COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS XXX SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS FOZ DO IGUAÇU – PR – MAIO DE 2015 T 113 – A

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TRATAMENTO DO DESCARREGADOR DE FUNDO DA UHE SOBRADINHO

Geraldo Magela Pereira WaterMark Engenharia Ltda.

Aurélio Alves de Vasconcelos

Alberto Jorge C Tavares Cavalcanti CHESF – Companhia Hidro Elétrica do São Francisco.

RESUMO O presente trabalho apresenta um registro sobre incidente ocorrido na UHE Sobradinho após as cheias de 1979 e 1980, compreendendo erosões no talude de jusante e abrasão da soleira terminal (end-sill) do Descarregador de Fundo, sobre os reparos realizados em 1982, bem sobre as lições aprendidas no que diz respeito ao projeto e à operação desse tipo de estrutura, visando enriquecer a bibliografia sobre o assunto.

ABSTRACT This paper presents a record about incident that happened after the foods of 1979 and 1980 with the Sobradinho Hydroelectric Power Plant, comprising scours downstream and abrasion of the end-sill bottom outlet, the repairs works in 1982, as well as the lessons learned for the design and the hydraulic operation of this kind of structure, aiming to enrich the literature on the subject.

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1. INTRODUÇÃO

O aproveitamento, com 1.050 MW de potência instalada, está implantado no trecho submédio do rio São Francisco, no Estado da Bahia, a montante da UHE Itaparica. O arranjo geral das obras, apresentado na Foto 1 e na Figura 1.

Foto 1 – UHE Sobradinho, Rio São Francisco, Bahia. CHESF. Um resumo do projeto dessa usina está apresentado no livro do CBDB, Main Brazilian Dams (1982), o qual foi baseado nas seguintes premissas: - ter um reservatório de regulação para uma vazão mínima de 2.060 m3/s com uma depleção de 12m, para geração das usinas a jusante, o que conduziu a inserção de descarregador de fundo para operar, inclusive, durante a 2ª fase de desvio; - ter uma eclusa de navegação; - tomada de água para irrigação.

Foto 1 – UHE Sobradinho, Rio São Francisco, Bahia. CHESF. (Memória da Eletricidade).

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2. PROJETO DA USINA Com base nesses parâmetros e nas características topográficas e geológicas do sítio desenvolveu-se o projeto da usina, cujo arranjo geral é apresentado na figura a seguir.

Figura 1 – UHE Sobradinho, Arranjo Geral do Aproveitamento. (CBDB, 1982). Segundo (JONY, 1976), o maciço rochoso no local é composto predominantemente por um gnaisse, gnáissico granítico, xisto e quartzito, com esses últimos destacando-se formando os cumes das ombreiras. A xistosidade é paralela ao alinhamento do eixo da barragem mergulhando 70 – 80º para montante. O maciço é são, mas fraturado - 10 fraturas por metro (ver fotos a seguir), portanto, não resistente à erosão. Em função dessas características do maciço rochoso e dos resultados dos ensaios de erosão em modelo reduzido (citados mais adiante), no projeto teve-se uma atenção especial quanto às cotas de fundação das estruturas (ver JONY, GABOR e GELENCSER, 1976), principalmente dos muros laterais e entre os órgãos extravasores. O projeto contempla: – Barragem e Diques, crista 397,50 m, com 8.532 m de comprimento e altura máxima de 41 m, com seção zoneada, com núcleo de argila e espaldares de cascalho; – Vertedouro de superfície com comprimento de 54 m, 4 comportas de 12,00 m x 9,80 m e capacidade de vazão de 5.400 m3/s, para NA = 392,50 m, e 6.460 m3/s, para NA = 393,50 m;

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– Vertedouro de Fundo com 156 m de comprimento, 12 comportas de 9,80 m x 7,50 m e capacidade de vazão de 16.680 m3/s para NA = 392,50 m, e 17.016 m3/s, para NA = 393,50 m; – Tomada de Água / Casa de Força com 6 blocos de 33 m de largura cada, abrigando 6 turbinas Kaplan de 175 MW de potência unitária, queda nominal de 27,2 m, vazão 710 m3/s; diâmetro de 9,5 m; Área de montagem com 91 m de largura; – Muro Divisório entre o Vertedouro de Superfície e a Tomada de Água / Casa de Força com 145 m de comprimento a partir do eixo da barragem; – Tomada de água para irrigação na margem esquerda, no Dique B, para 25 m3/s; – Eclusa na margem direita para vencer um desnível de 32,5 m; dimensões da câmara: 120 m x 17 m.

Os volumes principais das obras civis são: – Escavação em terra 6,2 x 106 m3; – Escavação em rocha 3,3 x 106 m3; – Aterros 19 x 106 m3; – Concreto 1,72 x 106 m3, aproximadamente.

Figura 2 – Seção Típica do Descarregador de Fundo. (CBDB, 1982).

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Figura 3 – Seção Típica do Vertedouro de Superfície. (CBDB, 1982).

Foto 2 – UHE Sobradinho. Vertedouro de Superfície em Operação (CHESF).

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Foto 3 – UHE Sobradinho. Vista de Jusante com o Descarregador de Fundo operando. Observar forte turbulência do escoamento. (WIKIMAPIA).

3. OS ESTUDOS HIDRÁULICOS DE EROSÃO EM MODELO REDUZIDO

Face às características do maciço rochoso, fraturado, foram programados e realizados estudos hidráulicos em modelo reduzido tridimensional com fundo móvel, os quais estão descritos, detalhadamente, no trabalho de JONY, GABOR e GELENCSER (1976). Foram realizados também ensaios em modelo bidimensional para medição das pressões hidrodinâmicas. O material de fundo móvel no modelo tridimensional foi especificado para corresponder no protótipo a blocos cúbicos com D50 ~ 0,50 m e D50 ~ 0,75 m de diâmetro, com peso de 2,65 t/m3. Foram realizados ensaios para as condições de funcionamento isolado e em conjuntos das estruturas de extravasão, para vazões com tempos de recorrência variados e com aberturas parciais e totais das comportas. Após extensa campanha de ensaios, verificou-se que as erosões atingiram sua profundidade máxima na elevação 340,00 m, tanto na frente do descarregador de fundo quanto em frente ao vertedouro de superfície, distante 70-80 m dessas estruturas. Junto aos muros laterais e junto ao muro entre dois órgãos extravasores a erosão chegou próximo, mas não atingiu suas cotas de fundação.

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4. A EROSÃO OCORRIDA NO PROTÓTIPO O rio foi desviado pelo descarregador em julho de 1976. No meio do ano de 1978 completou-se o enchimento do reservatório. A primeira máquina entrou em operação em setembro de 1979. A usina foi concluída em novembro de 1981. Após o desvio do rio pelo descarregador, as flutuações de pressão do escoamento turbulento minaram a resistência do maciço fraturado a jusante do descarregador. Após as cheias de 1979 e 1980, (Figura 4), ocorreu o processo erosivo do talude. Foram removidos blocos de grandes dimensões (ver fotos a seguir).

Figura 4 – Vazões Máximas Médias Diárias na Bacia do São Francisco (CHESF).

Foto 4 – Vista da Erosão a jusante do Descarregador de Fundo. Observar cicatriz do bloco de grande diâmetro removido. (Magela - agosto/1982).

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Foto 5 – Bloco de rocha solto a jusante do end-sill do Descarregador de Fundo. Notar dimensões do bloco quando comparado à escala humana. Ao fundo vê-se o

Muro Divisor com o Vertedouro de Superfície. (Magela - agosto/1982).

Foto 6 – Detalhe dos danos no end-sill do Descarregador de Fundo. Ferragem exposta. (Magela - agosto, 1982).

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Foto 7 – Vista da Erosão no Talude a jusante do Descarregador de Fundo. Observar cicatriz dos grandes blocos arrancados. Notar, no alto da foto, ensecadeira

construída para possibilitar a execução dos reparos (Magela - agosto, 1982).

Foto 8 – Erosão a jusante do Descarregador de Fundo junto do Muro Divisor com o Vertedouro de Superfície. Observar cicatriz e as dimensões da erosão comparada à

escala humana. (Magela - agosto, 1982).

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Foto 9 – Detalhe da Erosão junto do Muro Divisor Descarregador de Fundo - Vertedouro de Superfície. Notar fraturas no maciço e cobertura de concreto. Sob a

erosão está o Eng. Marco Siciliano (in Memoriam). (Magela - agosto/1982).

Foto 10 – Vista de Jusante do Descarregador de Fundo e Muro de Abraço da Barragem Margem Esquerda. Em primeiro plano, ensecadeira construída para

possibilitar a execução dos reparos. (Magela - agosto/1982).

5. REPAROS REALIZADOS E PROVIDÊNCIAS ADICIONAIS Em 1982 a CHESF realizou os reparos nas estruturas de concreto da usina, com particular atenção para a soleira terminal do descarregador. A escavação a jusante foi ampliada visando criar um colchão maior de água a jusante para melhorar a

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dissipação de energia e evitar que blocos potencialmente sujeitos à erosão no futuro fossem carreados para dentro da bacia de concreto. As regras de operação do vertedouro foram mantidas como determinadas no projeto e nos estudos hidráulicos em modelo reduzido. Após mais de 30 anos de operação não se registrou mais qualquer incidente, mesmo tendo havido mais uma grande cheia em 1992. Durante essa cheia, as obras de desvio de Xingó, foram submetidas à sua vazão máxima de dimensionamento (Q=10.500 m³/s) por mais de 40 dias (ver Figura 5), a primeira após o desvio do rio para o interior dos 4 túneis, completado em junho de 1991. No início do mês de março de 1992, normalmente o período em que ocorrem os grandes picos de cheia em Sobradinho, o pico máximo registrado foi da ordem de 16.400 m³/s. Entretanto, se não tivesse havido um amortecimento prévio dessa cheia no reservatório de Três Marias à montante, de propriedade da CEMIG, esse pico poderia ter alcançado cerca de 20.000 m³/s, correspondendo ao período de retorno estimado em torno de 200 anos. Dadas as grandes dimensões da bacia hidrográfica (A = 520.000 km²) até o reservatório de Sobradinho, as cheias em trânsito puderam ser previstas com, pelo menos, 30 dias de antecedência nesse reservatório. Assim sendo, na data de 07/02/92, já tendo sido liberadas descargas em torno de 9.500 m³/s, a CHESF decidiu antecipar ainda mais as descargas para jusante, com o objetivo de aumentar os volumes de espera para armazenar a cheia a caminho, cujo porte já havia se configurado. Com antecedência de 30 dias, passou-se a descarregar, nos aproveitamentos de montante, a vazão de projeto das estruturas de desvio de Xingó igual a 10.500 m³/s.

FIGURA 5 – Hidrograma Afluente a Sobradinho e Defluente de Xingó.

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6 CONCLUSÕES Esse é mais um caso de erosão a jusante de órgãos de extravasão de usinas hidrelétricas, localizadas em regiões de maciços rochosos sãos, mas muito fraturados. Diversos outros casos estão relatados na bibliografia relacionada (Kariba, Jaguara e Grand Rapids). Os ensaios em modelos reduzidos com fundo móvel tinham mostrado que erosões poderiam ocorrer dentro dos limites que ocorreram, como citado anteriormente. Essas erosões se aproximaram do muro entre os dois extravasores pelo lado do descarregador de fundo (Fotos 8 e 9), porém sem desestabilizá-lo. As fundações dos muros laterais não foram afetadas. Os danos na estrutura da soleira terminal do descarregador (end-sill) não foram de grande proporção, face à intervenção no tempo certo dos técnicos da CHESF. A rampa à jusante do descarregador poderia ter sido posicionada mais afastada do end-sill e com um ângulo mais suave, o que favoreceria o processo de dissipação de energia, reduzindo as flutuações das pressões hidrodinâmicas. Evidentemente, esse aspecto encareceria o projeto. Pode-se citar que todos os casos de erosão registrados, para os diversos tipos de dispositivos dissipadores, serviram de lição e experiência para os projetos dos grandes vertedouros elaborados nos anos seguintes, bem como para os planos de operação dessas estruturas, como, por exemplo: – reforça a necessidade do conhecimento detalhado da curva-chave, principalmente para vazões altas, e do conhecimento detalhado da geologia a jusante desses órgãos extravasores (devem ser programadas sondagens específicas com esse objetivo); – projetos mais conservadores da escavação a jusante dessas estruturas, com a utilização do material proveniente dessas escavações na construção do empreendimento; – detalhamento do plano de operação das comportas em ensaios em modelos reduzidos com fundo móvel sem coesão com especial atenção para: > simulação de manobras com operação parcial do descarregador/vertedouro: isto é importante para verificar, para determinada concentração de energia, se os níveis a jusante são capazes de contrabalançá-la para manter o ressalto dentro da bacia; > destaca-se que nas operações com número reduzido de comportas, é muito comum solicitar o trecho correspondente da estrutura e o maciço rochoso a condições bem mais adversas e mais frequentes que as correspondentes à própria cheia de projeto.

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6. AGRADECIMENTOS Agradecemos à CHESF – Companhia Hidro Elétrica do São Francisco por ter fornecido e permitida a divulgação dessas informações e, em especial, à colaboração do Engº João Paulo Aguiar.

7 PALAVRAS-CHAVE Erosão, Descarregador de Fundo, Vertedouro, Tipos de Arranjo, Tipos de Dissipadores, Segurança de Barragens.

8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] FELDMAN, G. M. Stabilization of Spillway Scour Hole at Grand Rapids,

Manitoba. Hydraulic Power Section, Canadian Electrical Association, International Inn, Winnipeg, Manitoba. September 24 (1970).

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