Anomalia geológica na fundaçÃo das estruturas de concreto de canoas I e sua influência no comportamento da barragem



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Comitê Brasileiro de Barragens

XXVI Seminário Nacional de Grandes Barragens

Goiânia – GO, 11 a 15 de Abril de 2005

T.95 A07


ANOMALIA GEOLÓGICA NA FUNDAÇÃO DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO DE CANOAS I E SUA INFLUÊNCIA NO COMPORTAMENTO DA BARRAGEM
João Francisco Alves SILVEIRA

Consultor – SBB Engenharia Ltda


Pedro Nunes PEREIRA

Eng. Civil – Duke Energy International – Geração Paranapanema


Wagner Vicente FELIX FERREIRA

Eng. Civil – Duke Energy International – Geração Paranapanema


RESUMO
As estruturas de concreto da UHE Canoas I estão posicionadas sobre uma espessa falha geológica, com espessura média de 13 m, constituída por rocha muito fraturada, alterada e com alguns bolsões preenchidos com solo, que vieram requerer investigações e estudos aprofundados na fase de projeto, além de um plano de instrumentação, que permitisse um bom acompanhamento do comportamento destas estruturas. Apresenta-se neste trabalho uma descrição do plano de instrumentação empregado, assim como uma análise dos recalques e deslocamentos horizontais da barragem, dos deslocamentos diferencias entre blocos, das subpressões na fundação e das vazões de drenagem, durante o período de enchimento do reservatório e os 5 (cinco) primeiros anos de operação.
ABSTRACT
Many dams on basaltic rock mass are generally located on a sequence of normal lava flows with individual thickness of ten to tens of meters, whose behavior is already well known by Brazilian dam engineers as a consequence of the great number of hydro power plants built at the High Paraná Basin. The concrete structures of the Canoas I Hydro Power, however, were located on a thick geologic anomaly with an average thickness of 13 m, consisting of weathered and fractured rock with some big voids filled with soil, which required detailed investigations and studies at the design stage, beyond an instrumentation plan, in order to follow the behavior of these structures and compare them with theoretical values. A description of the monitoring plan is presented in this paper, as well as an analysis of the settlement and horizontal dam displacements, the differential displacement between blocks, the uplift pressures at the foundation and the seepage water during the filling of the reservoir period and first five years of operation. A comparison between Canoas I and Canoas II instrumentation results is presented. They are two power plants of the same size and are located on basaltic rock mass; however, the first one sits on a thick geologic fault and the second on a sequence of normal lava flows.

1. INTRODUÇÃO


O Complexo de Canoas situa-se no rio Paranapanema, na divisa dos Estados de São Paulo e Paraná, sendo composto por duas barragens independentes, com casas de força, com 154 MW de potência instalada no total (82,5 MW de Canoas I e 72,0 MW de Canoas II). As barragens apresentam cerca de 30 a 40 m de altura máxima nas estruturas de concreto e cerca de 20 m de altura máxima nos maciços de terra.
O projeto original, desenvolvido em fins da década de 60, quando da divisão de queda do rio Paranapanema, previa apenas uma barragem no local correspondente à Canoas I, com cerca de 30 m de altura. Com o objetivo de redução dos impactos ambientais, a CESP optou em 1986, por dividir o aproveitamento em duas quedas, resultando na construção das UHE de Canoas I e II, ao final da década de 90.
Apesar da execução de 503 m de sondagens em rocha entre 1965 e 1970, na fase de estudo de viabilidade das usinas, e de 900 m de sondagens em rocha e 405 m de sondagens em solo, em 1982, quando da execução do Projeto Básico, não foi possível a detecção de uma falha geológica relativamente espessa, que ocorria na fundação das estruturas de concreto de Canoas I. A detecção da mesma só foi possível ao final do projeto básico, quando já estavam definidos os arranjos dos dois eixos da barragem, dificultando a mudança do eixo a partir desta fase, conforme reportado por Kitahara [1].

2. CARACTERÍSTICAS GEOLÓGICAS LOCAIS


As estruturas da UHE de Canoas I localizam-se em região de rochas basálticas, correspondentes à denominada Bacia Sedimentar do Paraná, onde as rochas vulcânicas são representadas por uma sucessão de derrames basálticos, que se estendem sub-horizontalmente ao longo de grandes extensões, tendo sido depositados entre 100 e 150 milhões de anos atrás.
No local da UHE Canoas I foram prospectados seis derrames basálticos apresentando da base para o topo, basalto compacto, que passa gradativamente para vesículo-amidaloidal, associado às vezes à brecha basáltica sedimentar ou à lava aglomerática. As sondagens realizadas na fundação das estruturas de concreto vieram revelar um grande número de descontinuidades sub-horizontais relativamente extensas, denominadas juntas-falhas. As juntas-falhas são feições que se originam durante o resfriamento da lava, quando porções mais fluidas (mais quentes) do derrame deslocam-se sobre as porções da base, já parcialmente solidificadas pelo resfriamento. No total foram detectadas nove descontinuidades desse tipo, entre as El. 287 e 340 m, nas fundações de Canoas I.
Uma falha com direção N55oW e mergulho entre 12o e 28o para montante, cortando o eixo da barragem quase perpendicularmente (70o), foi detectado ao final do projeto básico. A mesma foi denominada de “anomalia geológica”, caracterizando-se por apresentar grande desenvolvimento lateral e interceptando todos os derrames basálticos investigados no local da usina, revelando, portanto, origem posterior à formação dos derrames. As falhas são produzidas pelo deslocamento de blocos de rocha ao longo do plano de falhamento, devido à esforços tectônicos de grande intensidade, que no caso de Canoas I, estima-se que tenham ocorrido a mais de 70 milhões de anos.

FIGURA 1: Representação esquemática da Falha Geológica na região do Muro Esquerdo – Kitahara [1].


No caso de Canoas I, a zona afetada pelo falhamento apresenta uma espessura de aproximadamente 15 m, porém, na zona mais afetada pelo fraturamento e alteração sua espessura é menor, situando-se junto à parte superior. O restante da zona de falha apresenta-se também fraturada, contando estreitas faixas muito alteradas e, eventualmente, transformadas em solo, imersas em maciço rochoso onde se notam estrias de fricção. Durante o processo de falhamento, as superfícies de movimentação delimitaram blocos alongados, ora sãos, ora muito alterados, conferindo ao conjunto uma estrutura “anastomosada”, conforme pode-se observar na Figura 1. O cavalgamento dos blocos, uns sobre os outros, provocou o aparecimento de cavidades de dimensões métricas (parte com preenchimento argiloso e até com areia solta), como aquelas que foram detectadas durante as escavações na extremidade jusante da bacia de dissipação e outras menores, porém mais persistentes, ao longo da fundação do muro lateral esquerdo.
Os ensaios de perda d’água sob pressão, realizados nas sondagens que atravessaram a falha geológica revelaram, em sua maioria, absorção da vazão total da bomba, sem que as pressões de ensaio fossem atingidas, vindo revelar coeficientes de permeabilidade equivalentes superiores a 10-2 cm/s, ou seja, um maciço rochoso extremamente permeável. Em termos de absorção de calda de cimento, os resultados dos furos de injeção realizados na fundação do Muro Esquerdo da barragem, revelaram as seguintes absorções médias, para os furos de ordem I, II e III:
Linha externa (montante): ..................... 64 kg/m;
Linha interna (jusante):..........................188 kg/m;
Linha central: ......................................... 30 kg/m.
Estes dados vieram mostrar que a zona de falha apresentou em trechos localizados da cortina de injeção absorções de calda de cimento extremamente elevadas, com valores que chegaram a ultrapassar a 12 t de cimento por metro.
A deformabilidade desta anomalia, por ocasião da fase de projeto da barragem, foi assumida como 20% a 25% do correspondente ao restante do maciço rochoso, ou seja, com E=4.000 MPa, a qual foi revisada após a aplicação dos critérios de Bieniawski e Barton/Nieble, para 2.5003. INSTRUMENTAÇÃO DE AUSCULTAÇÃO


As estruturas de concreto de Canoas I foram muito bem instrumentadas, tendo em vista a existência da anomalia geológica em suas fundações, em termos de um horizonte com cerca de 13 m de espessura, constituído por um pacote de rocha muito fraturada e com elevada condutividade hidráulica, com delgadas faixas de rocha milonitizada, isto é, pulverizada e com estrias de fricção. Esta anomalia aflora em alguns locais, tal como na região do muro esquerdo e a jusante da bacia de dissipação.
As estruturas de concreto de Canoas I e, em particular as suas fundações, foram então instrumentadas com extensômetros múltiplos de hastes, medidores triortogonais de junta, pêndulos diretos, medidores elétricos de junta, piezômetros de fundação e medidores de vazão, além de termômetros e tensômetros para concreto e para armadura. Na Tabela 1 a seguir apresenta-se uma relação completa dos instrumentos instalados nas estruturas de concreto e suas fundações.


Tipo de instrumento

Estrutura da Barragem

Total

BG/AM

TA/CM

MC

VT/BD

ME

Pêndulo direto




1




1




2

Extensômetro múltiplo

1

5

1

11

2

20

Medidor triortogonal

3

7

1

13

2

26

Medidor elétrico de junta










2




2

Termômetro




7




15




22

Tensômetro p/ concreto




6




11




17

Tensômetro p/ armadura




1




4




5

Piezômetro tipo pneumático










8




8

Piezômetro tipo tubo

4

12

4

28

6

54

Medidor de vazão

1

2




2

1

6

TABELA 1: Instrumentos instalados nas estruturas de concreto de Canoas I.
Na região dos abraços direito e esquerdo da barragem, na interface solo-concreto, foram instaladas 12 células de pressão total e 12 células piezométricas, de modo a possibilitar o cálculo das pressões efetivas em 6 pontos de cada abraço, localizados em três elevações diferentes.

4. COMPORTAMENTO DO MACIÇO ROCHOSO DE FUNDAÇÃO


Neste item apresenta-se uma síntese do comportamento do maciço de fundação das estruturas de concreto de Canoas I, durante os períodos de enchimento do reservatório e início de operação, tendo por base as leituras dos extensômetros múltiplos, dos piezômetros de fundação e dos medidores de vazão, instalados ao longo das galerias de drenagem.


4.1 Recalques e Deslocamentos Horizontais na Fundação

Em decorrência da existência da anomalia geológica existente na fundação das estruturas de concreto de Canoas I e de sua elevada deformabilidade, decidiu-se pela instalação de um total de 18 (dezoito) extensômetros de hastes em suas fundações, para o acompanhamento dos recalques e deslocamentos horizontais da barragem.


Os blocos da área de montagem (AM-1), muro central (MC) e muro esquerdo (ME) foram instrumentados apenas com um extensômetro vertical, enquanto que aqueles da tomada d’água (TA-2) e vertedouro (VT-1 e VT-3) foram instrumentados com três extensômetros a montante e mais um vertical na galeria de jusante, ou na casa de máquinas, no caso da tomada d’água. Foram ainda instalados extensômetros verticais na galeria de jusante da bacia de dissipação, nos blocos BD-1 e BD-3. Os extensômetros foram instalados normalmente com duas a três hastes, excetuando-se aqueles instalados sub-horizontalmente para montante, que em função da pequena profundidade, receberam apenas uma haste. Estes instrumentos foram instalados ao final do período construtivo, tendo medido as deformações da fundação essencialmente durante a fase de enchimento do reservatório.
Os valores de controle destes instrumentos foram estabelecidos a partir dos deslocamentos teóricos, fornecidos pelos modelos matemáticos de análise (MEF), para a fase de enchimento do reservatório, acrescido de um percentual de deformação plástica, para computar as deformações que ocorreriam durante o período operacional da barragem. Tendo em vista, entretanto, que os deslocamentos medidos estavam evidenciando uma grande heterogeneidade da anomalia geológica, em termos de deformabilidade, foram utilizados também os deslocamentos medidos (Tabela 2), acrescidos dos seguintes percentuais, tendo em vista a experiência com a observação dos recalques nas barragens de concreto de São Simão e Itaipu, também em maciços basálticos, onde os recalques e deslocamentos horizontais da fundação foram computados após 17 e 15 anos, após enchimento do reservatório, respectivamente.


Extensômetro

Bloco

Inclinação

Deslocamentos (mm)

Medido

Teórico

Valor Controle

EH-100

AM-1

Vertical

-0,18

-

-0,27

EH-200

TA-2


85o mont

0,25

0,08

0,75

EH-201

30o mont

0,11

-0,29

0,22

EH-202

Vertical

-0,19

-0,35

-0,35

EH-205

CM-2

Vertical

-0,13

-0,38

-0,38

EH-208

MC

Vertical

-0,12

-

-0,18

EH-300

VT-1


85o mont

0,22

0,06

0,66

EH-301

30o mont

0,20

-0,01

0,40

EH-302

Vertical (M)

-0,25

-0,30

-0,38

EH-305

Vertical (J)

-0,32

-0,36

-0,64

EH-307

BD-1

Vertical

-0,08

-0,20

-0,20

EH-308

VT-3


85o mont

0,43

0,08

1,29

EH-309

30o mont

0,23

-0,06

-0,12

EH-310

Vertical (M)

-0,05

-0,19

-0,19

EH-313

Vertical (J)

-0,53

-0,25

-1,06

EH-315

BD-3

Vertical

-0,08

-0,32

-0,32

EH-400

ME

Vertical

-0,49

-

-0,74

EH-403




85o

0,17

-

0,51

Conv. Sinais: (+) distensão (-) compressão / recalque

TABELA 2: Deslocamentos medidos pelos extensômetros de hastes de Canoas I até Ago/00.


Na Barragem Principal de Itaipu, nos blocos centrais com 190 m de altura, os recalques a jusante foram da ordem de 2,0 mm ao final do enchimento, aumentando para 3,0 mm ao final de 15 anos, ou seja, com um acréscimo de 50%. Admitindo-se que durante os 100 anos de período operacional os recalques poderão superar os deslocamentos ao final do enchimento do reservatório em 100%, e tendo em vista os deslocamentos horizontais medidos pelos pêndulos invertidos e extensômetros sub-horizontais de haste de Itaipu, pôde-se estabelecer para a UHE de Canoas I os seguintes acréscimos, em relação aos deslocamentos elásticos medidos ao final do enchimento:


  • Extensômetros a montante: Recalque: acréscimo de 50 %

Inclinado 30o para montante: acréscimo 100%

Inclinado 85o para montante: acréscimo 200%




  • Extensômetro a jusante: Recalque: acréscimo de 100%

Estas foram as hipóteses admitidas para o levantamento dos valores de controle dos extensômetros múltiplos de Canoas I, destacando-se que os valores teóricos foram utilizados apenas quando os mesmos superaram os valores computados segundo o critério adotado. Ressalta-se que os valores teóricos computados a partir dos modelos baseados no MEF são de grande utilidade para a fase de enchimento do reservatório, porém quando se dispõem de valores medidos “in situ” como em Canoas I, a experiência tem mostrado que o emprego destes valores, acrescidos de um percentual que simule as deformações plásticas da fundação, são mais confiáveis para o estabelecimento dos valores de controle para a instrumentação.


Nas Tabelas 3 e 4 a seguir, apresenta-se uma síntese dos deslocamentos observados na fundação das estruturas de concreto de Canoas I e Canoas II, por ocasião do período de enchimento do reservatório, a título de comparação. Deve-se destacar que Canoas II é uma barragem em tudo similar à Canoas I, em termos de tipo de barragem e dimensões das estruturas de concreto, apenas que o maciço rochoso de fundação é constituído por um maciço basáltico normal, sem qualquer anomalia.


Posição do EH

Bloco das estruturas de concreto

MD/AM

TA

CF

VT

ME

Subhorizontal

(85o M)






0,25

0,22

0,43




Inclinado 30o p/ montante




0,11

0,20

0,23




Vertical galeria montante

-0,18

-0,19

-0,23

-0,05 a

-0,32


-0,49

Vertical galeria

jusante











-0,32 a

-0,53





Conv. Sinais: (+) distensão (-) compressão / recalque

TABELA 3: Síntese dos deslocamentos medidos pela haste mais profunda dos EH em Canoas I durante o enchimento do reservatório.




Posição do EH

Bloco das estruturas de concreto

MD

TA

CF

VT

ME/BG

Subhorizontal

(85o M)






0,33




0,46




Inclinado 30o p/ montante




0,17




0,28




Vertical galeria montante

-0,10

-0,13

-0,24

-0,05

-0,07

Vertical galeria

jusante











-0,13




Conv. Sinais: (+) distensão (-) compressão / recalque

TABELA 4: Síntese dos deslocamentos medidos pela haste mais profunda dos EH em Canoas II durante o enchimento do reservatório


Esta comparação entre os deslocamentos observados na fundação das estruturas de concreto de Canoas I e II vem mostrar que, enquanto as distensões observadas junto ao pé de montante das duas barragens foram similares entre si, o que vem mostrar que em termos de resistência ao cisalhamento as suas fundações se comportaram de modo similar, em termos de recalques as diferenças são grandes, em decorrência da anomalia geológica de Canoas I. Esta observação é válida para a região do muro esquerdo e vertedouro, onde os recalques observados em Canoas I chegaram a ultrapassar em 4 a 7 vezes os valores medidos em Canoas II. Nesta usina, por exemplo, o recalque na galeria de jusante do vertedouro atingiu 0,13 mm, enquanto que em Canoas I os mesmos atingiram 0,53 mm.
No Relatório CN1-5GE-C00-001-RE, elaborado pela Engevix e intitulado “Anomalia Geológica – Análise Comparativa entre Alternativas de Arranjo Geral”, destaca-se com relação à análise dos resultados dos modelos matemáticos elaborados na fase de projeto que: “Os deslocamentos encontrados no concreto e na fundação são compatíveis com o tipo de estrutura e não interferem no seu funcionamento. Os valores máximos de recalque são da ordem de 2,3 mm no topo do pilar do Vertedouro (crista) e de 1,7 mm no contato concreto-rocha junto à galeria de jusante”. Tendo em vista que o máximo recalque medido na interface concreto-rocha a jusante atingiu 0,53 mm, valor este cerca de 3 vezes inferior ao valor previsto, pode-se concluir que o maciço rochoso é menos deformável, ou seja, a anomalia geológica apresenta-se com um módulo de deformabilidade superior ao valor E = 3.000 MPa, adotado nos últimos processamentos.

4.2 Subpressões na Fundação


Os valores de controle para os piezômetros de fundação foram extraídos dos diagramas de subpressão, estabelecidos na fase de projeto, a partir da rede de drenagem através da fundação da barragem, com nível d’água de montante na El. 351,00 m e de jusante na El. 334,20 m, para condições normais de operação.Tendo por base os critérios de projeto, as subpressões para as condições normais de operação foram estabelecidas admitindo-se fluxo normal através de maciço basáltico de fundação, para a condição de drenos operantes, que foi empregada para o estabelecimento dos “Valores de Controle para a piezometria.
Para o estabelecimento dos “Valores Limites” das subpressões a serem medidas, foi empregado o critério das subpressões máximas, quando da ocorrência de uma eventual pane do sistema de bombeamento das galerias de drenagem das estruturas de concreto, possibilidade esta que apesar de remota, pode eventualmente ocorrer. Na Figura 2 apresentam-se os valores de controle para os piezômetros de tubo instalados na fundação do bloco VS-3 do vertedouro, conjuntamente com as subpressões medidas em Agosto 2004.
Durante a operação de tamponamento de um total de 24 drenos de fundação, realizada na fase de enchimento do reservatório, com o objetivo de redução da vazão total bombeada, tendo-se conseguido uma redução percentual da ordem de 18%, conforme melhor detalhado no item a seguir, foram observados incrementos de subpressão da ordem de 2,5 m.c.a. (metros de coluna d’água) nos piezômetros da área, com valores máximos que atingiram os 5,0 m.c.a., ou seja, 0,5 kgf/cm2, ou 0,05 MPa. Estes valores não chegaram a ultrapassar os valores de “Atenção” e “Alerta” definidos na fase de projeto, à exceção de um piezômetro isolado, na fundação do Muro Esquerdo (PZ-402).

FIGURA 2: Comparação entre as subpressões teóricas e medidas para a fundação do bloco VS-3.

4.3 Vazões de Drenagem
A elevação do nível do reservatório, da El. 344 m para El. 351, veio implicar em vazões máximas no sistema de drenagem das estruturas de concreto, atingindo 2.860 l/min no dia 07/05/99, para uma vazão máxima prevista de 3.330 l/min, o que veio caracterizar uma situação favorável, para o sistema de bombeamento.
As vazões de drenagem através da fundação das estruturas de concreto de Canoas I já atingiram, então, um máximo da ordem de 2.860 l/min, estando atualmente em torno de 2.200 l/min, ou seja, com 1.600 l/min através dos drenos de fundação e ~600 l/min através do tubo coletor da bacia de dissipação (vazão estimada por não se dispor de medição). Esta tendência de redução ao longo do tempo constitui um comportamento típico das barragens, que após atingirem vazões máximas ao final do período de enchimento do reservatório, passam a apresentar uma lenta tendência de redução, como reflexo de uma provável colmatação dos caminhos de percolação, pelas partículas sólidas carreadas pela água do reservatório e sedimentadas a montante.
Durante o período de enchimento do reservatório constatou-se não haver uma linearidade entre o incremento de elevação do nível d’água no reservatório e o aumento das vazões de drenagem, o qual evoluiu segundo uma curva exponencial, conforme pode-se observar na Figura 3.

FIGURA 3: Evolução das vazões de drenagem em fundação da subida do N.A.


Durante o período de enchimento do reservatório de Canoas I procedeu-se ao fechamento gradativo de alguns drenos de fundação, com o objetivo de redução das vazões a serem bombeadas, de modo similar ao realizado na barragem de Água Vermelha, da CESP, em 1978 [2]. Nesta operação em Água Vermelha, conseguiu-se através do fechamento de um total de 11 drenos de alta vazão, uma redução de 25% na vazão total de um trecho na fundação do Vertedouro, onde ocorria uma “estrutura geológica circular”. Em Canoas I, os testes de tamponamento dos drenos foram realizados em três fases, sendo a de maior interesse aquela realizada em Set/99, com o reservatório em seu nível máximo normal, quando os drenos foram tamponados em três etapas sucessivas, nos dias 14, 16 e 17, seguidos de um controle minucioso da piezometria e das vazões na região. O tamponamento de um total de 24 drenos de fundação veio acarretar uma redução de vazão, nos drenos remanescentes, da ordem de 18%, próximo aos 19% obtidos no primeiro Ensaio realizado.
No período de 17 meses após o reservatório atingir o nível máximo, quando as variações de N.A. foram pouco expressivas, e o sistema de drenagem da fundação das estruturas funcionou com 24 drenos permanentemente tamponados (tendo por objetivo a redução das vazões bambeadas) observou-se uma redução de 1870 l/min (Set/99) para 1530 l/min (Fev/01), o que corresponde a uma redução global da ordem de 18%. Este tipo de comportamento é usual de observar em barragens que estão apresentando um comportamento normal, sendo atribuído à colmatação dos caminhos de percolação através do maciço rochoso, pela sedimentação que passa a ocorrer no fundo do reservatório. Inspeções realizadas com o auxílio de robôs, na região da laje de concreto das BEFC (barragens de enrocamento com face de concreto) de Xingó e Itá, por exemplo, vieram comprovar que após 6 meses a um ano após o final do enchimento do reservatório, já havia uma camada de sedimentos sobre a laje de montante da barragem, com cerca de 0,5 a 1,0 cm de espessura.
Na Tabela 5 a seguir procede-se à uma comparação entre as vazões específicas de drenagem de Canoas I, com aquelas das UHE de Água Vermelha e Dona Francisca, todas elas afetadas por altas vazões de drenagem em função das condições hidro-geológicas do maciço rochoso de fundação. As vazões específicas foram calculadas por metro de comprimento da barragem (galeria) e da altura média da barragem no trecho em análise, destacando-se, então, a alta vazão específica da fundação das estruturas de concreto de Canoas I, em decorrência da alta permeabilidade da anomalia geológica.


Barragem

Comprimento

Estr. concreto (m)



Altura média

(m)


Vazão máxima

(l/min)


Vazão específica

(l/min/m/m)



Canoas I

200

30

2.860

0,48

Água Vermelha

610

60

5.200

0,14

Dona Francisca

640

50

2.970

0,09

TABELA 5 – Vazões específicas de drenagem pela fundação das estruturas de concreto.

5. ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO



5.1 Deslocamentos da Crista da Barragem
A anomalia geológica existente na fundação das estruturas de concreto de Canoas I, com espessura média da ordem de 13 m, foi simulada de forma paramétrica nos modelos teóricos de análise, visto tratar-se de uma zona muito heterogênea em termos de deformabilidade. Desta forma, a mesma foi simulada dentro do seguinte campo de variação, em termos de módulo de deformabilidade, para o período pós-construção
Anomalia geológica : 4.000 < E < 10.000 MPa
A mesma foi, portanto, simulada com módulo E=4.000 MPa, de modo a simular uma fundação mais deformável, e E=10.000 MPa, de modo a simular uma fundação mais rígida, julgando-se que os valores medidos se posicionariam entre os mesmos, conforme experiência adquirida na instrumentação das barragens de Água Vermelha, Itaipu e Xingó. Apresentam-se na Tabela 6 os valores teóricos para o controle dos deslocamentos horizontais a serem medidos pelos pêndulos diretos:


Período

Fundação rígida

Fundação deformável

TA-2

VT-3

TA-2

VT-3

Fase de enchimento

4,0

1,5

5,1

2,1

Período operacional

6,0

3,5

7,1

4,1

Com variação térmica anual

8,0

5,5

9,1

6,1

TABELA 6: Deslocamentos horizontais previstos para os pêndulos diretos (M-J).
Os deslocamentos horizontais da crista, calculados para a fase de enchimento do reservatório, o foram através dos modelos matemáticos baseados no MEF. Tendo em vista, entretanto, que os pêndulos diretos não tiveram sua instalação concluída antes do enchimento do reservatório, foram calculados os deslocamentos horizontais previstos para o período operacional, motivados pela deformação lenta da fundação.
Estes foram computados através dos deslocamentos medidos pelos pêndulos diretos em outras barragens, tais como no vertedouro de Xingó, com 40 m de altura em relação à fundação. Em Xingó, os deslocamentos medidos ao final do enchimento do reservatório foram de 0,5 mm, sendo que após 5 anos do enchimento estavam sendo medidos deslocamentos entre 1,0 e 1,6 mm, a menos de influências térmicas ambientais. Para Canoas I considerou-se um acréscimo de 2,0 mm nos deslocamentos calculados para o final de enchimento, para simular a deformação lenta da fundação.
Foram computados, ainda, os deslocamentos horizontais máximos previstos, considerando-se que as variações térmicas entre verão e inverno. Considerou-se que estes poderiam implicar em variações térmicas da ordem de 3,0 a 4,0 mm, com a crista se deslocando para jusante no inverno, e para montante no verão (conforme observado em outras barragens de mesmo porte). Considerou-se, então que os deslocamentos máximos da crista seriam acrescidos da amplitude térmica anual, dividida por dois, para se prever os deslocamentos máximos a serem medidos pelos pêndulos diretos dos blocos TA-2 e VT-3.
Os deslocamentos horizontais da crista, atualmente medidos atualmente pelos pêndulos diretos, estão apresentando variações da ordem de 1,0 a 1,5 mm, entre os períodos de verão e inverno, com uma rápida tendência de estabilização, decorridos cinco anos após o término do enchimento do reservatório.

5.2 Deslocamentos Diferenciais entre Blocos


Ao longo das galerias de drenagem das estruturas de concreto foi instalado um total de 26 (vinte e seis) medidores triortogonais de junta, cujo objetivo principal foi o de medir os recalques diferenciais entre blocos, particularmente em decorrência da anomalia geológica que ocorre na fundação destas estruturas.
Os medidores triortogonais foram instalados nas juntas verticais de contração entre blocos, permitindo a medição dos três componentes dos deslocamentos diferenciais entre blocos, a saber:


  • Abertura / fechamento da junta;




  • Recalque diferencial entre blocos;




  • Deslizamento horizontal entre blocos.

Os deslocamentos diferenciais máximos entre blocos atingiram os seguintes valores em novembro de 2004, todos eles registrados na junta MC/VT1. Também a junta VT3/ME apresentou deslocamentos diferenciais significativos, vindo confirmar a alta deformabilidade da fundação do Vertedouro, em decorrência da anomalia geológica:


Abertura de junta ....................... 3,20 mm (MC/VT1)
Recalque diferencial .................. 1,60 mm (MC/VT1)
Deslizamento horizontal ............ 1,30 mm (MC/VT1 e ME/VT3)
Os medidores MT300 e MT-303 instalados nas juntas entre Vertedouro/Muro Central e VT3/MC estão indicando que os recalques entre estas estruturas estão ainda evoluindo de modo crescente ao longo do tempo, com as seguintes velocidades atuais, o que está a exigir um acompanhamento cuidadoso destas bases, até que os recalques diferenciais apresentem-se praticamente estabilizados :
MT-300 (MC/VT1) : 0,08 mm/ano
MT-303 (VT3/ME) : 0,05 mm/ano
As variações térmicas anuais, em termos de abertura/fechamento das juntas de contração, estão apresentando amplitudes máximas da ordem de 0,7 a 0,8 mm, nas juntas entre blocos do MD, BG, MC e ME. Estes valores são similares àqueles observados em Canoas II.
O recalque diferencial máximo observado em Canoas I, na junta entre blocos MC/VT1 e que atingiu 1,60 mm, representa um valor bastante alto, como decorrência da alta deformabilidade da “anomalia geológica”. Este valor ultrapassou em 3,3 vezes o recalque máximo observado na UHE de Canoas II (0,48 mm). A título de comparação, observa-se que na Barragem Principal de Itaipu, onde os blocos atingiram altura máxima de 196 m, o recalque diferencial máximo na fundação foi de 2,80 mm, entre blocos F18/F19, observado ao final do período construtivo. No bloco F19, da Barragem Principal de Itaipu, foi detectada nesta fase uma fissura sub-vertical passante de montante para jusante, o que levou a recomendar a execução de um tratamento de injeção de consolidação na fundação. Após a sua execução os recalques entre blocos F18/F19 apresentaram-se praticamente estabilizados, mesmo durante as fases de enchimento parcial e final do reservatório.

6. CONCLUSÕES


As estruturas de concreto da Usina Hidrelétrica de Canoas I foram muito bem instrumentadas, particularmente em termos de fundações, tendo em vista a existência de uma espessa descontinuidade geológica sub-horizontal, no maciço basáltico de fundação.
Na fase de projeto os módulos de deformabilidade do maciço rochoso, na região da anomalia geológica, foram avaliados entre 2.500 e 4.000 MPa, representando, portanto, uma rocha muito deformável. A análise do comportamento da barragem, tendo por base os dados da instrumentação e as inspeções de campo, veio revelar um bom comportamento geral das estruturas de concreto, durante as fases de enchimento do reservatório (1999) e 5 primeiros anos de operação.
Apesar da grande heterogeneidade que a anomalia geológica apresentou em termos de deformabilidade, os recalques observados indicaram como deformabilidade média para a anomalia geológica, um valor da ordem de 4.000 MPa, para o período construtivo, e valores entre 4.000 e 10.000 MPa, para o período de enchimento do reservatório, quando, então, muitas das juntas e descontinuidades do maciço rochoso apresentam-se mais fechadas, devido o peso próprio da barragem. Comportamentos similares à este foram também observados em outras barragens bem instrumentadas do Brasil, tais como Água Vermelha, Três Irmãos, Barragem Principal de Itaipu e Itá, todas elas também sobre maciços basálticos de fundação.
Os recalques máximos observados em Canoas I chegaram a ultrapassar em 4 a 7 vezes os valores máximos observados na UHE Canoas II, em decorrência da maior deformabilidade do maciço rochoso, na região da descontinuidade geológica.
Os máximos deslocamentos diferenciais entre blocos, nas estruturas de concreto, atingiram os seguintes valores máximos em Canoas I:


  • Abertura de junta de contração ....................... 3,20 mm




  • Recalque diferencial ........................................ 1,60 mm




  • Deslizamento horizontal .................................. 1,30 mm

Durante o enchimento do reservatório observou-se não haver linearidade entre os incrementos de subida do N.A. do reservatório e o aumento das vazões de infiltração, mas sim uma evolução do tipo exponencial (Fig. 3). A vazão específica máxima, após o término do enchimento do reservatório atingiu 0,48 l/min/m/m, valor este recorde entre as barragens brasileiras, tendo superado em 3 vezes o máximo observado na barragem de Água Vermelha (0,14 l/min/m/m) e 5 vezes o valor máximo observado na barragem de Dona Francisca (0,09 l/min/m/m), todas elas afetadas por altas vazões de drenagem, em decorrência de anomalias geológicas ou da elevada permeabilidade de maciço rochoso de fundação.


O tamponamento de um total de 24 drenos de elevadas vazões, tendo por objetivo a redução da vazão total a ser bombeada, acompanhados pela análise detalhada da instrumentação da barragem, no trecho em questão (de modo similar ao que foi realizada para a barragem de Água Vermelha, da CESP), veio implicar em uma redução da vazão total, da ordem de 18%, o que se mostrou perfeitamente viável e sem maiores problemas. Isso só foi possível graças às informações transmitidas pela instrumentação de auscultação da barragem, e permitirá uma redução significativa nos gastos com o bombeamento das águas de drenagem, durante toda a vida útil da barragem.

7. AGRADECIMENTOS


Os autores vêm expressar os seus agradecimentos à DUKE ENERGY – Geração Paranapanema, a possibilidade de divulgação destes dados referentes à instrumentação de auscultação das estruturas de concreto da UHE de Canoas I, assim como de alguns dados da UHE de Canoas II. Julga-se ser de relevante importância a divulgação destes dados ao meio técnico, tendo em vista a anomalia geológica presente na fundação. Apesar do grande número de usinas hidrelétricas construídas sobre maciços basálticos no Brasil, apenas em Canoas I observou-se uma caixa de falha sub-horizontal de grande expressão lateral, na fundação das estruturas de concreto.



  1. PALAVRAS-CHAVE

Instrumentação, auscultação, comportamento de barragem, anomalia geológica, falha geológica, fundação.



9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] KITAHARA, S.M. (1999) - “Condicionantes Geológico-Geotécnicos da UHE Canoas I”, Revista do CBGB – Comitê Brasileiro de Grandes Barragens, Edição Especial, Nov/99;
[2] SILVEIRA, J.F.A.; MIYA, S. e CARDIA, R.J.R. (1981) - “Análise do Comportamento Hidrogeotécnico do Maciço Basáltico de Fundação das Estruturas de Concreto da Usina Água Vermelha”, XIV Seminário Nacional de Grandes Barragens, Recife;

XXVI Seminário Nacional de Grandes Barragens

Catálogo: documentos -> site
documentos -> Departamento de Física /fct problemas de Física do Estado Sólido
documentos -> Universidade Federal Rural de Pernambuco Superintendência de Gestão e Desenvolvimento de Pessoas
site -> Programa de análise termomecânica em estruturas de concreto massa durante a fase de construçÃO
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