, em que não se considerou a operação das máquinas. Os estudos de simulação do escoamento foram realizados em 3 etapas: Condição anterior à implantação do canal de restituição; Escavação de canal com largura mínima de 20,0 m (distância mínima entre os muros existentes) e cota de fundo na El. 855,50 m; Canal da etapa anterior com aterros longitudinais de enrocamento em ambas as margens, com início sobre o topo rochoso existente, posicionados a 5 metros na horizontal, a partir das paredes laterais do canal escavado, com declividade 1V:2H, crista na El. 875,00 m e largura de 10,0 metros. A partir dos resultados de níveis d água obtidos para a vazão vertida de cerca de 1.000 m 3 /s, foram definidas elevações da crista dos aterros de enrocamento e, por tentativa e erro, foram calculados os volumes de enrocamento correspondentes a diversas larguras de crista, até a obtenção de um balanço entre volumes de escavação e aterro considerado satisfatório. Com base nos critérios apresentados e nos resultados obtidos, a solução proposta era constituída por um canal retangular escavado em rocha com cota de fundo na El. 855,50 m e comprimento total de aproximadamente 240 metros, dos quais cerca de 170 metros com largura de 20 metros e os demais 70 metros com largura variável de 20 a 38 metros. A configuração geral do canal, como implantada no modelo reduzido, é apresentada na Figura 5. A crista do aterro da margem esquerda encontrava-se na El. 865,50 m com largura variável. A crista do aterro da margem direita possuía largura de 8,0 m em cotas variáveis da El. 868,00 m a 866,00 m, de montante para jusante, respectivamente. As folgas entre os níveis d água teóricos calculados para a vazão de projeto do canal e as cristas dos aterros foram adotadas da ordem de 1,0 m para a margem esquerda e 1,5 m para a direita, considerando efeitos esperados de sobrelevação dos níveis d água na curva. Na ocorrência da vazão máxima pelos vertedouros, foi previsto o galgamento dos diques de ambas as margens. Entretanto, devido às dimensões da lâmina d água máxima esperada sobre a crista, da ordem de 1,0 m na hipótese de escoamento confinado no canal, e ao fato do enrocamento estar submerso, presumiu-se que os danos aos aterros seriam pouco significativos. 6
FIGURA 5 Reprodução em modelo da situação em 2000 Para a proteção dos aterros previu-se a colocação de enrocamento compactado, com valores de D 50 de 1,50 m, para o trecho situado a cerca de 40 metros a jusante do vertedouro, em uma extensão de 40 metros; de 0,80 m, nos 80 metros seguintes; e de 0,50 m, nos 50 metros restantes até a extremidade jusante do canal. A observar que o diâmetro de 1,50 m foi calculado para a vazão máxima pelos vertedouros, de 2030 m 3 /s. 4 - ESTUDOS EM MODELO REDUZIDO TRIDIMENSIONAL Os estudos em modelo reduzido foram realizados na FCTH Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica, de agosto de 2001 a abril de 2002. O modelo foi construído em escala 1:50, atendendo aos critérios de semelhança mecânica. Os estudos em modelo hidráulico reduzido tiveram como principais objetivos: a garantia de condições adequadas de dissipação de energia do jato proveniente do vertedouro; a garantia da estabilidade do trecho inicial do aterro da margem direita, em função da alta turbulência e altas velocidades do escoamento proveniente da pré-fossa de erosão; a avaliação e otimização das condições de escoamento no canal de restituição, em termos de velocidades e variação de níveis d água; a definição e otimização de diâmetros de enrocamento de proteção e cotas de crista dos diques laterais. Um extrato dos relatórios parciais emitidos ao longo dos estudos e das observações e resultados mais importantes é apresentado em FCTH (2002b Referência 3). As características geométricas das estruturas existentes foram implantadas a 7
partir de dados e informações fornecidos pela CEMIG. A topografia relativa à restituição do vertedouro foi reproduzida a partir de levantamento em escala 1:1.000, com curvas de nível espaçadas de 1,0 metro. Na região de incidência do jato, dadas as características de acentuada irregularidade do topo rochoso, em decorrência das erosões induzidas pela operação do vertedouro, não foi possível a reprodução exata da topografia existente. Esta deficiência, contudo, foi eliminada pela escavação da pré-fossa de erosão, na região. Para caracterizar toda a faixa de operação do vertedouro, foram realizados ensaios com vazões vertidas de 200 m 3 /s, 500 m 3 /s, 750 m 3 /s, 1000 m 3 /s e 1452 m 3 /s. O nível d água no reservatório foi mantido próximo à El. 885,80 m e o nível d água a jusante foi imposto a jusante da confluência com o canal de fuga, considerando, adicionalmente, vazão turbinada constante de 213 m 3 /s. Esta vazão corresponde, aproximadamente, à média da vazão máxima das máquinas e da vazão máxima turbinada na cheia de 1992. Para os ensaios realizados, foram feitas observações qualitativas das condições gerais do escoamento e medições de velocidades e níveis d água em pontos de interesse. Os principais aspectos observados foram: a incidência de escoamento sobre o muro divisor dos vãos 2 e 3 do vertedouro; o escoamento proveniente dos vãos extremos sobre o topo rochoso imediatamente a jusante do vertedouro; o extravasamento do escoamento na calha a jusante do vertedouro; as recirculações e oscilações de nível d água junto à curva a jusante; e o controle exercido pelo leito do rio, a montante da confluência com o canal de fuga. As diversas etapas de estudo são descritas, de forma sucinta, a seguir. Aferição do modelo leito do rio na condição anterior à implantação do canal, cuja representação é apresentada na Figura 6. Condições de escoamento bastante desfavoráveis, com velocidades, ondas e oscilações de níveis d água altas e, também, impacto sobre a parte côncava da margem direita, junto à curva, com intensas recirculações. FIGURA 6 Alternativa inicial do canal de restituição 8
Alternativa Inicial canal de restituição com limites laterais, em seu início, à direita, na lateral direita do vão 3 e, à esquerda, no centro do vão 2, cota de fundo na El. 855,50 m, sem pré-fossa de erosão, com aterros de enrocamento, cuja configuração é apresentada na Figura 5. As condições de escoamento apresentaram, obviamente, melhoria significativa em relação à condição existente. Na região junto à curva, contudo, ainda ocorriam grandes oscilações de nível d água e intensas recirculações. Em função deste fato, foi estudada uma pré-fossa de erosão com comprimento de 35 metros, e fundo nas cotas 850,00 m e 852,50 m, adotando-se, para prosseguimento dos estudos, cota de fundo na El. 850,00 m. Alternativa 1 - canal de restituição com cota de fundo na El. 855,00 m, com limites laterais, em seu início, nas laterais direita do vão 3 e esquerda do vão 2, com os conseqüentes afastamentos dos aterros de enrocamento, com pré-fossa de erosão com comprimento de 35 metros e fundo na El. 850,00 m. As condições de escoamento apresentaram melhoria em relação à alternativa inicial verificando-se, entretanto, na região junto à curva, a ocorrência de oscilações de nível d água relativamente altas e intensas recirculações para as vazões de 1000 m 3 /s e 1452 m 3 /s. Alternativa 2 - canal de restituição similar ao anterior, com ajustes no traçado do dique lateral direito, na região da curva, com o objetivo de melhorar as condições de escoamento; e retirada dos muros de concreto existentes. Esta configuração é apresentada na Figura 7. As condições de escoamento foram consideradas satisfatórias para todas as vazões ensaiadas. Alguns aspectos da vazão de 1.000 m3/s são apresentados nas Figuras 8 e 9. A mudança do traçado, além da melhoria do escoamento, permitiu, também, redução nos volumes de escavação do canal. FIGURA 7 Alternativa 2 (Final) do canal de restituição 9
FIGURA 8 Vazão de 1.000 m 3 /s - Alternativa 2 (Final) do canal de restituição FIGURA 9 Vazão de 1.000 m 3 /s - Alternativa 2 (Final) do canal de restituição 10
A Alternativa 2 foi adotada como solução de projeto, para a qual foram realizados estudos de manobras de comporta, apresentados em FCTH (2002a - Referência 2), e estudos de definição de geometria de trincheiras para aeração do fluxo proveniente do vertedouro e, assim, reduzir a instabilidade do jato e os efeitos erosivos no maciço rochoso a jusante. 5 - CANAL DE RESTITUIÇÃO DO VERTEDOURO O canal de restituição implantado na UHE Itutinga é constituído, em linhas gerais, por um canal retangular escavado em rocha, com cota de fundo na El. 855,00 m, largura típica de 20 metros e comprimento total de aproximadamente 245 metros. Seu arranjo em planta é apresentado na Figura 10. FIGURA 10 Alternativa 2 (Final) do canal de restituição 11
Em seu início, possui pré-fossa de erosão com cota de fundo na El. 850,00 m, com comprimento de cerca de 35 metros e largura variável de 24,5 a 21,8 metros, de montante para jusante. A transição das cotas de fundo da pré-fossa e do canal é feita em talude 1V:2H, em extensão de 10,0 m. O canal possui largura constante de 20 metros, em uma extensão de aproximadamente 135 metros; e largura variável de 20 a 28,7 metros, a jusante, em extensão de cerca de 65 metros. A crista do aterro da margem esquerda encontra-se na El. 865,00 m, com largura variável e valor médio de 34 metros. Os níveis d água máximos medidos para as vazões de 1.000 m 3 /s e 1.450 m 3 /s encontram-se nas elevações 862,65 m e 863,65 m, respectivamente. O enrocamento de proteção possui D 50 de 1,00 m, a montante, em trecho com extensão de 33 metros, e D 50 de 0,55 m no trecho restante, com extensão aproximada de 110 metros. A esses diâmetros correspondem velocidades máximas de 6,6 m/s e de 0,7 m/s, nas proximidades do talude, para a vazão de 1450 m 3 /s. A crista do aterro da margem direita possui largura de 8,0 m em cotas variáveis da El. 865,00 m a 866,00 m, de montante para jusante. Os níveis d água máximos medidos para as vazões de 1000 m 3 /s e 1450 m 3 /s encontram-se, respectivamente, nas elevações 862,57 m e 863,87 m, a montante, e 863,60 m e 865,27 m, a jusante. O enrocamento de proteção possui D 50 de 1,00 m, a montante, em trecho com extensão de 32 metros, e, a jusante, em trecho com extensão de 95 metros. No trecho intermediário, com extensão de 110 metros, o enrocamento de proteção possui D 50 de 0,55 m. A estes valores correspondem velocidades, nas proximidades do talude, para a vazão de 1450 m 3 /s, de 2,45 m/s, a montante, 1,96 m/s, a jusante, e 2,31 m/s, no trecho intermediário. A registrar que os diâmetros dos enrocamentos de proteção são função da velocidade do escoamento e das oscilações de nível d água junto aos taludes. Na ocorrência da vazão máxima pelos vertedouros, de 2.030 m 3 /s, observações realizadas no modelo indicaram a ocorrência de galgamento dos diques de ambas as margens que, de forma geral, permaneceram estáveis. Contudo, o trecho do dique da margem direita com D 50 de 1,0 m, sofre erosão significativa, devido, principalmente, ao escoamento proveniente do vertedouro lateral do canal de adução. Em função deste fato, na execução da obra, este trecho foi protegido com blocos de diâmetro maior do que o previsto no projeto. A trincheira da margem direita foi implantada conforme definição do modelo hidráulico reduzido. A da margem esquerda, entretanto, não foi implantada devido à necessidade de execução de recorte no muro de concreto existente no lado esquerdo. Caso a operação do vertedouro indique a necessidade, sua implantação poderá ser feita oportunamente. As Figuras 11 e 12 mostram a configuração geral do canal, durante sua fase final de implantação. 12
FIGURA 11 - Implantação do canal de restituição FIGURA 12 - Implantação do canal de restituição 6 - CONCLUSÕES Os estudos hidráulicos realizados permitiram a implantação de canal de restituição para o vertedouro da UHE Itutinga, que apresenta condições de escoamento adequadas e que permite o fechamento das comportas do 13
vertedouro sem restrições de operação e sem causar aprisionamento de peixes a jusante. O escoamento proveniente do vertedouro, com vazão da ordem de 200 m 3 /s, em fevereiro de 2003, é apresentado nas Figuras 13 e 14. Os estudos teóricos realizados em modelo matemático unidimensional, a despeito das hipóteses simplificadoras adotadas, constituíram importante ferramenta na definição da solução proposta. Dadas as características do escoamento, entretanto, os aspectos de geometria do leito do rio e dissipação turbulenta da energia do jato recomendaram a realização de estudos em modelo reduzido. FIGURA 13 - Canal de restituição Vazão de 200 m 3 /s em fevereiro de 2003 FIGURA 14 - Canal de restituição Vazão de 200 m 3 /s em fevereiro de 2003 14
Os estudos em modelo reduzido conduziram à apropriada definição das características geométricas e hidráulicas do canal de restituição, com a proteção dos diques, e à garantia de condições de escoamento satisfatórias. Permitiram, ainda, a revisão da regra de operação das comportas do vertedouro da UHE Itutinga. De modo geral, a seqüência de abertura e fechamento das comportas foi mantida, tendo-se eliminado operações adicionais de comportas, definidas anteriormente para minimizar aprisionamento de peixes no topo rochoso das regiões laterais a jusante do vertedouro. Finalmente, os estudos em modelo reduzido permitiram alguma redução de custos em relação à solução inicial, através da redução de volumes de escavação e de enrocamento compactado nos diâmetros requeridos. 7- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1- CEMIG, 1992. Relatório da Cheia de 1992 na Bacia de Camargos - Nota Técnica OP/PE2-01/92 Divisão de Hidrometeorologia Operacional. Belo Horizonte. 2- FCTH, 2002a. UHE Itutinga, Modelo Reduzido Tridimensional, Escala 1:50. Relatório Parcial 3 Manobras de Comportas e Curvas Cota x Vazão. São Paulo, Janeiro de 2002. 3- FCTH, 2002b. UHE Itutinga, Modelo Reduzido Tridimensional, Escala 1:50. Relatório Final. São Paulo, Janeiro de 2002. 4- HÍDRICON, 2000. UHE de Itutinga, Vertedouro. Estudo do Canal de Restituição. ITT-RE-CR-01. Belo Horizonte, Outubro de 2000. 15