P
ROJECTO DO
T
ROÇO
S
UPERIOR DO
P
OÇO DA
C
ENTRAL DO
R
EFORÇO DE
P
OTÊNCIA DE
B
EMPOSTA
PEDRO JOAQUIM XAVIER FERREIRA RIBEIRO
Dissertação submetida para satisfação parcial dos requisitos do grau de MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL —ESPECIALIZAÇÃO EM GEOTECNIA
Orientador: Professor Engenheiro Celso Manuel Relva Martins de Lima
Tel. +351-22-508 1901 Fax +351-22-508 1446 miec@fe.up.pt
Editado por
FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO Rua Dr. Roberto Frias
4200-465 PORTO Portugal Tel. +351-22-508 1400 Fax +351-22-508 1440 feup@fe.up.pt http://www.fe.up.pt
Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição que seja mencionado o Autor e feita referência a Mestrado Integrado em Engenharia Civil - 2008/2009 - Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal, 2009.
As opiniões e informações incluídas neste documento representam unicamente o ponto de vista do respectivo Autor, não podendo o Editor aceitar qualquer responsabilidade legal ou outra em relação a erros ou omissões que possam existir.
Este documento foi produzido a partir de versão electrónica fornecida pelo respectivo Autor.
Aos meus Pais e Irmãos, ao meu tio Joaquim e à Natacha
Tudo o que se sofre por amor, por amor se cura Santa Teresa de Jesus
i
AGRADECIMENTOS
Ao Professor Celso Lima, orientador deste trabalho, pelo apoio, permanente disponibilidade, pela pertinência das observações às questões suscitadas pelo autor e pela experiência transmitida.
Ao Professor Topa Gomes e à Professora Alexandra Costa agradeço a disponibilidade demonstrada e a preciosa ajuda fornecida.
Ao Professor Manuel Matos Fernandes pelas opiniões trocadas e pela permanente disponibilidade para tirar dúvidas ortográficas.
Aos Professores Luís Ribeiro e Sousa e Jean-Louis Durville pela bibliografia cedida;
À minha colega e amiga Estela Sousa pela brilhante ajuda prestada na formatação do trabalho e na revisão de texto;
A todos os meus colegas, em especial ao Bruno Catarino, João Francisco, Rui Neiva, João Brás, Marisa Soares, pela constante troca de impressões e pelo ambiente fantástico criado durante a realização deste trabalho, que permitiu que tal acontecesse de forma menos árdua.
À empresa EDP, pela disponibilização da informação necessária ao arranque deste trabalho. Ao Ricardo e à Ruth pela amizade e pela preciosa ajuda na elaboração do Abstract.
Aos meus Pais e Irmãos, que sempre acreditaram em mim e que me incutiram um espírito de trabalho e dedicação que tentarei sempre conservar.
Por fim, à Natacha pela compreensão, incentivo, apoio e carinho constante ao longo destes 5 anos de curso.
iii
RESUMO
O presente trabalho consiste na análise do projecto geotécnico do poço da nova central do Reforço de Potência do Aproveitamento Hidroeléctrico de Bemposta. O troço do poço em estudo desenvolve-se a partir do átrio de montagem, localizado à cota (366,00), até ao piso da turbina do alternador à cota (332,00), sendo a sua secção de forma circular com um alargamento do lado de jusante de forma a permitir a inserção da ranhura da comporta ensecadeira da restituição.
O suporte a instalar durante a fase de escavação, em particular as pregagens, possuem neste caso dois objectivos: o primeiro em conjunto com o betão projectado consiste em garantir a estabilidade de blocos durante a escavação; o segundo, numa fase posterior, suportar os betões de revestimento que serão executados suportados nas paredes laterais e com escavações ainda a decorrer nas cotas inferiores da central.
Neste trabalho é efectuada uma apresentação das características gerais da obra, em particular da central do Reforço de Potência. A escavação do poço foi efectuada através de dois processos, Raise Boring e desmonte a fogo, sendo apresentada uma descrição de ambos.
A análise da estabilidade de blocos foi efectuada com base em modelos definidos nos softwares Swedge e Unwedge, ambos desenvolvidos pela Rocscience, baseados em equações de equilíbrio de forças. A definição dos referidos modelos foi realizada com base nos estudos de caracterização geológica e geotécnica e nos perfis geológico-geotécnicos elaborados pela empresa SOMAGUE durante a escavação da central. É realçada a importância de um permanente acompanhamento da execução de obras subterrâneas com o objectivo de adaptar o projecto inicial às condições reais da obra.
Os resultados obtidos a partir destes dois programas permitiram determinar a necessidade de suporte ao longo da escavação da central e definir os elementos de suporte necessários para garantir unicamente a estabilidade de blocos.
Com base no software Robot 2009, comercializado pela Autodesk, foi determinada a necessidade de suporte a fornecer pelas pregagens a executar na superfície de escavação, de forma a garantir o suporte dos sucessivos betões de revestimento e elementos estruturais a executar no interior da central. Efectuou-se uma optimização da solução obtida para o suporte dos betões de revestimento ao longo do desenvolvimento do poço.
v
ABSTRACT
This work is about the analysis of the shaft geotechnical design of the new central of Bemposta hydroelectric plant. The shaft section under study is developed since the unloading and assembly floor, located at an elevation (366,00), until the turbine alternator floor, at an elevation (332,00), being its section with a circular shape and with an extension in the downstream side in order to allow the groove's insertion of the lock coffer-dam of the refund.
The support to install during the excavation, in particular rockbolts, has here two goals: the first together with the shotcrete is to ensure the stability of the blocks during the excavation; the second, at a later stage, bearing the final concrete liner of the shaft that will be run and supported on the side walls with excavations still going on at the lower locations of the central.
In this work is made a presentation of the general characteristics of the hydroelectric plant, in particular of the new central. The shaft's excavation was done by two processes, Raise Boring and blasting, and a description of both is presented.
The analysis of the block's stability was based on models defined in the Swedge and Unwedge software, both developed by Rocscience, based on balance equations of forces. The definition of these models is made according studies of geological and geotechnical characterization and geological and geotechnical profiles developed by the company SOMAGUE during the excavation of the central. It is highlighted the importance of permanent monitoring of the ground work's implementation with the aim of adapting the initial conditions to the real local conditions.
The results from these two programs allowed to determine the need of support during the central's excavation and to define the elements of support needed to ensure only the stability of the blocks. Based on the Robot 2009 software, commercialized by Autodesk, was determined the need for support provided by rockbolts to run on the excavation's surface, in order to ensure the support of the final concrete liner and structural elements to be implemented inside the central. It was made an optimization of the solution for the final concrete liner support during the development of the shaft.
vii ÍNDICE GERAL AGRADECIMENTOS ... i RESUMO ... iii ABSTRACT ... v
1. INTRODUÇÃO
... 12. DESCRIÇÃO DA OBRA
... 3 2.1.LOCALIZAÇÃO E GEOMORFOLOGIA ... 32.2.IMPACTE AMBIENTAL E SOCIAL... 4
2.3.CARACTERÍSTICAS GERAIS DO REFORÇO DE POTÊNCIA ... 5
2.3.1.DESCRIÇÃO DA CENTRAL II ... 7
2.3.2. CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS DO APROVEITAMENTO ... 11
3. PROCESSOS DE ESCAVAÇÃO
... 133.1.INTRODUÇÃO ... 13
3.2.RAISE BORING ... 14
3.3.DESMONTE A FOGO ... 15
4. ESTUDOS DE RECONHECIMENTO GEOLÓGICO E DE
CARACTERIZAÇÃO GEOTÉCNICA
... 194.1.INTRODUÇÃO ... 19
4.2.CONDIÇÕES GEOLÓGICAS LOCAIS ... 20
4.3.ESTUDO DAS DESCONTINUIDADES... 21
4.4.PROSPECÇÃO MECÂNICA ... 23
4.5.ZONAMENTO GEOLÓGICO-GEOTÉCNICO ... 24
4.6.ENSAIOS ... 25
4.6.1.ENSAIOS “IN SITU” ... 25
4.6.1.1. Ensaios de Caracterização Hidráulica ... 25
4.6.1.2. Ensaios com dilatómetro ... 26
viii
4.6.2.ENSAIOS LABORATORIAIS ... 32
4.6.2.1. Ensaios de diaclases ... 32
4.6.2.2. Ensaios de compressão uniaxial ... 34
5. IDENTIFICAÇÃO DE SITUAÇÕES DE INSTABILIDADE EM
TALUDES ROCHOSOS
... 375.1.INTRODUÇÃO ... 37
5.2.TIPOS DE INSTABILIDADE EM TALUDES ... 38
5.3.ANÁLISES CINEMÁTICAS DE ROTURAS DE CUNHAS ... 38
5.4.IDENTIFICAÇÃO DE SITUAÇÕES DE INSTABILIDADE NOS TALUDES ENTRE AS COTAS (376,00) E (365,00)M ... 40
5.4.1.FUNDAMENTADA NOS DADOS DO ESTUDO DE CARACTERIZAÇÃO GEOLÓGICA E GEOTÉCNICA ... 41
5.4.2.FUNDAMENTADA NOS DADOS DOS PERFIS GEOLÓGICO-GEOTÉCNICOS ... 41
6.ANÁLISE DA ESTABILIDADE DE BLOCOS
... 496.1.INTRODUÇÃO ... 49
6.2.EFEITO DA ESCAVAÇÃO NO MACIÇO ROCHOSO ENVOLVENTE ... 50
6.3.CONCEITOS BASE NA ESTABILIZAÇÃO DE ESCAVAÇÕES ... 51
6.4.SUPORTE PARA ESCAVAÇÕES EM MACIÇO ROCHOSO ... 51
6.4.1.SUPORTES PRIMÁRIOS ... 51
6.4.2.SUPORTES SECUNDÁRIOS OU DEFINITIVOS ... 52
6.5.PREGAGENS ... 53
6.5.1.HISTÓRIA DAS PREGAGENS ... 53
6.5.2.TIPOS DE PREGAGENS... 53
6.5.3.CAPACIDADE DE SUPORTE DE UMA PREGAGEM DE VARÃO SELADO COM CALDA ... 54
6.5.3.1. Contribuição da pregagem para a resistência ao corte de uma superfície de deslizamento .. 55
6.5.3.2. Modos de Rotura ... 61
6.6.BETÃO PROJECTADO ... 62
6.6.1.INTRODUÇÃO ... 62
6.6.2.SISTEMAS DE APLICAÇÃO DO BETÃO PROJECTADO ... 63
6.6.3. BETÃO REFORÇADO COM AÇO: REDE ELECTROSSOLDADA OU FIBRAS ... 64
6.6.4.RESISTÊNCIA AO CORTE DO BETÃO JOVEM REFORÇADO COM FIBRAS METÁLICAS ... 67
6.7. ANÁLISE DE ESTABILIDADE DOS TALUDES ENTRE A PLATAFORMA PRINCIPAL E O PISO DO ÁTRIO DE DESCARGA E MONTAGEM ... 68
ix
6.7.1.SOFTWARE SWEDGE ... 68
6.7.2.FORMULAÇÃO DO PROBLEMA ... 69
6.7.3.DETERMINAÇÃO DAS SITUAÇÕES MAIS DESFAVORÁVEIS EM CADA TALUDE ... 70
6.7.4.DIMENSIONAMENTO DA MALHA DE PREGAGENS ... 71
6.8.ANÁLISE ANÁLISE DE ESTABILIDADE DOS TALUDES DO POÇO ENTRE AS COTAS (365,00) E (338,00). ... 72
6.8.1.SOFTWARE UNWEDGE ... 72
6.8.2.FORMULAÇÃO DO PROBLEMA ... 73
6.8.3.DETERMINAÇÃO DAS FAMÍLIAS COM MAIOR PREDOMINÂNCIA ... 73
6.8.4.COMBINAÇÕES POSSÍVEIS ... 76
6.8.5.SIMULAÇÃO DOS CENÁRIOS DE SUPORTE CONSIDERADOS ... 79
7. ANÁLISE ESTRUTURAL
... 857.1.INTRODUÇÃO ... 85
7.2.MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS (MEF) ... 85
7.3.DESCRIÇÃO DO PROCESSO CONSTRUTIVO ... 86
7.4.DESCRIÇÃO DOS MODELOS ESTRUTURAIS ... 88
7.5.DEFINIÇÃO DAS CARGAS E FACTORES DE SEGURANÇA ... 90
7.6.RESULTADOS DO MODELO E DIMENSIONAMENTO DAS MALHAS DAS PREGAGENS ... 91
8. CONSIDERAÇÕES FINAIS
... 99xi
ÍNDICE DE FIGURAS
Fig.2.1 – Localização do aproveitamento hidroeléctrico do Douro Internacional ... 3
Fig.2.2 – Perfil esquemático da cascata do aproveitamento Douro Internacional ... 4
Fig.2.3 – Representação do Aproveitamento existente e do reforço de potência ... 7
Fig.2.4 – Corte transversal da Central II ... 9
Fig.2.5 – Corte longitudinal da Central II ... 10
Fig.2.6 – Planta da Central II e da subestação ... 10
Fig.3.1 – Raise Boring convencional ... 14
Fig.3.2 – Colocação da cabeça de corte ... 15
Fig.3.3 – Processo de desmonte a fogo de um maciço rochoso ... 16
Fig.3.4 – Mecanismo de fracturação de rochas com recurso a explosivos ... 17
Fig.3.5 – Efeito da fragmentação no custo da furação, explosivos, carregamento e transporte ... 18
Fig.4.1 – Geomorfologia do local de implantação do aproveitamento de Bemposta ... 20
Fig.4.2 – Famílias de diaclases e respectivos planos médios na zona da central ... 22
Fig.4.3 – Ensaio Lugeon : a) Obturador simples b)Obturador duplo ... 25
Fig.4.4 – Equipamento necessário para a realização de um ensaio com dilatómetro ... 26
Fig.4.5 – Introdução da almofada de rasgo ... 27
Fig.4.6 – Locais da realização dos ensaios SFJ e STT (LNEC, 2008) ... 28
Fig.4.7 – Tensões medidas e tensões principais em cada um dos locais onde se realizaram ensaios SFJ ... 29
Fig.4.8 – Defórmetro tridimensional STT ... 29
Fig.4.9 – Tensões principais na zona da escavação da nova central ... 31
Fig.4.10 – Pormenor do equipamento do ensaio de diaclases ... 32
Fig.4.11 – Fotografia de uma das diaclases ensaiadas – Provete D3 ... 34
Fig.4.12 – Equipamento para o ensaio de compressão uniaxial ... 34
Fig.4.13 – Provetes de granito após a rotura ... 36
Fig.5.1 – Rotura Planar, em Cunha e por Toppling ... 38
Fig.5.2 – Esquema representativo da análise cinemática de rotura de cunhas ... 39
Fig.5.3 – Identificação e localização dos taludes em estudo ... 40
Fig.5.4 – Esquema ilustrativo do mapeamento de escavações em túneis ... 42
Fig.5.5 – Perfil Geológico-Geotécnico ... 43
Fig.5.6 – Tratamento informático das descontinuidades observadas na face de escavação do Talude 1 ... 44
xii
Fig.5.7 – Análises cinemáticas efectuadas no Talude 1 ... 45
Fig.5.8 – Análises cinemáticas efectuadas no Talude 5 ... 45
Fig.5.9 – Análises cinemáticas efectuadas no Talude 6 ... 46
Fig.5.10 – Análises cinemáticas efectuadas no Talude 8 ... 46
Fig.6.1 – Efeitos da escavação num maciço rochoso ... 50
Fig.6.2 – a) Reforço de maciços b) Suporte de Maciços ... 51
Fig.6.3 – Situação na qual o suporte primário é também suporte definitivo ... 52
Fig.6.4 – Execução do suporte definitivo na obra em estudo ... 53
Fig.6.5 – Pregagem com injecção de calda de cimento ... 54
Fig.6.6 – Modos de deformação de uma pregagem ... 55
Fig.6.7 – Esquemas dos ensaios de corte laboratorial (esquerda) e de campo (direita) ... 57
Fig.6.8 – Caixa de corte utilizada por Durville et al. ... 58
Fig.6.9 – Definição do ângulo α ... 59
Fig.6.10 – Modos de rotura de uma pregagem de varão selado com calda de cimento ... 61
Fig.6.11 – Operador colocando betão projectado em 1919 ... 62
Fig.6.12 – Esquema representativo do sistema via seca de aplicação de betão projectado ... 63
Fig.6.13 – Fibras metálicas empregues no reforço do betão projectado ... 65
Fig.6.14 – Efeito das fibras metálicas no aumento da tenacidade ... 65
Fig.6.15 – Resultado dos ensaios de flexão em placa ... 66
Fig.6.16 – Placa de betão projectado com rede electrossoldada após ensaio de flexão ... 66
Fig.6.17 – Evolução da resistência de pico em função do tempo após aplicação ... 67
Fig.6.18 – Relação entre os resultados obtidos para à resistência à compressão uniaxial e ao corte 67 Fig.6.19 – Evolução da resistência à compressão em função do tempo após projecção do betão ... 68
Fig.6.20 – Exemplo da formação de cunhas delgadas, vulgarmente designadas por “cascas” ... 69
Fig.6.21 – Determinação da capacidade resistente total a fornecer pelas pregagens ... 70
Fig.6.22 – Exemplo da análise simultânea de vários perfis ( parte da zona circular entre a cota (365,00) e (339,50)) ... 74
Fig.6.23 – Determinação das famílias com maior influência na zona do poço da Central II ... 75
Fig.6.24 – Formação de cunhas para a combinação 2 (FI, F2 e F5) ... 77
Fig.6.25 – Formação de cunhas para a combinação das famílias 1,2 e 3 ... 78
Fig.6.26 – Aplicação de betão projectado na central. ... 79
Fig.6.27 – Vista em perspectiva da aplicação de pregagens às cunhas em estudo ... 81
xiii
Fig.7.1 – Elementos finitos mais comuns ... 86
Fig.7.2 – Execução do anel de betão correspondente à primeira fase de betonagem ... 87
Fig.7.3 – Elementos de betão armado a executar ... 87
Fig.7.4 – Esquema representativo das fases 1,2,3 e 4 ... 88
Fig.7.5 – Modelo da parede de contenção para a análise do suporte da segunda fase do processo construtivo ... 89
Fig.7.6 – Modelo da parede de contenção para a análise do suporte da terceira fase do processo construtivo ... 90
Fig.7.7 – A diferença de armaduras nas duas ligações entre a viga circular e a parede de contenção devida à sobreescavação ... 91
Fig.7.8 – Resultados relativos à execução da parede de contenção entre a cota (340,80) e a cota (343,60) ... 92
Fig.7.9 – Resultados relativos à execução da parede de contenção entre a cota (343,60) e a cota (346,40) ... 92
Fig.7.10 – Localização das zonas de reforço da malha de pregagens entre a cota (338,00) e a cota 343,60) ... 94
xv
ÍNDICE DE QUADROS
Quadro 2.1 – Características Principais do Aproveitamento Hidroeléctrico de Bemposta ... 11
Quadro 4.1 – Características das famílias das diaclases na zona da central ... 22
Quadro 4.2 – Características das zonas geotécnicas... 24
Quadro 4.3 – Resultados dos ensaios SFJ ... 28
Quadro 4.4 – Resultados dos ensaios STT ... 30
Quadro 4.5 – Valores das tensões no plano do modelo na zona da nova central ... 31
Quadro 4.6 – Resultados dos ensaios de diaclases relativos ao comportamento tangencial ... 33
Quadro 4.7 – Resultados dos ensaios de compressão uniaxial dos provetes de granito gnaissico ... 35
Quadro 5.1 – Orientação dos taludes em estudo ... 41
Quadro 5.2– Situações de instabilidade identificadas com base nos dados das escavações ... 47
Quadro 6.1 – Valores das contribuições obtidos experimentalmente e através dos métodos de cálculo ... 60
Quadro 6.2– Relação valor experimental/valor teórico referente a cada um dos métodos ... 60
Quadro 6.3– Capacidade resistente a fornecer pela malha de pregagens ... 70
Quadro 6.4 – Malhas de pregagem... 71
Quadro 6.5 – Características das descontinuidades em estudo ... 75
Quadro 6.6 – Factores de Segurança para as cunhas dos lados Norte e Este ... 76
Quadro 6.7 – Descrição dos blocos formados pela combinação 2 ... 77
Quadro 6.8 – Descrição dos blocos formados pela combinação das famílias 1,2 e 3. ... 78
Quadro 6.9 – Descrição dos blocos formados pela combinação das famílias 1,2 e 3 (com limitação da extensão) ... 78
Quadro 6.10 – Factores de segurança para a Situação 1 ... 80
Quadro 6.11 – Factores de segurança para a Situação 2 ... 81
Quadro 6.12 – Factores de segurança para a Situação 3 ... 82
Quadro 7.1 – Factores de segurança parciais considerados para as diversas acções ... 91
Quadro 7.2 – Dimensionamento das malhas de pregagem com base nos resultado do primeiro modelo ... 93
Quadro 7.3 – Dimensionamento das malhas de pregagem com base nos resultado do segundo modelo ... 94
Quadro 7.4 – Malhas de pregagens para os troços da parede de contenção entre as cotas (338,00) e (343,60) ... 95
Quadro 7.5 – Malhas de pregagens nas zonas de reforço entre as cotas (338,00) e (343,60) para o Talude 5 ... 95
xvi
Quadro 7.6– Malhas de pregagens nas zonas de reforço entre as cotas (338,00) e (343,60) para o Talude 7 ... 96 Quadro 7.7 – Malhas de pregagens nas zonas de reforço entre as cotas (338,00) e (343,60) para a zona circular ... 96 Quadro 7.8 – Optimização da malha de pregagens no Talude 5 ao longo do desenvolvimento do poço. ... 97
xvii
SÍMBOLOS E ABREVIATURAS
– Área do varão de aço
c – Coesão
dd – Dip Direction (Azimute) Dip – Pendor
E – Módulo de deformabilidade
Em – Módulo de deformabilidade médio f – Resistência do betão à compressão
f – Resistência característica do betão à compressão
– Tensão de cedência do aço
GWh – Gigawatt hora kV – Quilovolt
m²/pregagem - Metro quadrado por pregagem MVA - Megavolt Ampere
MW – Megawatt
– Resistência ao corte de um varão de aço
çã - Resistência à tracção de um varão de aço
R – Resistência à tracção do varão da pregagem
α – Inclinação da pregagem em relação à superfície de deslizamento ν – Coeficiente de Poisson
– Resistência ao corte do betão projectado σ – Resistência à compressão uniaxial da rocha
σ – Tensão inclinada
σ – Tensão horizontal
σ – Tensão vertical
σ,σ,σ– Tensões principais
ø – Ângulo de atrito
Φ – Diâmetro do varão da pregagem
AIA – Avaliação de Impacte Ambiental Artº – Artigo
xviii
DL – Decreto-Lei
EDP – Energias de Portugal FS – Factor de Segurança GSI – Geological Strength Index Hidouro – Hidroeléctrica do Douro
ISRM – Sociedade Internacional de Mecânica das Rochas JRC – Joint Roughness Coefficient
LNEC – Laboratório Nacional de Engenharia Civil LRPC – Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées RMR – Rock Mass Rating
RQD - Rock Quality Designation
SFJ – Ensaios de almofadas planas de pequena área SMRS – Betão reforçado com rede electrossoldada STT – Ensaios de defórmetro tridimensional
1
1.
1
INTRODUÇÃO
Os bens naturais constituem fontes de riqueza materiais que o homem aplica de forma a satisfazer as suas necessidades. No entanto, os recursos como o petróleo, cujo consumo é efectuado numa quanti-dade e a uma velociquanti-dade superior à sua produção, foram-se tornando cada vez menos disponíveis e mais caros, produzindo sérios danos na economia mundial. Além deste facto, as alterações do clima que temos vindo a testemunhar são um reflexo da utilização excessiva dos combustíveis fósseis, aumentando as emissões de gases com efeito de estufa, e do uso ineficiente de energia. As alterações climáticas constituem, assim, um desafio internacional que diz respeito a todos os habitantes do plane-ta Terra.
Deste modo, a crescente instabilidade nos mercados petrolíferos e as preocupações ambientais vieram relançar a aposta nos recursos energéticos alternativos e renováveis, procurando-se obter o maior aproveitamento de todas as formas possíveis de produção de energia sem emissão de gases, como por exemplo os recursos hídricos e eólicos. As centrais hídricas assumem deste modo um papel fundamen-tal na estratégia de luta contra as alterações climáticas e espera-se que a sua importância continue a crescer.
O presente trabalho tem como objectivo o estudo e análise do projecto geotécnico do poço da nova central do escalão de Bemposta, que está a ser alvo de um reforço de potência.
O escalão de Bemposta está inserido no aproveitamento hidroeléctrico do Douro Internacional, junta-mente com os escalões de Miranda e Picote, tendo sido construído na década de 50, e foi último dos três escalões a entrar em funcionamento. Este aproveitamento foi atribuído a Portugal pelo Convénio Luso-Espanhol de 1927.
No troço do rio no qual estão implantados os três escalões o vale é muito estreito, tendo a orografia do local determinado albufeiras com diminuta capacidade útil, nomeadamente 6,0 hectómetros cúbicos em Miranda, 13,3 em Picote e 21,0 em Bemposta, que constituem capacidades reduzidas de regulari-zação. Por outro lado, verifica-se que o reduzido nível de dimensionamento do escalão de Bemposta tem provocado a ocorrência de significativos descarregamentos em períodos húmidos, em consequên-cia de afluênconsequên-cias superiores aos volumes máximos turbináveis.
Constata-se ainda que após o reforço de potência do aproveitamento hidroeléctrico de Castro, em Espanha, (actualmente com 620 m³/s de caudal equipado) e de Miranda (com 764 m³/s), e consideran-do que se prevê vir a instalar no reforço de potência de Picote um caudal de aproximadamente 750 m³/s, o aproveitamento hidroeléctrico de Bemposta, actualmente com 435 m³/s, seria obrigado a efec-tuar significativos descarregamentos em períodos húmidos, como consequência exclusivamente do excesso de afluências relativamente aos volumes máximos turbináveis.
2
Os motivos referidos anteriormente em conjunto com a aposta efectuada em Portugal na energia hídri-ca levaram à realização do reforço de potência do eshídri-calão de Bemposta.
Pretende-se deste modo que a cascata de aproveitamentos pertencentes ao aproveitamento hidroeléc-trico do Douro Internacional venha a ter um nível idêntico de dimensionamento em caudal instalado. Deste modo, o caudal a instalar no reforço de potência de Bemposta deverá ser igual a 325 m³/s. O reforço de potência do escalão de Bemposta permitirá aumentar o aproveitamento de energia em períodos de maiores afluências naturais, e também reduzir a dependência em relação à exploração de Castro, Miranda e Picote, no que concerne ao descarregamento de importantes volumes turbinados de forma concentrada.
O presente trabalho aborda essencialmente um elemento do novo circuito hidráulico a executar no âmbito do reforço de potência de Bemposta, que é a nova central em poço.
No Capítulo 2 é feita uma descrição geral da obra, focando a localização geográfica da área de implan-tação, dando relevo aos estudos de impacte ambiental e apresentado as características gerais do apro-veitamento hidroeléctrico, em particular da nova central de Bemposta.
O Capítulo 3 aborda os dois processos de escavação empregues na execução do poço da nova central de Bemposta.
No Capítulo 4 são apresentados os estudos de caracterização geológico-geotécnica e os trabalhos prospecção efectuados. São descritos os ensaios realizados e apresentados os resultados desses ensaios, que posteriormente foram utilizados na identificação de potenciais situações de instabilidade e na análise da estabilidade de blocos, nos capítulos 5 e 6 respectivamente.
No Capítulo 5 são identificadas as possíveis situações de instabilidade de blocos determinadas com base nos dados das descontinuidades fornecidos pelos estudos de caracterização geológico-geotécnica e pelos dados provenientes dos perfis geológico-geotécnicos elaborados pela empresa SOMAGUE ao longo da escavação do poço. Na identificação dessas situações utilizou-se o software Dips, desenvol-vido pela Rocscience.
O Capítulo 6 aborda os estudos de estabilidade de blocos efectuados com base no software Swedge e Unwedge, também desenvolvidos pela Rocscience. Com base na informação proveniente dos perfis geológico-geotécnicos e dos ensaios efectuados sobre as amostras obtidas em furos de sondagens, são definidos modelos nesses dois programas. São feitas algumas considerações aos suportes utilizados para garantir a estabilidade de escavações. Procedeu-se deste modo à definição dos suportes necessá-rios a garantia da estabilidade de blocos ao longo da escavação.
O Capítulo 7 tem como objectivo a análise estrutural da execução dos betões de revestimento, através do programa Robot 2009, propriedade da empresa Autodesk. Na análise efectuada são incluídas as diferentes fases do processo construtivo considerado.
Finalmente, são efectuadas algumas considerações finais nas quais se resumem as conclusões mais relevantes do presente trabalho.
3
2.
2
DESCRIÇÃO DA OBRA
2.1. LOCALIZAÇÃO E GEOMORFOLOGIA
O Aproveitamento Hidroeléctrico de Bemposta localiza-se no troço internacional do Rio Douro, cons-tituindo em conjunto com os escalões de Picote e Miranda o aproveitamento hidroeléctrico do Douro Internacional. O aproveitamento hidroeléctrico deste troço do Douro foi atribuído a Portugal através do Convénio Luso-Espanhol celebrado em 1927. Nas figuras 2.1 e 2.2 apresenta-se respectivamente a localização esquemática do aproveitamento Douro Internacional e o perfil esquemático da cascata composta pelos três escalões que formam o referido aproveitamento.
4
Fig.2.2 – Perfil esquemático da cascata do aproveitamento Douro Internacional (Volume I, EDP, 2007).
Estes três aproveitamentos resultaram da acção da Hidouro – Hidroeléctrica do Douro, S.A.R.L, criada em 1953 como resultado de um plano de desenvolvimento e modernização de Portugal que se baseava essencialmente na rentabilização dos recursos energéticos. O primeiro escalão a entrar em funciona-mento foi o de Picote em 1958, de seguida Miranda em 1960 e por último Bemposta em 1964.
O escalão de Bemposta está situado na freguesia com o mesmo nome, que faz parte do concelho de Mogadouro, distrito de Bragança. O aproveitamento de Bemposta insere-se num troço do Douro Inter-nacional entre o aproveitamento de Picote, a montante, que também está ser alvo de um reforço de potência, e o aproveitamento de Aldeadávila, a jusante, cujo aproveitamento é efectuado por Espanha. O aproveitamento de Bemposta é composto por uma barragem do tipo arco gravidade em betão, com uma altura de 87 m, um desenvolvimento de coroamento de 297 m e um descarregador frontal sobre o corpo da barragem, por um circuito hidráulico subterrâneo com uma central em caverna com três grupos de eixo vertical, uma subestação na qual estão localizados os transformadores do grupo e o posto de seccionamento, e uma bacia de dissipação de energia em betão a jusante do pé da barragem. O troço do Douro Internacional onde foi construída a Barragem de Bemposta é um troço onde o vale é muito estreito, o que conduz a uma albufeira com capacidade útil limitada com cerca de 21,0 hectóme-tros cúbicos, com uma capacidade de regularização reduzida.
Em termos geomorfológicos, o escalão de Bemposta localiza-se numa região planáltica, conhecida como Planalto Mirandês, no qual o rio Douro escavou o seu leito. Neste local, o vale do rio Douro tem direcção próxima NE-SW, é encaixado, o vale é assimétrico pois a margem direita é mais íngreme que a margem esquerda, situando-se o fundo do vale à cota (325) e o cume da encosta na margem direita situa-se aproximadamente à cota (500).
2.2. IMPACTE AMBIENTAL E SOCIAL
Sempre que o Homem realiza uma operação num meio natural vai provocar sobre este efeitos, qual-quer que seja o tipo de actividade, em especial numa obra desta envergadura, logo é normal que se observem impactes ambientais positivos e negativos.
O Decreto-Lei nº69/2000 de 3 de Maio em conjunto com o Decreto-Lei nº197/2005 de 8 de Novem-bro, que constituem a legislação portuguesa sobre Avaliação de Impacte Ambiental, determinam que o projecto do Reforço de Potência do Aproveitamento Hidroeléctrico do Douro.
5 Internacional – Bemposta seja alvo de uma de uma Avaliação de Impacto Ambiental (AIA) pois trata-se de uma Instalação para a produção de energia eléctrica localizada em “Áreas Sensíveis” ( nº3 artº1 do DL 197/2005).
Para cumprir a legislação e obter o licenciamento do projecto foi elaborado um Estudo de Impacte Ambiental onde foram identificadas e analisadas as consequências mais importantes para o ambiente durante as fases de construção, exploração e desactivação definindo medidas de minimização. Analisa-ram-se os impactes em diversas áreas tais como solos, aspectos geológicos, paisagem, fauna, flora, recursos hídricos, qualidade da água e ar e ambiente sonoro. O Estudo de Impacte Ambiental foi ela-borado em simultâneo com o Projecto Sujeito a Licenciamento, tendo, desde o início deste último, existido um esforço de enquadramento e compatibilização do empreendimento com o meio envolven-te.
O empreendimento a realizar referente ao reforço de potência é composto essencialmente por obras subterrâneas, designadamente galerias de ataque, condutas de alimentação e restituição (circuito hidráulico) e a nova central. Os elementos do empreendimento com visibilidade à superfície corres-pondem a zonas de estaleiros, instalações sociais e de depósitos de materiais provenientes da escava-ção e alguns elementos de obra de dimensão relativamente pequena como por exemplo a subestaescava-ção, o edifício de apoio, a plataforma de acesso à central e respectivos acessos. Estes elementos vão afectar áreas que foram modificadas durante a construção do aproveitamento hidroeléctrico existente e que não possuem as características naturais originais desta região do Douro. Está previsto no final da obra a elaboração de um projecto de recuperação e integração paisagística para estas áreas, projecto este que vai possibilitar melhorar as condições que actualmente se verificam.
Considerando as características já referidas do projecto do reforço de potência e as análises e avalia-ções elaboradas ao longo dos diversos estudos, analisando inclusive os impactes cumulativos, não é previsível a ocorrência de qualquer impacte negativo sobre o ambiente que possa colocar em questão a viabilidade ambiental do projecto.
A não construção do empreendimento não produz vantagens ambientais visíveis em comparação com a execução do mesmo desde que sejam aplicadas as medidas de minimização. Além disso, constituiria um desperdício de um potencial importante de produção de energia renovável que não acarreta impac-tes negativos significativos em relação à situação existente.
O Estudo de Impacte Ambiental (2007), conclui que o projecto do Reforço de Potência do Aproveita-mento Hidroeléctrico do Douro Internacional – Bemposta é viável do ponto de vista ambiental, desde que seja cumprido durante a execução do projecto o conjunto de medidas de minimização dos impac-tes negativos e de valorização dos impacimpac-tes positivos, realizando um controlo e uma avaliação perma-nente, com base no Plano Geral de Monitorização, dos efeitos negativo mais importantes. A constru-ção e exploraconstru-ção do projecto não afecta de nenhum modo o sítio “Douro Internacional e Vale do Rio Águeda”, da Rede Natura 2000, permitindo algumas medidas definidas garantir a recuperação de algumas áreas que apresentam alguma degradação.
2.3. CARACTERÍSTICAS GERAIS DO REFORÇO DE POTÊNCIA
O reforço de potência do aproveitamento hidroeléctrico de Bemposta impõe a construção de uma nova central, Central II, em poço, localizada na margem direita a jusante da central existente, uma subesta-ção situada numa plataforma adjacente à central a uma cota mais elevada, um circuito hidráulico inse-rido na margem direita e um edifício de apoio situado no exterior em área contígua à central.
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Na elaboração do projecto foram consideradas várias condicionantes tais como o aproveitamento exis-tente, nomeadamente as obras que o constituem e a queda bruta que possibilita, os níveis normais de exploração da albufeira de Bemposta e os níveis do rio a jusante determinados por Aldeadávila, as condições topográficas e geológicas do local e a cota de calagem do grupo.
Na definição da implantação das estruturas que compõem o reforço de potência pretendeu-se optimi-zar diferentes objectivos tais como:
• reduzir ao máximo distância a entre a Central II e a restituição da estrutura de saída da central existente para diminuir o circuito hidráulico;
• assegurar cobertura de terreno suficiente sobre as estruturas subterrâneas;
• fixar a central em zona propícia ao estabelecimento de plataformas e adequada para o traçado da galeria de adução e para a restituição;
• instalar o posto de transformação exterior o mais próximo possível da central;
O novo circuito hidráulico, designado em projecto por Circuito Hidráulico 4, é constituído por uma tomada de água, uma galeria de adução e uma galeria de restituição. A tomada de água, localizada a montante da já existente, é constituída por um bocal com secção transversal rectangular dividida ao meio por um septo e por um trecho onde se situam as ensecadeiras, as comportas de guarda e a transi-ção rectângulo - redondo entre este trecho e a sectransi-ção circular da galeria de adutransi-ção. Será escavado a montante da tomada de água um canal de alimentação cuja largura na zona adjacente ao bocal é de 25m aumentando até obter a largura corrente 50m na ligação junto ao rio Douro.
A galeria de adução está inserida em rocha em geral de boa qualidade e possui uma espessura de cobertura superior a 100m em grande parte do seu comprimento. É revestida com betão desde o fim da transição quadrado – redondo na tomada de água e o início da transição para o trecho blindado junto à central. Este troço tem uma inclinação única de 13,6% e é constituído por dois alinhamentos rectos e uma curva em hélice que possibilita a concordância entre os alinhamentos. O comprimento total do referido troço é de 352,18m, correspondendo 147,28m ao troço em curva, 64,05m ao alinhamento recto a montante da curva e os restantes 140,85m ao alinhamento recto a jusante da curva. O diâmetro interior da secção circular corrente da galeria de adução é de 10,50m na zona revestida com betão e na zona blindada é 8,50m.
O circuito hidráulico continua a jusante da Central II com a galeria de restituição, com secção rectan-gular de largura constante de 12,60m, altura variável e uma extensão de 41,60m. O circuito hidráulico termina com a restituição ao rio que é realizada através de um bocal na margem direita do rio consti-tuído por uma curta rampa ascendente e por uma soleira de controlo com 20m de largura e crista situa-da à cota (323,00).
A subestação de 400kV situa-se numa plataforma adjacente à Central II, à cota (391,00), e contém o transformador principal, o posto de seccionamento blindado e o painel de saída de linha. A ligação entre o alternador e o transformador principal é efectuada através de barramentos colocados durante o alargamento do poço da central.
No que concerne ao funcionamento, a central do reforço de potência do escalão de Bemposta, que possui um grupo turbinal alternador de 212 MVA, fará parte da Rede Nacional de Transporte ao nível da tensão de 400kV. Com base nos estudos de expansão do sistema electroprodutor, a exploração pre-visível para esta central consistirá num número elevado de arranques diários.
7 Na figura 2.3 apresenta-se um planta geral do reforço de potência, com o aproveitamento existente a tracejado e o reforço de potência representado a vermelho. É de destacar a importância da localização da nova central, pois esta vai ter implicações na definição do novo circuito hidráulico.
Fig.2.3 – Representação do Aproveitamento existente e do reforço de potência (Volume I, EDP, 2007).
2.3.1. DESCRIÇÃO DA CENTRAL II
A nova central a construir será em poço, localizado na encosta da margem direita do rio Douro a jusante da central já existente. O solução escolhida contempla duas plataformas adjacentes, uma à cota(391,00) onde se localizará a subestação e outra plataforma, que será a principal, à cota (377,00), na qual será implantado o poço da central, o átrio de descarga e montagem e um edifício exterior denominado em projecto como edifício de apoio.
O poço vai desenvolver-se a partir do átrio de montagem situado à cota (366,00) até ao piso da turbina e do alternador. A secção tem forma circular contendo, no entanto, um alargamento do lado de jusante
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para permitir a inserção da ranhura da comporta ensecadeira da restituição. A caixa de escadas, o ele-vador e a passagem dos barramentos, cabos e tubagens diversas serão realizados neste alargamento. O referido alargamento possibilita ainda a criação de pisos técnicos ao longo do desenvolvimento do poço onde serão instalados os equipamentos auxiliares. Os pisos técnicos a executar possuem as seguintes designações e cotas:
• piso do átrio de descarga e montagem, à cota (366,00); • piso da reactância, à cota (360,40);
• piso dos transformadores dos serviços auxiliares, à cota (354,80); • piso dos serviços auxiliares, à cota (349,20);
• piso do disjuntor de alternador, à cota (343,60); • piso principal, à cota (338,00);
• piso da turbina e do alternador; à cota (332,00); • piso do acesso ao poço da turbina, à cota (329,00); • piso de acesso ao tubo de aspiração, à cota (319,70); • piso de drenagem, à cota (306,00)
O poço da central apresenta um diâmetro interior de 19m, o qual é condicionado pelo diâmetro interior da fossa do alternador que é 15m. Existe entre o eixo do poço e o eixo do grupo uma discordância de 0,80m longitudinalmente, o que vai viabilizar a execução, na envolvente do grupo, dos espaços de circulação necessários e a abertura de um vazamento na laje do piso principal com as dimensões exi-gidas para à descida do equipamento para os pisos inferiores. Estão também previstos na parte inferior do poço áreas suplementares para implantação de equipamentos, montagem da espiral e do difusor e para a execução do poço de esgoto e drenagem da central.
A nova central vai alojar um grupo gerador dimensionado de modo a assegurar 191MW nos terminais do alternador para uma queda estática de 64,5m, que é a altura correspondente ao nível de pleno arma-zenamento da albufeira de Bemposta e ao nível de jusante com ambas as centrais a funcionar a plena carga.
O grupo é constituído por um alternador com a potência convencionada de 212 MVA directamente impulsionado por uma turbina tipo Francis de eixo vertical.
O acesso à central é efectuado por intermédio do edifício de apoio exterior situado na plataforma prin-cipal à cota(377,00), sendo a ligação entre o poço e o edifício efectuada ao nível do piso do átrio de descarga e montagem.
A movimentação de cargas na plataforma principal e no átrio de montagem é efectuada utilizando um semi-pórtico rolante, com um vão de 22,3m e que possui uma capacidade de 500t. Este equipamento possui ainda um diferencial auxiliar de 20t para a movimentação de cargas ligeiras a velocidades supe-riores. O peso do rotor do alternador foi o factor condicionante para a determinação da capacidade deste equipamento. Será instalada à cota (373,00) uma ponte rolante, com 20,00 metros de vão e 32t de capacidade, para movimentação de cargas no interior do átrio de montagem e apoio à montagem do grupo.
Na plataforma principal serão criadas duas aberturas protegidas por tampas metálicas monitorizadas, uma sobre o átrio de descarga e montagem e outra na prumada de grupo, através das quais será reali-zada a movimentação dos equipamentos entre o exterior e o interior da central.
9 O edifício de apoio, que vai albergar as instalações principais de alimentação dos serviços auxiliares, possui apenas um só piso e uma forma em planta aproximadamente quadrada com 15m de lado. Nas figuras 2.4 e 2.5 apresentam-se dois cortes da Central II, um longitudinal e outro transversal, e na figura 2.6 é apresentada uma planta da Central II.
Fig.2.4 – Corte transversal da Central II (Volume I, EDP, 2007).
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Fig.2.5 – Corte longitudinal da Central II (Volume I, EDP, 2007).
11 2.3.2. CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS DO APROVEITAMENTO
No quadro seguinte são apresentadas as características principais do reforço de potência, indicando-se ainda as características do aproveitamento já instalado para uma melhor avaliação do escalão de Bem-posta após o reforço de potência.
Quadro 2.1 – Características Principais do Aproveitamento Hidroeléctrico de Bemposta.
Circuitos Hidráulicos
1, 2 e 3 Cota da Soleira da Tomada de Água (375,00)
Secção Corrente (Circular φ=6,0m) 28,3 m²
4 Cota da Soleira da Tomada de Água (373,00)
Comprimento da Galeria em Carga 403,3 m
Secção Corrente (Circular φ=10,5m) 86,6 m²
Comprimento da Galeria de Restituição 41,6 m em galeria ; 20,34 m a céu aberto Cota da Crista da Soleira da Restituição (323,00) Secção Corrente (rectangular : l=12,60 m e h
variável entre 10,25 e 13,40 m)
129,1 m² a 168,8 m²
Centrais
I Número de Grupos 3
Queda Bruta Máxima 66,5m
Caudal Máximo 3 x 152m³/s 456 m³/s
Tensão de Produção 15,0 kV
Potência Activa Máxima (no alternador) 3 x 80 MW 240 MW
Produção Anual Média 885 GWh
II Número de Grupos 1
Queda Bruta Máxima 64,5 m
Caudal Máximo 337 m³/s
Tensão de Produção 15,0 kV
Potência Activa Máxima (no alternador) 191 MW
Potência Aparente Estipulada do Alternador 212 MVA
Produção Anual Média 134 GWh
Transformador
Central I 3 x (3 x 29) MVA 261 MVA
Central II 1 x 215 MVA 215 MVA
O prazo de construção do reforço de potência é de 48 meses estando a entrada em serviço industrial do novo aproveitamento prevista para Dezembro de 2011. O custo técnico do empreendimento, estimado para efeitos de concurso em 2006, é na ordem dos 125 milhões de euros.
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3.
3
PROCESSOS DE ESCAVAÇÃO
3.1. INTRODUÇÃO
Um poço é definido como sendo uma escavação vertical ou inclinada, com uma secção de grandeza inferior relativamente à sua profundidade. A execução de poços pode ter várias finalidades tais como possibilitar o acesso a obras subterrâneas, a captação de água e petróleo, exploração mineira, o arma-zenamento de combustíveis ou a localização de instalações subterrâneas como é o caso de centrais hidroeléctricas.
Os métodos de execução dos poços ganham hoje maior importância devido a um grande número de projectos que incluem esta estrutura subterrânea, podendo esta ser provisória ou definitiva.
A tecnologia construtiva de poços e chaminés foi alvo de um grande desenvolvimento com a introdu-ção dos métodos mecânicos de perfuraintrodu-ção, que foram introduzidos, a maior parte, ao longo da década de 60. Os métodos mecânicos apresentam vantagens em relação ao métodos de perfuração e desmonte. A primeira vantagem, talvez a mais importante, é maior segurança para os trabalhadores, visto que em alguns destes métodos não é necessária a presença dos trabalhadores no interior da escavação e naque-les em que é preciso que este se encontrem dentro da escavação existe uma maior protecção do que nos métodos convencionais. A segunda vantagem está relacionada com uma melhor estabilidade do terreno, pois não é necessário o recurso a explosivos, a rocha não se deteriora e permite a obtenção de superfícies lisas, que tem como consequência uma menor necessidade de suporte. A terceira vantagem está directamente ligada à questão económica pois, os métodos mecânicos de perfuração permitem melhores rendimentos de perfuração o que possibilita a diminuição de prazos e diminuição de custos, pois apesar de os métodos mecânicos exigirem maior investimento inicial, permitem reduzir a mão de obra e os materiais utilizados.
Os métodos mecânicos são cada vez mais utilizados, sendo os métodos convencionais empregados quando se verificam dificuldades impeditivas para os métodos mecânicos ou quando a envergadura da obra não justifique a utilização destes.
Os sistemas mecanizados de perfuração são Shaft Drilling, Shaft Boring e Raise Boring. No entanto, para o mesmo sistema verificam-se diferenças em função do fabricante do equipamento, do local da obra e do projecto em questão.
No projecto em estudo neste trabalho, a escavação do poço foi executada recorrendo às técnicas de Raise Boring e de desmonte a fogo. A opção por estes dois métodos em conjunto é justificada pela geometria da secção e pela dimensão da mesma. A utilização dos dois métodos tem por objectivo a diminuição do tempo necessário para a escavação.
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3.2. RAISE BORING
O Raise Boring é um método de escavação mecânico de um poço ou chaminé, desenvolvido nos Esta-dos UniEsta-dos nos anos 50. A escavação pode ser realizada entre dois ou mais níveis, podendo ser ambos os níveis subterrâneos ou então o nível superior ser à superfície. O método desenhado inicialmente consistia em executar um furo piloto primeiro e depois realizar o alargamento do furo com uma cabe-ça de corte de maior diâmetro em sentido ascendente, podendo este alargamento ser efectuado em várias etapas.
A primeira vez em que se empregou este processo foi em 1962 na mina Homer Wanseca, em Michi-gan, apresentando o furo piloto um diâmetro de 250 mm, e o poço final um diâmetro de 1016 mm. Este método vem sofrendo a evolução decorrente dos avanços da tecnologia e da indústria, mas tam-bém da necessidade de executar acessos perpendiculares a galerias horizontais com o objectivo de aumentar frentes de trabalho.
Este método não se limita apenas a execução de chaminés e poços em exploração mineiras, aplicando-se actualmente a outros campos tais como a construção de poços de ventilação, centrais hidráulicas e de depósitos subterrâneos. Esta técnica pode ser utilizada em conjunto com outros sistemas de ção quando os poços são de grandes dimensões, realizando aberturas prévias para facilitar a escava-ção, como se verifica na obra em estudo.
O sistema de Raise Boring é empregue essencialmente para uma gama de diâmetros de 2 a 3 metros e profundidades de 100 a 200 metros, no entanto, existem máquinas que permitem atingir diâmetros superiores a 6 metros.
Consideram-se actualmente três tipos do Raise Boring, o convencional, invertido (Down Boring) e o utilizado para furos cegos (Blind Hole Boring). O Raise Boring convencional foi o método utilizado na obra em estudo e consiste em executar um furo piloto em sentido descendente até ao nível inferior, utilizando um tricone, sendo depois, este substituído por uma cabeça de corte, que vai proceder ao alargamento do furo em sentido ascendente. Os escombros caiem por gravidade e são retirados através do nível inferior. Na figura 3.1 apresenta-se um esquema do método.
15 Fig.3.2 – Colocação da cabeça de corte (www.smc.sandvik.com, 2009).
3.3. DESMONTE A FOGO
A técnica de desmonte a fogo de maciços rochosos consiste, em termos gerais, na execução de furos para a colocação de explosivos sendo estes furos detonados segundo uma sequência e em conformida-de com um programa conformida-de fogo pré-conformida-definido.
O conhecimento do mecanismo através do qual a rocha é fracturada por explosivos é fundamental para o dimensionamento dos parâmetros do processo de desmonte a fogo, relacionados com a produção e o controlo do processo.
O controlo do processo de desmonte a fogo é fundamental em especial quando existem na envolvente estruturas importantes, tais como as existentes na obra em estudo. A necessidade de impedir eventuais danos nos elementos pertencentes ao aproveitamento eléctrico já existente, nomeadamente, a barra-gem, a central e o circuito hidráulico, levou a que fosse solicitado, no caso presente, um estudo ao LNEC sobre as vibrações induzidas no maciço pela utilização de explosivos.
Outra facto directamente ligado com o processo de desmonte a fogo está relacionado com os impactes ambientais, nomeadamente em espécies sensíveis existentes no local de implantação do empreendi-mento, o que levou a limitação do horário e do número de pegas de fogo em certos períodos do ano. No que concerne ao planeamento de obra e segurança dos trabalhadores, este processo de escavação exige um controlo e medidas apertadas, com vista a garantir a segurança dos equipamentos e pessoas afectas à obra. Uma das formas de controlar este efeito é reduzindo o peso de explosivos por detona-ção.
Quando um explosivo é detonado, este é convertido em milésimos de segundo num gás a alta tempera-tura e a alta pressão. Quando num local confinado tal como um furo, esta reacção muito rápida produz pressões que podem atingir as 18000 atmosferas , que são exercidas contra a parede do furo. Esta energia é transmitida para a rocha envolvente ao furo através de uma onda de deformação compressi-va, que se propaga a velocidades da ordem de 2000 a 6000 m/s (Wyllie e Mah, 2004).
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Fig.3.3 – Processo de desmonte a fogo de um maciço rochoso (www.northstone-ni.co.uk, 2009).
Segundo os autores anteriores ,quando a onda de deformação penetra a rocha envolvente do furo, o material a uma distância de um para dois raios da carga ( em rocha dura, sendo maior em rocha menos resistente), é fracturada por compressão. À medida que a onde de compressão se expande, a pressão decresce para valores inferiores à resistência dinâmica à compressão, por detrás da zona pulverizada referida anteriormente, a rocha é sujeita a uma compressão radial intensa que causa tensões tangen-ciais. Quando estas tensões excedem a resistência dinâmica de tracção da rocha, formam-se fracturas radiais. Apresenta-se na Figura 3.4 a) uma representação esquemática do processo descrito anterior-mente.
De acordo com Wyllie e Mah (2004), no momento em que a onda de compressão atinge a face de escavação, esta é reflectida como uma onda de deformação por tracção. Se esta onda é suficientemente forte, pode ocorrer a queda de pequenos blocos, “lascas”, o que vai provocar a descompressão do maciço conduzindo à extensão das fracturas radiais previamente formadas (Figura 3.4 b). A rocha é muito menos resistente à tracção do que a compressão o que torna a onda reflectida particularmente eficiente na fracturação de rochas.
À medida que a rocha é descomprimida devido à expansão e reflexão da onda de compressão, é possí-vel aos gases expansíveis formar blocos a partir das fracturas geradas pela onda de deformação, e começar a expulsar blocos (Wyllie e Mah, 2004). Esta fase corresponde à conclusão do mecanismo de fracturação de rocha por intermédio de explosivos, representada na Figura 3.4c).
17 Fig.3.4 – Mecanismo de fracturação de rochas com recurso a explosivos (Wyllie e Mah, 2004).
Uma das maiores preocupações decorrentes da utilização de explosivos na escavação é a sobreescava-ção, que tem consequências no projecto final do suporte da escavação e nos custos finais da obra devi-do ao aumento devi-do volume de escavação, ao aumento da quantidade de betão a utilizar, entre outros. Na obra em análise, o fenómeno da sobreescavação reveste-se de vital importância no dimensionamento das malhas de pregagens que vão suportar os betões de revestimento durante a sua execução.
A analise económica de uma escavação com recurso a explosivos é apresentada na Figura 3.5. O custo do carregamento dos fragmentos e o transporte aumentam com a dimensão dos escombros, enquanto que o custo da furação e explosivos diminuem com o aumento do tamanho dos escombros. Logo, é necessário determinar um equilíbrio na dimensão dos blocos provocados pela utilização de explosivos na escavação de forma a obter uma produção económica.
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19
4.
4
ESTUDOS
DE
RECONHECIMENTO
GEOLÓGICO E DE
CARACTERIZA-ÇÃO GEOTÉCNICA
4.1. INTRODUÇÃOO conhecimento das características geológicas e mecânicas dos maciços rochosos nos quais se preten-de executar obras subterrâneas preten-de dimensões significativas preten-deve ser o mais pormenorizado possível para reduzir ao máximo a ocorrência de situações imprevistas.
No entanto, a definição do quanto profundo deve ser este conhecimento depende do orçamento dispo-nível para a investigação “in situ”, do tipo de maciço em estudo e da obra a executar.
De acordo com Costa e Silva et al.(2001), “uma adequada caracterização geotécnica dos maciços rochosos, habilita os responsáveis a definir os processos de construção mais económicos e mais segu-ros, e , também, tipologias de suporte provisório e definitivo, evitando-se, assim , gastos desnecessá-rios, atrasos nas obras e eventuais acidentes”.
Segundo os mesmos autores, o tempo despendido numa caracterização do maciço apropriada, pode ser bastante inferior ao tempo gasto em soluções para situações imprevistas que ocorrem frequentemente em escavações, e os próprios custos resultantes de uma adequada caracterização do maciço rochoso são insignificantes, quando comparados com o custo da obra, e sempre menores que os prejuízos, pes-soais ou materiais, provocados por acidentes estruturais.
Com vista a elaboração do projecto do reforço de potência do aproveitamento hidroeléctrico de Bem-posta foram realizados estudos de caracterização geológico-geotécnica, que permitiram obter um maior conhecimento sobre o maciço e parâmetros necessários para o desenvolvimento do projecto. Estes estudos basearam-se em trabalhos e técnicas de reconhecimento e caracterização geológico-geotécnica efectuados no local onde está localizado o escalão de Bemposta. Os referidos trabalhos foram realizados em três épocas distintas: a primeira na década de 50, no âmbito do projecto da barra-gem e central existentes, a segunda nos anos 70, no âmbito do primeiro estudo do reforço de potência de Bemposta e a última, em 2006, englobada na fase de projecto do reforço de potência.
Os trabalhos de 2006 consistiram essencialmente em:
• Estudo da informação existente proveniente dos trabalhos anteriores; • Reconhecimento geológico de superfície;
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• Ensaios de absorção de água Lugeon e Lefranc;
• Ensaios de caracterização “in situ” no interior de furos e de galerias (LNEC); • Ensaios laboratoriais sobre amostras recolhidas nas sondagens (LNEC);
A análise dos resultados e elementos obtidos nestes trabalhos e correspondente interpretação permitiu elaborar os zonamentos geotécnicos do maciço rochoso nos locais previstos para a implantação da central, circuito hidráulico e ensecadeiras.
4.2. CONDIÇÕES GEOLÓGICAS LOCAIS
A caracterização geológica de um determinado local onde se pretende executar um obrar subterrânea consiste, numa primeira fase, no reconhecimento da superfície e na implantação (em carta topográfica) de locais de abertura de furos de sondagem ao longo do perfil da obra , sendo o numero de sondagens o necessário para permitir uma amostragem representativa do maciço e rocha constituinte em estudo. (Costa e Silva et al, 2001)
Em termos Geomorfológicos, o local de Bemposta situa-se em terrenos pertencentes ao “Complexo de paragnaisses, granitos gnaissicos e migmatitos”,inseridos no Maciço Hespérico, incluídos na Zona Centro Ibérica (EDP, 2007).
Fig.4.1 – Geomorfologia do local de implantação do aproveitamento de Bemposta ( EDP, 2007).
De acordo com os levantamentos geológico-geotécnicos de superfície referidos nos estudos elabora-dos, ocorrem no local de implantação do escalão de Bemposta, de forma sucinta, essencialmente rochas metamórficas identificadas como migmatitos homogéneos e heterogéneos, e granitos
gnaissi-21 cos. As referidas litologias apresentam-se recobertas por solos de natureza diversa tais como aterros, solos residuais, depósitos aluvionares e coluvionares. No que se refere ao local onde se irá implantar a nova central, este situa-se numa mancha de granito gnaissicos com alguns retalhos e possantes filões de pegmatito.
4.3. ESTUDO DAS DESCONTINUIDADES
De modo a permitir um estudo da fracturação do maciço rochoso e obter dados importantes para a elaboração do projecto do reforço de potência, os levantamentos geológico-geotécnicos efectuados pela EDP em 2006 envolveram também a observação e o registo sistemático das características das descontinuidades visíveis.
Os referidos levantamentos foram efectuados nos afloramentos nos taludes existentes e em antigas galerias de ataque executadas na época da construção do aproveitamento existente. A caracterização geotécnica das descontinuidades teve por base a medição e descrição dos seguintes parâmetros:
• atitude ( direcção e pendor); • espaçamento (m);
• extensão (m); • abertura (mm);
• rugosidade das paredes das descontinuidades (JRC); • alteração das paredes (W);
• natureza do preenchimento; • presença de água.
O termo Descontinuidades diz respeito a vários tipos de estruturas geológicas tais como diaclases, falhas, filões, xistosidade, foliação. O levantamento efectuado abordou separadamente estas estruturas geológicas, sendo as mais importantes para o local de implantação da central as diaclases e as falhas. As características geométricas das descontinuidades foram sujeitas a um tratamento e análise estatísti-ca com base no software DIPS, desenvolvido pela Rocscience, com o objectivo de determinar as famí-lias com maior predominância no maciço e respectivos planos médios.
No que concerne às diaclases, foi realizada uma identificação geométrica das famílias de diaclases com base nas medições das atitudes destas. De forma a obter uma caracterização geotécnica em con-cordância com o existente em cada local, de modo a incluir também a questão da litologia, as medi-ções das atitudes das descontinuidades foram agrupadas em relação ao local de implantação de cada elemento de obra a executar do reforço de potência.
Apresenta-se na Figura 4.2 e no Quadro 4.1 os resultados obtidos nas medições efectuadas nos taludes de granito gnaissico localizados na zona da nova central.
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Fig.4.2 – Famílias de diaclases e respectivos planos médios na zona da central (Volume V, EDP, 2007).
Quadro 4.1 – Características das famílias das diaclases na zona da central (Volume V, EDP, 2007).
Família F1 F2 F3
Direcção N80°W N7°E N82°E
Pendor 79°SSW 81°ESSE 6°NNW Predominância (%) 31,3 40,7 12,1 Extensão (m) 3 - 10 Espessura (m) 0,2 - 0,6 e 0,06 - 0,2 0,2 - 0,6 e 0,06 - 0,2 0,06 - 0,2 Abertura (mm) >5 e 1 - 5 1 - 5 e >5 >5 W 4 JRC 12 - 14 8 - 10 12 - 14 Água Secas
Preenchimento Quando existente: película argilosa e/ou material siltoareno-so e/ou óxidos de ferro
Foram identificadas três famílias de descontinuidades com maior preponderância na zona da central, sendo de realçar a ausência de água e um grau de alteração das paredes elevado.
Relativamente às falhas, verificou-se com base no levantamento efectuado, que as famílias de falhas mais frequentes são coincidentes com as famílias de diaclases predominantes.
23 Em relação ao preenchimento das falhas, estas possuem caixa preenchida por milonite constituída por argila e rocha esmagada/fracturada em proporções variáveis, sendo a espessura de preenchimento variável, apresentando alguma tendência para diminuir em profundidade. Por este motivo, a confirma-ção e actualizaconfirma-ção dos dados destas estruturas geológicas durante a execuconfirma-ção da obra assume uma importância vital garantir o bom desempenho das soluções definidas.
4.4. PROSPECÇÃO MECÂNICA
As campanhas de prospecção mecânica foram realizadas em três épocas diferentes como já referido anteriormente. No entanto, apenas as campanhas realizadas em 2006 permitiram estudar em pormenor o local de implantação da nova central. Os elementos provenientes das campanhas anteriores permiti-ram obter elementos valiosos para a selecção e localização dos trabalhos de prospecção efectuados em 2006.
De modo a pormenorizar a caracterização geológico-geotécnica dos locais de implantação das estrutu-ras previstas no projecto do reforço de potência, foi realizada em 2006, pela empresa TECNASOL FGE, um campanha de sondagem com recuperação contínua de testemunhos, que consistiu na execu-ção de 26 furos.
A realização destes furos foi acompanhada da execução de ensaios Lugeon em troços de 5 metros e ensaios Lefranc com lanternas de 1 ou 2 metros. De acordo com Costa e Silva (2001), a realização deste tipo de ensaios é de extrema importância para a avaliação do índice de permeabilidade do maci-ço, já que permite prever os efeitos da percolação de água no maciço na estrutura da obra. O ensaios Lugeon permitiram a elaboração do zonamento hidráulico, enquanto que os ensaios Lefranc foram utilizados essencialmente na análise da permeabilidade do maciço na zona da tomada de água.
Das sondagens efectuadas, apenas 5 são referentes ao local de implantação da nova central nomeada-mente as sondagens BP1, BP2, BP3, BP12 e BP27.
A recuperação contínua de testemunhos através das sondagens permitiram obter informação relativa aos seguintes parâmetros:
• litologia;
• grau de alteração (W); • fracturação (F);
• percentagem de recuperação; • falhas intersectadas;
• “Rock Quality Designation” (RQD).
Com base nas amostras recolhidas foram efectuados ensaios laboratoriais para completar a caracteri-zação geotécnica dos maciço, dos quais se destacam os ensaios de compressão uniaxial e os ensaios de diaclases, tendo estes ensaios sido realizados pelo LNEC.
O LNEC efectuou na zona da central, nos furos BP1, BP2, BP3 e BP27, ensaios “in situ”, nomeada-mente ensaios de dilatómetro, para determinar a deformabilidade do maciço.
Foram executados pelo LNEC na zona da central ensaios para a determinação do estado de tensão no maciço, tais como, ensaios de almofadas planas de pequena área (SFJ) e ensaios de defórmetro tridi-mensional (STT).
A caracterização geomecânica do maciço rochoso e das rochas que o constituem baseia-se nos resulta-dos resulta-dos ensaios “in situ” e resulta-dos ensaios laboratoriais.
