COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS XXVII SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS BELÉM PA, 03 A 07 DE JUNHO DE 2007 T100 A22 FECHAMENTO DO SISTEMA DE DESVIO UTILIZANDO PAINÉIS PRÉ-MOLDADOS DE CONCRETO NA UHE FUNDÃO Rafael de LARA Engenheiro Civil Júnior / COPEL Nelson do Canto Oliveira SAKS Engenheiro Civil Sênior / Coordenador do Projeto Civil da EP COPEL. Luiz Fernando Prates de OLIVEIRA Engenheiro Civil Sênior / Coordenador Geral da EP COPEL. Maria Tereza de ANDRADE Engenheira Civil Sênior / COPEL RESUMO O objetivo desse trabalho é apresentar o processo executivo utilizado para o fechamento do sistema de desvio do rio da UHE Fundão, com painéis pré-moldados de concreto. Tal processo foi possível graças a dois fatores: - a anterior construção da UHE Santa Clara situada a montante, cujo reservatório é de regularização e onde foi possível a acumulação das vazões do rio Jordão durante sete dias, até a complementação da montagem dos painéis da comporta ensecadeira, mantendo-se apenas a vazão sanitária; e ambas as usinas fazerem parte de um complexo hidrelétrico com os mesmos proprietários e executores. O foco principal deste trabalho é apresentar um estudo comparativo entre uma estrutura de fechamento convencional, utilizando comportas metálicas, e a utilizada nessa obra. ABSTRACT The purpose of this paper is to present the executive procedure to close the diversion system of the river of the Fundão Power Plant, using pre cast concrete panels. This method was possible because of two factors: - the previous construction of the Santa Clara Power Plant upstream, with a regularisation reservoir, where it was possible for the Jordão river waters to accumulate during seven days until the erection of the floodgate concrete panels was completed, remaining in the river the sanitary flow only; and also- both the hydroelectric plants having the same owners and executors. The main focus of this paper is to present a comparative study between a conventional closing structure, with metallic floodgates, and the pre cast concrete panel s method. XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 1
1. INTRODUÇÃO O Complexo Energético Fundão Santa Clara, implantado pela ELEJOR Centrais Elétricas do Rio Jordão S.A., é constituído por duas usinas hidrelétricas, denominadas Santa Clara e Fundão, de montante para jusante, com potência assegurada de 69,6 mw médios e 65,8 MW médios, respectivamente, sendo ambas com potência assegurada de 110,9 mw, conforme o contrato de concessão [1]. Na UHE Fundão foi utilizado o fechamento do sistema de desvio do rio através de painéis pré-moldados de concreto. Este sistema inovador foi utilizado pelo Consórcio Construtor do Complexo Jordão, que através de Contrato EPC com a ELEJOR foi o responsável pelo fornecimento, construção e montagem. A estrutura de fechamento, situada no emboque de um túnel por onde o rio foi desviado para a construção da barragem, foi projetada pela INTERTECHNE CONSULTORES ASSOCIADOS S/C LTDA. apresentando grande eficiência e simplicidade construtiva, alcançando significativa redução de custos através de uma solução tecnicamente viável e segura. 2. UHE FUNDÃO O eixo da barragem da UHE Fundão está localizado no km 22,7 do rio Jordão, na divisa dos municípios de Foz do Jordão, na margem direita, e Pinhão, na margem esquerda. A barragem, mostrada na Figura 1, foi executada em concreto compactado a rolo (CCR) e concluída em maio de 2006, formando um reservatório com nível de água máximo normal situado na EI.705,50 m, com cerca de 2,15 km 2 de área superficial. FIGURA 1 Barragem da UHE Fundão (mai/2006). XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 2
O arranjo foi concebido de forma a aproveitar a queda natural de cerca de 55 m existente no trecho do rio Jordão entre a barragem e a casa de força, preservando a cachoeira denominada Tia Chica de grande beleza cênica. O aproveitamento da queda é possível graças a um sistema de adução em túneis, o qual leva a água do reservatório até as turbinas montadas na casa de força. Após passar pela casa de força, a água é restituída ao rio, já no remanso do reservatório da Derivação do rio Jordão. A barragem tem 43 m de altura e 446 m de comprimento de crista, incluindo um vertedouro em soleira vertente com 251 m de extensão que se estende por todo o leito do rio. Para a construção da barragem o rio foi desviado por um túnel escavado na margem direita com 151 m de comprimento, construído com seção arco-retângulo com 11,4 m de largura e 9,3 m de altura, conforme ilustrado na Figura 2. A estrutura do emboque do túnel de desvio foi construída com dois vãos para colocação de painéis sobrepostos de concreto pré-moldado, cada um medindo 4,80x1,00x0,75 m (CxHxL). A vedação entre os painéis e dos mesmos com a estrutura do emboque foi feita com argamassa. FIGURA 2 Perfil do túnel de desvio. O túnel de adução (baixa pressão) foi escavado em seção arco-retângulo com 11,6 m de largura e 8,2 m de altura e 3,665 km de comprimento. Na entrada do túnel construiu-se uma estrutura de tomada d'água, equipada com uma comporta ensecadeira. O piso do túnel de adução está revestido em toda a sua extensão com uma camada de CCR, com espessura média de 20 cm. XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 3
Devido ao comportamento da adução foi prevista a escavação de uma câmara de carga com o objetivo de limitar a amplitude das oscilações de nível resultante de transientes e variações de carga na usina. Na câmara de carga estão acomodadas as estruturas de tomada de água, que serão providas de grades, comportas ensecadeiras e vagão de emergência. A partir da tomada de água, foram escavados dois túneis forçados. O primeiro trecho de cada um, no sentido montante jusante, é vertical, seguido de outro com declividade de 15%, ambos revestidos com concreto. O trecho final dos túneis forçados tem declividade de 1% e são blindados com chapas de aço. A extensão dos túneis forçados é de aproximadamente 340 m, sendo 260 m revestidos com concreto e diâmetro interno de 4,8 m e os últimos 80 m blindado com chapas de aço e diâmetro interno de 4,0 m. A casa de força é do tipo abrigada e foi projetada para duas turbinas do tipo Francis de eixo vertical, com potência nominal de 61 mw cada, rotação síncrona de 257,14 rpm para a queda nominal de 84,78 m. Dada a necessidade de manutenção de uma vazão mínima de 6,9 m 3 /s para jusante, implantou-se uma pequena central hidrelétrica junto ao pé da barragem, em sua ombreira direita. Está localizada dentro de um poço situado entre a soleira vertente e o canal de restituição do desvio, com potência instalada de 2,5 MW. Nos períodos de manutenção da PCH a vazão sanitária será mantida por uma válvula dispersora regulada para manter essa vazão com o nível operacional 705,50 m. 3. CONCEPÇÃO DA ESTRUTURA DO DESVIO DO RIO Na UHE Fundão, o fechamento do sistema de desvio do rio foi previsto e executado com painéis pré-moldados de concreto, cada um medindo 4,80x1,00x0,75m (CxHxL), executados no próprio canteiro de obras. Cada um dos vãos foi construído com 4,25 m de largura e separados por um pilar central com 1,00 m de espessura. Neles se previa a colocação de 15 painéis de concreto, sendo que a Construtora executou ao todo 34 painéis, incluindo quatro painéis de reserva. O desenho dos painéis de pré-moldados de concreto é apresentado na Figura 3. A planta da estrutura do emboque do túnel de desvio é mostrada na Figura 4 e o corte esquemático pode ser visualizado no corte da Figura 5. A estrutura de tomada do desvio utilizou concreto com fck 28 =18 MPa. Foi especificado que as ranhuras para descida das comportas deveriam ter a superfície perfeitamente plana. Para a execução dos painéis foi utilizado concreto com fck 28 =30 MPa. Para a vedação entre os painéis foi utilizada argamassa com o seguinte traço: Grout MBT (25kg) + CP IV 32-F (10kg) + Água (5,6kg). XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 4
Para garantir perfeito ajuste dos painéis pré-moldados de concreto colocou-se cunhas de madeira, mostradas na Figura 6, entre os painéis e a superfície de montante da ranhura da estrutura. FIGURA 3 Detalhe executivo dos painéis pré-moldados de concreto FIGURA 4 Planta da tomada do desvio XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 5
FIGURA 5 Corte da tomada do desvio FIGURA 6 Detalhe das cunhas de madeira e da argamassa de vedação XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 6
4. PREPARAÇÃO PARA O FECHAMENTO DO DESVIO DA UHE FUNDÃO Para o fechamento das comportas ensecadeiras com painéis de concreto no túnel de desvio da UHE Fundão deveria ser efetuada a restrição da vazão efluente pela UHE Santa Clara, situada no km 38,4 do rio Jordão, portanto a montante. Seria mantida apenas a vazão sanitária de 6,47 m³/s pela barragem com a paralisação da geração pela casa de força. Então seriam lançadas as ensecadeiras a montante e a jusante do túnel de desvio. A ensecadeira de montante foi prevista para ser coroada na elevação 672,00 m, de tal modo que a vazão afluente a Fundão (vazão sanitária de Santa Clara acrescida da vazão incremental) seria inteiramente descarregada pelo dispositivo provisório de vazão sanitária. Nessa condição a máxima vazão afluente ao local estaria limitada a 11,5 m³/s, desde que as condições meteorológicas fossem favoráveis. A ensecadeira de jusante foi prevista para ser coroada na elevação 665,00 m. Calculou-se o tempo necessário para a execução do fechamento em 7 dias. Após solicitação ao ONS, obteve-se anuência para 10 dias de interrupção em Santa Clara como provisão para eventuais dificuldades durante esta operação. O reservatório de Santa Clara seria previamente deplecionado abaixo da elevação 795,00 m, possibilitando um volume de acumulação até a soleira do vertedouro (elevação 805,00 m) superior a 170 milhões de metros cúbicos. Este volume seria suficiente para reter a afluência de uma vazão constante de 280 m³/s durante sete dias consecutivos. Um evento com estas características seria equivalente a uma cheia com dois anos de recorrência. Considerando-se apenas a afluência da vazão média de longo termo (105 m³/s), o tempo de armazenamento até a elevação de 805,00 m seria de aproximadamente 19 dias. Previu-se a disponibilização de equipamentos próximos a ensecadeira de montante do túnel, para que, em caso de necessidade, pudesse ser feito o alteamento da mesma até a elevação 677,00 m. Após a conclusão das ensecadeiras o recinto (túnel e canais de entrada e saída) seria esgotado para instalação e vedação dos painéis de concreto do fechamento do sistema de desvio. 5. OPERAÇÃO DO FECHAMENTO DO DESVIO DA UHE FUNDÃO Realizadas as etapas preparatórias, com o deplecionamento prévio do reservatório da UHE Santa Clara, este favorecido pela seca que ocorreu no Estado do Paraná em 2006; com a execução das ensecadeiras a montante e a jusante do túnel de desvio, mostradas na Figura 7 e que demandou aproximadamente um dia e com o esgotamento do recinto ensecado, que durou um dia e meio; gastou-se dois dias para a colocação dos painéis de concreto. XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 7
FIGURA 7 Execução da ensecadeira de montante. A operação de colocação dos painéis de concreto constituiu basicamente da seguinte seqüência: Descida do painel de concreto pelas ranhuras utilizando guindaste para içamento, deslocamento, posicionamento e descida apropriados (Figura 8); Corte das alças de içamento inseridas no painel pré-moldado de concreto (Figura 9); Colocação das cunhas de madeira utilizadas também como formas para a argamassa de vedação lateral; Aplicação de camada com aproximadamente 1,5 cm de argamassa de vedação sobre o topo do painel de concreto; FIGURA 8 Movimentação dos painéis de concreto XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 8
Aplicação do Grout especificado entre os painéis e as ranhuras laterais. FIGURA 9 Operação simultânea de fechamento dos vãos mostrando profissionais soltando os cabos de içamento FIGURA 10 Configuração final da estrutura mostrando as camadas de argamassa entre painéis. XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 9
A operação foi repetida até o assentamento dos 15 painéis em cada vão, sendo que nos painéis do topo, além do preenchimento com argamassa nas laterais, lançou-se argamassa junto ao contato com a estrutura da tomada conforme Figura 10. 6. COMPARAÇÃO RESUMIDA DE CUSTOS ENTRE OS DOIS MÉTODOS Por tratar-se de uma contratação na modalidade EPC turnkey lump sum, a COPEL que atuou como engenharia do proprietário desconhece os preços de partes da obra. Todavia esses custos foram inferidos pela COPEL a partir das quantidades mostradas na Tabela 1, calculadas com base nos desenhos do projeto executivo. Para essa comparação foram utilizados os desenhos do projeto executivo, quantificados os materiais e serviços das estruturas do emboque da UHE Santa Clara, mostradas na Figura 11 e Figura 12, e comparadas com as da UHE Fundão, já mostradas nas Figuras 3 a 6. Ambas as estruturas e serviços foram dimensionadas para vazões semelhantes, possibilitando uma comparação direta de custos. FIGURA 11 Planta da tomada do desvio da UHE Santa Clara que utilizou comportas metálicas. Dessa forma, foi estimado o valor global para a UHE Santa Clara em R$ 4.768.346,48 e para a UHE Fundão este custo ficou em R$ 497.324,40, representando uma economia de 89,6%. Deve-se salientar que o custo das comportas metálicas da UHE Santa Clara aqui adotado inclui, além do custo de fabricação, os custos de transporte e seguro. Para a UHE Fundão, os painéis de concreto foram executados no próprio canteiro de obras da Construtora, o que reduziu consideravelmente os custos. XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 10
Além das comportas outro item de grande influência na diferença de custo entre as duas alternativas foi o fato do volume da estrutura da tomada do desvio da UHE Fundão representar apenas 30,4% do volume da mesma estrutura para a UHE Santa Clara, como pode ser visto comparando os desenhos de ambas as estruturas mostradas nesse trabalho. A operação de fechamento do desvio da UHE Fundão levou sete dias para a sua consecução, enquanto na UHE Santa Clara levou apenas um dia, o que representou um custo de aluguel de guindastes e demais equipamentos maiores, todavia isso representou menos de 1% do valor total da operação. FIGURA 12 Corte da tomada do desvio da UHE Santa Clara. Na Tabela 1 é mostrada a comparação de quantidades e custos entre os dois sistemas de fechamento do sistema de desvio. XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 11
ITEM DESCRIÇÃO Unid. Santa Clara Fundão Quantidades Quantidades 01 Concreto (Tomada) m³ 2.760 838 02 Concreto (Painéis) m³ - 98 03 Concreto adicional na base m³ - 8 04 Comportas gl. 1-05 Aluguel do guindaste dia 1 2 06 Execução de ensecadeira m³ - 13.500 07 Assentamento com argamassa m³ - 3 08 Esgotamento do recinto (energia + bombas) gl. - 1 TOTAL R$ 4.768.346,48 497.324,40 TABELA 1 Comparativo de custos entre o fechamento de Santa Clara e Fundão. 7. PROBLEMAS DETECTADOS Durante a realização da operação de fechamento do sistema de desvio da UHE Fundão aconteceram os problemas relacionados abaixo: A ensecadeira de montante apresentou percolação alta e, apesar do sistema de esgotamento utilizado, da ordem de 1.000 m³/hora, a região do emboque do túnel de desvio ficou com uma lâmina de água da ordem de 0,50 m. Assim sendo, a vedação na base do primeiro painel ficou prejudicada. Como solução, para garantir a estanqueidade, foi colocado um painel adicional a montante da estrutura, conforme já mostrado na Figura 9, e o espaço entre esses painéis foi preenchido com aproximadamente 4 m³ de concreto de enchimento em cada vão, melhorando a vedação. O sistema de vedação lateral dos painéis foi insuficiente para suportar a pressão de 48 m.c.a., conforme mostrado nas Figuras 13 e 14; XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 12
FIGURA 13 Detalhe da percolação junto ao nicho da comporta ensecadeira de painéis de concreto FIGURA 14 Percolação pelos painéis de concreto da comporta. Essa percolação, aliada a demora no início de execução do tampão do túnel de desvio, trouxe prejuízo à execução do tampão, requerendo injeções adicionais. Antes da execução dessas injeções foram feitos drenos de alívio que dão uma XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 13
noção da água que ainda vem percolando pela estrutura do emboque, conforme mostrado na Figura 15. FIGURA 15 - A vedação deficiente entre os painéis e as ranhuras da tomada de desvio ficou evidente com as altas infiltrações pelo tampão. 8. SUGESTÕES PARA MAIOR EFICIÊNCIA Acredita-se que alguns dos problemas supracitados não ocorreriam se fossem tomadas medidas de segurança adicionais, conforme segue: Utilização adicional de perfis de neopreme, colocados na horizontal entre os painéis de concreto, e na vertical entre os mesmos e a superfície de jusante da ranhura da estrutura da tomada do desvio para melhor vedação. Utilização de argamassa expansiva junto às ranhuras da comporta ensecadeira; Criação de canaletas para colocação dos perfis de neopreme nos painéis de concreto. 9. CONSIDERAÇÕES FINAIS O sistema de fechamento do desvio do rio com painéis pré-moldados de concreto, adotado na UHE Fundão, poderá ter aplicação em futuros empreendimentos, pois se demonstrou viável do ponto de vista técnico e econômico. No entanto, esta solução deve-se a algumas particularidades. Entre elas a possibilidade de retenção das vazões em um reservatório a montante (UHE Santa Clara) que possibilitou um volume de espera e um maior tempo para a operação de fechamento. Acrescente-se o fato das duas usinas pertencerem ao mesmo proprietário (ELEJOR) e serem construídas através de um mesmo Consórcio EPC, as condições climáticas favoráveis e a colaboração do ONS para viabilizar essa operação. XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 14
A operação também teve êxito sob o aspecto ambiental já que todas as providências foram tomadas visando garantir a vazão sanitária. Espera-se que o presente trabalho motive estudos mais detalhados para o uso desta solução em obras futuras já que, além da significativa diferença de custos entre as comportas metálicas convencionais e os painéis pré-moldados de concreto, estes últimos têm maior resistência à agressividade do meio, resultando, conseqüentemente, em maior durabilidade. Embora tenham ocorrido alguns problemas de vedação acreditamos que os mesmos podem ser estudados e solucionados com a utilização de materiais mais apropriados, conforme sugerido nesse trabalho. 10. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à participação do técnico em edificações Haroldo Cordeiro Júnior pelas fotos da operação de fechamento. 11. PALAVRAS-CHAVE Painéis Pré-Moldados de Concreto - Fechamento do Desvio do Rio Projeto Civil UHE Fundão. 12. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Contrato de Concessão n.º 125 da ANEEL Complexo Energético Fundão - Santa Clara UHE s Fundão e Santa Clara Processo n.º 48500.000937/01-15. [2] Projeto Básico Relatório Final UHE Santa Clara UHE Fundão Intertechne IMPSA e Construtora Triunfo elaborado para a ELEJOR - 2002. [3] Desvio do Rio e Vazão Sanitária - Manual de Fechamento do Desvio do Rio e Enchimento do Reservatório - UHE Fundão Intertechne IMPSA e Construtora Triunfo elaborado para a ELEJOR - 2006. [4] Desenhos do Projeto Executivo elaborados pela Intertechne para a ELEJOR 2002 a 2005. [5] SAKS, N.C.O e OLIVEIRA, L.F.P (2006) Gestão Técnica do Projeto Civil do Complexo Hidrelétrico do Rio Jordão, Anais do V Simpósio Sobre Pequenas e Médias Centrais Hidrelétricas, Florianópolis, SC. XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 15