COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS
XXVSEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS
SALVADOR,12 A 15 DE OUTUBRO DE 2003 T92 –A06
REAVALIAÇÃO DA INSTRUMENTAÇÃO DE AUSCULTAÇÃO INSTALADA EM BARRAGENS DA CESP
Selmo Chapira Kuperman Sergio Cifu
Maria Regina Moretti Giacomo Re
THEMAG ENGENHARIA E GERENCIAMENTO
Julio César Pínfari Edvaldo Fábio Carneiro Sérgio Luiz Guimarães Rossetto
Ruitter Prada Reigada
CESP- COMPANHIA ENERGÉTICA DE SÃO PAULO
RESUMO
As barragens de concreto, terra e enrocamento das Usinas de Jaguari, Eng°
Souza Dias (Jupiá), Ilha Solteira, Paraibuna e a barragem do Paraitinga, da CESP, possuem um registro histórico de comportamento atendendo a recomendações efetuadas durante a fase de projeto, através de inspeções periódicas e através da instrumentação nelas instalada. Este trabalho descreve os serviços de reavaliação e complementação desta instrumentação, critérios desenvolvidos para fixação de valores limites para a mesma, critérios para freqüências de leituras e pareceres sobre a segurança dos barramentos.
ABSTRACT
Following design recommendations, concrete, earthfill and rockfill dams from Jaguari, Eng° Souza Dias (Jupiá), Ilha Solteira and Paraibuna hydropowerplants and Paraitinga dam, owned by CESP, have a behavior story gathered through periodic inspections and installed instrumentation. This paper presents the work performed to reevaluate and complete this instrumentation, to develop criteria to establish limit values of the measurements, criteria for monitoring frequency and statements on the safety of these dams.
1 – INTRODUÇÃO
No ano 2000 a CESP contratou a Themag para a prestação de serviços de reavaliação dos valores limites da instrumentação de auscultação das barragens de concreto, terra e enrocamento das usinas de Ilha Solteira (3.444MW; altura = 74m; comprimento da crista = 5.605m); Jaguari (27,5MW;
altura = 67m; comprimento da crista = 623m), Jupiá (1.551,2MW; altura = 42,5m; comprimento da crista = 5.495m), Paraibuna (85MW; altura = 94m;
comprimento da crista = 595m) e barragem do Paraitinga (altura = 105m;
comprimento da crista = 586m).
As barragens da CESP, objeto deste trabalho foram construídas há cerca de 30 anos ou mais e possuem um registro histórico de comportamento, seja através de inspeções periódicas efetuadas pela CESP, seja através da instrumentação nelas instalada. Tais registros, tanto por meio impresso quanto magnético, foram devidamente consultados e seu estudo, aliado às inspeções e às análises efetuadas possibilitaram que se chegasse às conclusões e considerações expostas neste trabalho. Verificou-se que após tantos anos de operação ocorreram inevitáveis mudanças nas características dos materiais devido ao envelhecimento, às ciclagens e à ocorrência de reações químicas.
Em todas as estruturas inspecionadas foram observadas algumas anomalias, mas que não afetam a segurança das estruturas civis consideradas. Nestes casos foram recomendadas investigações e/ou correções. Diversas reuniões foram realizadas para um debate amplo dos estudos, tendo havido intensa troca de idéias e conhecimentos o que trouxe benefícios aos serviços e ao entendimento sobre o comportamento das estruturas estudadas. São descritas, a seguir, as várias fases do trabalho realizado.
2- METODOLOGIA DE TRABALHO
Os trabalhos consistiram, resumidamente, de: levantamentos e análises dos dados disponíveis; inspeções às estruturas civis; utilização de um banco de dados dos instrumentos; análises das seções instrumentadas e dos instrumentos isolados instalados; estudos relativos à segurança dos barramentos; pareceres sobre a adequação da instrumentação instalada incluindo reavaliações e complementações; fixação de novas freqüências de leituras; análises estatisticas dos dados históricos dos instrumentos; fixação de valores de referência para as leituras da instrumentação e, finalmente, pareceres sobre a automação de leituras.
3 - LEVANTAMENTO DE DADOS
3.1 - GENERALIDADES
O levantamento de dados consistiu de: pesquisa e análise da documentação de projeto incluindo memórias de cálculo, critérios de projeto, especificações, desenhos; obtenção de informações sobre a construção e operação das estruturas civis, incluindo relatórios do período construtivo, relatórios de ensaios e controles executados, relatórios de inspeções periódicas, pareceres diversos, dados de instalação, leitura e interpretação da instrumentação instalada e fotos ilustrativas. Foram consultadas pessoas que participaram dos projetos e das construções bem como artigos técnicos apresentados em diversos congressos e seminários.
3.2 - BANCO DE DADOS DO SISTEMA INFORMATIZADO CESP DE SEGURANÇA DE BARRAGENS-SICESP
Para o desenvolvimento das atividades de análises dos dados dos instrumentos, foi utilizado o banco de dados da Microsoft Access, tamanho de 143MB, do Sistema Informatizado de Segurança de Barragens, contendo mais de 1.705.000 registros de leituras dos instrumentos instalados, em todos os empreendimentos da CESP. A CESP disponibilizou todo seu acervo e, além disto colocou à disposição um banco de dados contendo todas as leituras dos instrumentos, níveis d´água montante e jusante, temperaturas e precipitações cadastrados.
3.3 - BANCO DE DADOS DE DOCUMENTAÇÃO
Como parte do trabalho de organização das informações obtidas foi desenvolvido um Banco de Dados informatizado denominado SISDOC, cujo objetivo é a recuperação de documentos elaborados para a CESP e, por esta, para todos os seus empreendimentos permitindo o acompanhamento do tramite dos documentos, através de um gerenciador de empréstimos.
3.4 - MICROFICHAS
Estiveram à disposição, aproximadamente, 6.450 imagens em microfichas que, por sua vez continham aproximadamente 200.000 títulos de documentos.
Visando agilizar futuras consultas ao arquivo de microfichas das usinas em questão decidiu-se digitalizar estas microfichas e inseri-las num programa de busca e consulta.
4 - INSPEÇÕES
As inspeções às superfícies visíveis das estruturas tiveram por objetivo tomar conhecimento das eventuais anomalias nelas existentes, verificar a instrumentação instalada e observar de forma geral o seu estado de conservação. Equipe multidisciplinar composta por engenheiros e técnicos, especializados em cálculo de estruturas de concreto, geotecnia, fundações, tecnologia de concreto, instrumentação civil, hidráulica e mecânica participou dos trabalhos. A CESP disponibilizou barcos para as inspeções realizadas a montante e a jusante de áreas liberadas dos barramentos. Convém ressaltar que grande parte dos problemas levantados durante as inspeções já era do conhecimento da CESP que, inclusive, estava providenciando as devidas correções para vários deles. Foram elaborados relatórios detalhados descrevendo as situações encontradas, as anomalias existentes e as prováveis causas das mesmas. Quando necessário, possíveis metodologias de ação eram listadas, para discussões.
5 - ANÁLISES, REAVALIAÇÕES E COMPLEMENTAÇÕES DA INSTRUMENTAÇÃO
As usinas da CESP estiveram entre as pioneiras na implantação de sistemas abrangentes de instrumentação. Diversas seções, ao longo das estruturas de concreto, nas barragens de terra e enrocamento, nas ombreiras e nas fundações, foram instrumentadas evidenciando a preocupação no acompanhamento do comportamento das obras. Todos os instrumentos existentes e em funcionamento foram analisados, durante o desenrolar dos trabalhos, considerando-se as evoluções das medidas ao longo do tempo bem como seu desempenho face ao que seria de se esperar para cada estudo global das estruturas. Vários instrumentos foram instalados para acompanhar o desempenho dos aterros durante a construção, seja para determinar seus parâmetros geotécnicos ou para verificar a eficácia de determinados tratamentos específicos. Considerou-se que, atualmente, após tantos anos de operação e acompanhamento, aparelhos com função temporária já não tinham mais interesse na análise do desempenho geral da barragem e sua leitura era meramente ilustrativa de algo que já foi analisado e finalizado. As análises conjuntas da instrumentação e das inspeções efetuadas bem como considerações sobre as razões da instalação de determinados tipos de aparelhos levaram a uma reavaliação dos sistemas de auscultação existentes nas usinas em questão e recomendações de complementação da instrumentação, quando necessária, em certos pontos considerados prioritários. A seguir, são resumidas as conclusões obtidas para cada usina.
Convém esclarecer que os instrumentos instalados estão indicados entre parênteses e os que continuam funcionando a contento estão indicados em seguida. A diferença às vezes, existente refere-se a aparelhos que estão avariados ou que não estavam com funcionamento perfeito, quando dos estudos.
5.1 - USINA ILHA SOLTEIRA
5.1.1 - Estruturas de concreto
A relação de instrumentos é: base para alongâmetro = (50) 50; detector de trinca, de resistência elétrica = (5) 3; extensômetro de grande base, de resistência elétrica = (138) 106; extensômetro de resistência elétrica, para concreto = (55) 54; extensômetro de hastes = (4) 4; medidor de resistência elétrica, de junta = (28) 24; medidor de vazão = (72) 50; pêndulo direto = (7) 7;
pêndulo invertido = (3) 3; piezômetro elétrico = (89) 80; piezômetro de tubo = (261) 260; tensômetro de resistência elétrica, para armadura = (73) 71;
tensômetro de resistência elétrica, para concreto = (2) 0; termômetro de resistência elétrica = (196) 194.
Certos instrumentos deixaram de ser essenciais para o acompanhamento sistemático e as análises de segurança das estruturas. Neste grupo de instrumentos estão incluídos: detectores de trincas; extensômetros para concreto; tensômetros de armadura; tensômetros para concreto armado;
termômetros; extensômetros de grande base; medidores de pressão intersticial (certos piezômetros elétricos). Com base nas leituras fornecidas pelos instrumentos instalados nas estruturas de concreto, destinados a investigação de sua segurança global, pode-se afirmar que: os valores de deslocamentos absoluto e relativos entre blocos estão estáveis, não existindo qualquer tendência de alteração progressiva; os valores de subpressão estão estáveis e aquém dos limites estabelecidos pelo projeto; há necessidade de serem instalados alguns novos piezômetros em certas descontinuidades das fundações.
5.1.2 - Barragens de terra
A relação de instrumentos é: base para alongâmetro = (2) 0; base para Tensotast = (4) 2; inclinômetro = (2) 1; medidor de recalque = (10) 7; medidor de vazão = (4) 4; medidor de nível d'água = (9) 8; poço de alívio = (202) 202;
piezômetro elétrico = (78) 8; piezômetro pneumático = (27) 0; piezômetro de tubo = (89) 66; célula de tensão total = (34) 4. Foram instalados, também, marcos topográficos ao longo da crista da barragem. De maneira geral as estruturas de terra e suas fundações se apresentam estáveis e com manutenção satisfatória, não evidenciando anomalias dignas de suscitar quaisquer tipos de preocupações. Merece destaque a boa qualidade do enrocamento empregado na proteção ao talude de montante (rip-rap), o qual apresenta arestas vivas até hoje. Em vista dos resultados das análises efetuadas, pode-se concluir que a Barragem de Terra de Ilha Solteira se encontra em bom estado de conservação e de funcionamento. Seus taludes de montante e de jusante são satisfatoriamente protegidos e não apresentam falhas ou anomalias que comprometam sua segurança. Os níveis piezométricos medidos na fundação revelam baixas pressões, respondendo adequadamente às variações dos níveis de água do reservatório. A jusante da barragem, nas duas margens, ocorrem algumas surgências isoladas, o que não
chega, segundo constatações in loco, a constituir ameaça às fundações ou aos taludes, dada sua localização, mas que podem dificultar, pelo crescimento da vegetação, o acesso à área por parte das equipes de inspeção. A CESP providenciou a execução de trincheiras, no passado, com o intuito de drenar a área e manter seca a região junto ao pé da barragem.
5.2 - USINA JAGUARI
5.2.1 - Estruturas de concreto
Existem três medidores triortogonais instalados em fissuras da laje da cota 627,50 m da Tomada d’Água para monitorar o seu comportamento. Estes medidores triortogonais devem ter suas leituras continuadas. Quando da construção do túnel adutor foram instalados, ao longo do mesmo, no concreto de revestimento, extensômetros (16), termômetros (6) e piezômetros (6), todos baseados no princípio de corda vibrante. Poucos anos após sua instalação os instrumentos deixaram de funcionar. Recomendou-se a instalação de medidores triortogonais nas juntas dos eixos 4 e 6 da Casa de Força para monitoramento do comportamento dessas juntas (foram instalados pela CESP em 2002). Sugeriu-se a elaboração de projeto de instrumentação complementar, para auscultar o comportamento das estruturas que mostraram existência de reações álcali-agregado, para a medição de expansões, distorções, deslocamentos diferenciais, etc.
5.2.2 - Barragens de terra
A relação de instrumentos é: medidor de recalque = (4) 4; marco superficial = (22) 22; medidor de vazão = (14) 14; medidor de nível d'água = (34) 34;
piezômetro elétrico = (10) 0; piezômetro pneumático = (17) 0; piezômetro de tubo = (78) 75.
A Barragem e o Dique da Margem Direita de Jaguari encontram-se em bom estado de conservação e de funcionamento. Seus taludes de montante e de jusante estão bem protegidos e não apresentam falhas. Na ombreira esquerda da Barragem ocorre uma região, onde estão instalados piezômetros, em que as pressões piezométricas estão elevadas e há surgências d’água. É interessante a execução de drenos de alívio, para que se tenha a situação sob controle.
Propôs-se a execução de uma linha de drenos, inclinados, interceptando o fluxo preferencial em profundidade e regularmente espaçados no centro do talvegue e aumentando este espaçamento nas laterais. Sua eficiência no controle das pressões deverá ser verificada através da instrumentação. Os níveis piezométricos medidos no corpo de montante dos maciços compactados revelam baixas pressões e boa adequação aos níveis de água do reservatório.
5.3 - USINA ENGENHEIRO SOUZA DIAS (JUPIÁ)
5.3.1 - Estruturas de concreto
A relação de instrumentos é: extensômetro de hastes = (8) 8; extensômetro tipo “strain-gage”, embutidos no concreto = (304) 0; medidor de vazão = (206) 199; medidor triortogonal = (17) 17; piezômetro de tubo = (122) 122; termopar = (2) 0. Cabe ressaltar que foram instaladas bases para Tensotast (6) e bases de alongâmetros (12) posteriormente substituídas, em alguns casos, por medidores triortogonais.
O projeto de instrumentação da Usina previu a instalação de piezômetros nas imediações do contato concreto/rocha o que permite verificar apenas as solicitações hidrostáticas aplicadas diretamente sobre as estruturas de concreto, mas não permite vislumbrar as poropressões desenvolvidas no maciço rochoso de fundação. Considerando a importância das condições de subpressão ao longo das descontinuidades constituídas pelos contatos entre os micro-derrames na estabilidade global das estruturas, julgou-se importante possuir meios mais efetivos de observação destas condições. Assim, sugeriu- se a instalação de alguns instrumentos complementares para monitoramento, em profundidade, das subpressões atuantes nas estruturas de concreto.
5.3.2 - Barragens de terra e enrocamento
A relação de instrumentos é: medidor de vazão = (3) 3; medidor de nível d'água = (12) 11; piezômetro elétrico = (18) 18; piezômetro pneumático = (4) 4;
piezômetro de tubo = (112) 109; poço de alívio = (9) 9. Na barragem de terra não há instrumentação adicional prevista.
5.4 - USINA PARAIBUNA
5.4.1 - Estruturas de concreto
Não existe instrumentação, em funcionamento, instalada nas estruturas de concreto da UHE Paraibuna. Foi recomendada a instalação, na Casa de Força, de quatro medidores triortogonais para acompanhamento das juntas dos eixos 6 e 8 e dois para acompanhamento de fissura montante/jusante ao longo do eixo do túnel adutor (foram instalados pela CESP em 2002).
5.4.2 - Barragem de terra
A relação de instrumentos é: inclinômetro = (7) 6; medidor de recalque, tipo KM = (3) 3; marco superficial = (88) 88; medidor de vazão = (36) 26; medidor
de nível d'água = (29) 28; poço de alívio = (6) 6; piezômetro pneumático = (20) 0; piezômetro de tubo = (136) 135. Não há instrumentação adicional prevista.
5.5 - BARRAGEM PARAITINGA
A relação de instrumentos é: inclinômetro = (8) 7; medidor de vazão = (8) 8;
marco superficial = (69) 69; medidor de recalque, tipo KM (7) 7; medidor de nível d'água = (20) 20; piezômetro elétrico = (15) 0; piezômetro de tubo = (56) 55; piezômetro pneumático = (30) 0. Não há instrumentação adicional prevista.
6 - AVALIAÇÕES DE SEGURANÇA DAS ESTRUTURAS
6.1 - GENERALIDADES
A preocupação com a segurança de cada usina hidrelétrica e, portanto, com os meios necessários para assegurar o monitoramento periódico de suas estruturas, tem por objetivo garantir o seu funcionamento normal. A realização de inspeções periódicas às obras e a interpretação das leituras da instrumentação existente são necessárias para possibilitar o acompanhamento do comportamento das estruturas em operação e para a avaliação da segurança das mesmas. O acompanhamento contínuo das usinas coletando, registrando e analisando sistematicamente os dados e informações relevantes, viabiliza a adoção em tempo hábil de medidas preventivas, visando a manutenção dos órgãos vitais das estruturas em níveis aceitáveis de confiabilidade funcional. Permite, também, a adoção de medidas corretivas em tempo hábil, destinadas a corrigir anomalias ou melhorar as condições de funcionamento das estruturas e de suas fundações, bem como para a execução de reparos necessários sob o aspecto de durabilidade dos elementos constituintes.
6.2 -ESTRUTURAS DE CONCRETO
O desenvolvimento dos serviços de controle e avaliação da segurança de barragens em operação, tendo como objetivo reavaliar as condições de segurança das estruturas e identificar os novos valores de referência ou valores limites da instrumentação de auscultação instalada e a instalar, obedeceram à seqüência relativa aos procedimentos intrínsecos à fase de operação, ou seja: inspeção às estruturas; análise e interpretação do histórico dos dados de instrumentação para avaliação do comportamento das obras em operação; avaliação de eventuais ocorrências excepcionais, conformes ou não, com os critérios de projeto; verificação da conformidade dos resultados observados (ações e respostas estruturais) com os valores das ações consideradas nos critérios de projeto e das respostas estruturais obtidas pelos
com os critérios de projeto, a partir de modelos de ações mais elaboradas;
reavaliação da segurança para as situações de ações não conformes com os critérios de projeto; identificação de combinações de ações excepcionais que levem a uma condição de não conformidade com os critérios de segurança e estabelecimento dos correspondentes valores de referência para esta situação crítica.
Realizados os trabalhos de inspeção, analisados os dados disponíveis do projeto original e feita uma avaliação preliminar do histórico da instrumentação de auscultação, as análises levaram à conclusão de não haver problemas quanto à segurança global das obras.
Com base no levantamento de dados do sistema de instrumentação existente, procedeu-se a uma avaliação estatística dos valores registrados, definindo-se os seus valores médios e suas dispersões. Os resultados dessa análise demonstraram que os valores de leitura da instrumentação de auscultação indicam ações aquém das hipóteses de projeto para situações de carregamento normal, pois tanto o nível de montante, quanto o de jusante não apresentam variações significativas em relação aos de projeto e as leituras dos piezômetros conduzem a diagramas de subpressão inferiores aos admitidos nas hipóteses de cálculo. Assim sendo não ocorre redução nas condições de segurança das estruturas, que permanecem inalteradas em relação aos valores de projeto, ou seja, os fatores de segurança ao tombamento (FST), à flutuação (FSF) e ao deslizamento (FSD), conforme a situação, podem ser admitidos como, no mínimo, iguais ao indicado na Tabela 1.
TABELA 1 – Fatores de segurança mínimos admitidos
NORMAL (CN)
EXCEPCIONAL (CE)
LIMITE (CL)
FST ≥ 1,5 1,2 1,1
FSF ≥ 1,3 1,1 1,1
FSD∅ ≥ 1,5 1,1 1,0
FSDc ≥ 3,0 1,3 1,2
Obs.: FST = fator de segurança ao tombamento; FSF = fator de segurança à flutuação; FS D∅ = fator de redução dos esforços resistentes de atrito ; FSDc = fator de redução dos esforços resistentes de coesão
A análise do histórico da instrumentação existente não indicou a possibilidade de não conformidade de valores de ações de tal sorte que se obtivessem combinações de carregamentos excepcionais superiores aos considerados nos critérios de projeto. Pelos estudos e análises efetuadas, a reavaliação das condições de segurança para as estruturas de concreto só se fará necessária, futuramente, caso durante as inspeções se detectarem comportamentos estruturais anômalos não conformes com as informações obtidas através das seções instrumentadas ou, quando a instrumentação retratar uma alteração tendenciosa de aumento dos carregamentos registrados. Na eventualidade desta constatação deverão ser analisadas as condições de segurança relativamente aos estados limites último de perda de equilíbrio como corpo rígido ou, caso se julgue necessária uma análise mais acurada da resposta estrutural, poder-se-á adotar modelos estruturais mais elaborados do que os
modelos clássicos, utilizando-se modelos matemáticos com base no Método dos Elementos Finitos. Os aspectos principais que se destacaram, para cada usina estudada, foram:
6.2.1 - Usina Ilha Solteira
Os resultados da análise do sistema de instrumentação existente mostraram que as ações atuantes nas estruturas sempre estiveram aquém das hipóteses de projeto para situações de carregamento normal e as leituras dos piezômetros conduziram a diagramas de subpressão inferiores aos admitidos nas hipóteses de cálculo. Analisados os dados disponíveis do projeto original e feita uma avaliação do histórico da instrumentação de auscultação, as avaliações das estruturas levaram à conclusão de não haver problemas quanto à segurança global da obra. Entretanto, alguns aspectos pontuais a serem resolvidos foram apontados: no Vertedouro de Superfície deveria ser executado reparo da erosão por cavitação das superfícies junto aos dentes de dissipação (os reparos foram executados em 2002); na mesma estrutura recomendou-se estudo para caracterizar a causa do quadro de fissuração a jusante da estrutura (o assunto está em fase de estudos, pela CESP); na Casa de Força é necessário o reparo da impermeabilização da laje da cota 292,00 m.
Deveria ser pesquisada a origem das infiltrações que ocorrem no piso da cota 281,00 m, junto à unidade geradora número 12 (as pesquisas e as ações corretivas foram executadas em 2003).
6.2.2 - Usina Jaguari
Realizados os trabalhos de inspeção e analisados os dados disponíveis do projeto original, mesmo sem a existência de instrumentação de auscultação, as análises levaram à conclusão de não haver problemas quanto à segurança global da barragem. No entanto, foram observados alguns aspectos que se destacam pelo fato de colocar em risco a durabilidade de alguns elementos estruturais, afetar o funcionamento de equipamentos e indicar a necessidade de manutenção de componentes que sofreram com o envelhecimento natural dos materiais ao longo do tempo. Estudos executados pela CESP para caracterizar a causa provável do quadro de fissuração existente em várias das estruturas comprovaram que o mesmo é devido à reação álcali-agregado.
Recomendou-se o monitoramento das fissuras nas paredes e teto do Quarto Seco e da abertura das juntas dos eixos 4 e 6, para avaliar o deslocamento entre os blocos a jusante da Casa de Força e verificar se o processo de movimentação encontra-se estabilizado.
6.2.3 - Usina Eng° Souza Dias (Jupiá)
Os resultados da análise do sistema de instrumentação existente mostraram que as ações atuantes nas estruturas de concreto sempre estiveram aquém
dos piezômetros conduzem a diagramas de subpressão inferiores aos admitidos nas hipóteses de cálculo. Analisados os dados disponíveis do projeto original e feita uma avaliação do histórico da instrumentação de auscultação, as avaliações das estruturas levaram à conclusão de não haver problemas quanto à segurança global da obra. Algumas anomalias na qualidade do concreto, principalmente relacionadas com fissurações, além do comprometimento do funcionamento das impermeabilizações na Casa de Força, foram identificadas. Estruturalmente, os pontos de destaque referiam-se às fissuras e aos desplacamentos de montante da borda dos pilares do vertedouro de superfície e a exposição da armadura de algumas das vigas- munhão. A CESP vem providenciando a correção dos problemas: as infiltrações vem sendo submetidas a injeções de materiais diversos, visando sua eliminação ou, em alguns casos, tem sido canalizadas e direcionadas para as canaletas de drenagem. Os locais de armadura exposta, nas vigas-munhão, foram devidamente recuperados com injeções e argamassas especiais, ao passo que os desplacamentos dos pilares do vertedouro estão sendo analisados de modo que sua recuperação não afete o intenso tráfego de veículos sobre a crista da barragem e que serve como ligação entre os estados de São Paulo e Mato Grosso do Sul.
6.2.4 - Usina Paraibuna
As análises efetuadas levaram à conclusão de não haver problemas quanto à segurança global da obra. Alguns aspectos que podem colocar em risco a durabilidade de alguns elementos estruturais estão ligados ao quadro de fissuração existente em várias partes das estruturas: sala dos Trocadores de Calor, piso da Casa de Força e vertedouro tulipa. Foi providenciado o monitoramento da abertura das juntas de dilatação da Casa de Força, para verificar se ocorre movimentação.
6.3 - BARRAGENS DE TERRA
6.3.1 - Usina IIha Solteira
Em função das análises realizadas pode-se concluir que a Barragem de Terra da UHE Ilha Solteira apresenta seu sistema de drenagem funcionando adequadamente e não vem sendo observados níveis piezométricos elevados nas fundações. Concluiu-se que as estruturas de terra estavam atendendo às expectativas de projeto e, portanto, apresentavam adequadas condições de segurança. O único ponto a merecer especial atenção dizia respeito às elevadas pressões medidas nas células de pressão total no abraço da margem direita. Sugeriu-se verificar as pressões neutras nessa região através de nova instrumentação, basicamente, piezômetros tipo Casagrande.
6.3.2 -Usina Jaguari
Os recalques observados, na barragem de terra, demonstraram que continua a ocorrer algum tipo de adensamento dos solos e movimentação das estruturas, embora de magnitude muito pequena. A continuidade do monitoramento é conveniente para que se tenha indicação de fenômenos inesperados e se possa entendê-los para saná-los, se for o caso. De maneira geral, as estruturas de terra e suas fundações, bem como os taludes naturais se apresentam estáveis, com boa manutenção e secos na maior parte. Em alguns locais há indicação de que as águas de chuva se infiltram no talude e fluem a pouca profundidade, ocasionando alagamentos que foram corrigidos pela CESP por meio de drenos tipo “espinha de peixe”. Alguns desses locais também apresentaram instabilidade superficial e mesmo escorregamentos de pequenas dimensões, que hoje estão estabilizados. A Barragem e o Dique da Margem Direita de Jaguari encontram-se em bom estado de conservação e de funcionamento. Seus taludes de montante e de jusante estão bem protegidos e não apresentam falhas. Os níveis piezométricos medidos no corpo de montante dos maciços compactados revelam pressões piezométricas compatíveis com os níveis d’água do reservatório.
6.3.3 - Usina Eng° Souza Dias (Jupiá)
Em função das análises realizadas pode-se concluir que as Barragens de Terra da UHE Eng° Souza Dias (Jupiá) apresentam seu sistema de drenagem funcionando adequadamente e não foram observados níveis piezométricos elevados na fundação. Levando-se em conta as pressões piezométricas medidas nas fundações e no sistema de drenagem interno, pode-se concluir que as estruturas de terra estão atendendo às expectativas de projeto e, portanto, apresentam adequadas condições de segurança, até o momento. Os maciços de terra e enrocamento da Usina Eng° Souza Dias (Jupiá) não apresentavam, sob o ponto de vista de segurança global, problemas específicos que inspirassem preocupações. A fundação da Barragem da Margem Esquerda apresenta, a jusante, em alguns piezômetros níveis piezométricos acima do terreno natural. Embora estes níveis de subpressão não comprometam a estabilidade da obra, ou mesmo estabeleçam um regime médio de gradientes verticais preocupantes, que merecessem tratamentos sistemáticos adicionais, tem sido observados pontos de surgência que mereceram maior atenção, na análise e recomendações para um tratamento adequado. Em virtude do enrocamento basáltico empregado na proteção do talude de montante ser desagregável a proteção vem sendo monitorada, pela CESP e, sempre que necessário, as devidas correções são aplicadas, utilizando gabiões-saco, por sua facilidade executiva.
6.3.4 - Usina Paraibuna e Barragem Paraitinga
Em função das análises realizadas na Barragem de Terra e Diques da UHE Paraibuna, pode-se concluir que o sistema de drenagem interna dos barramentos de terra apresenta condições de funcionamento adequado, não tendo sido verificados níveis piezométricos elevados, ou indícios de mau funcionamento que necessitassem de estudos mais aprofundados. A Barragem de Terra e Dique de Paraitinga, também apresentam condições satisfatórias de segurança, uma vez que não foram identificadas pressões piezométricas elevadas que merecessem atenções especiais, além do sistema de drenagem apresentar boas condições de funcionamento. Seus taludes de montante e de jusante estão bem protegidos e não apresentam erosões ou instabilidades.
Tem sido tratados pequenos escorregamentos superficiais, incipientes, causados por fluxo subsuperficial da água de chuva, por meio de drenos de pequena profundidade, que tem se revelado eficientes. Os níveis piezométricos medidos mostraram a maior permeabilidade dos solos e rochas da fundação em relação ao aterro compactado e as boas condições dos sistemas de drenagem construídos.
7 - CRITÉRIOS PARA FIXAÇÃO DE VALORES LIMITES DA INSTRUMENTAÇÃO
Estabeleceu-se um consenso de que a fixação de valores limites muito além dos observados historicamente poderia não alertar para alguma alteração de comportamento que ocorresse em determinado instrumento ou conjunto de instrumentos, levando a um adiamento da tomada de ações de investigação da ocorrência e de prevenção de algum problema maior. Cumpria, portanto, estabelecer valores limites que impedissem tal situação. No caso das barragens em estudo, da CESP, os projetos realizados nas décadas de 1960 e 1970 adotaram os critérios que normalmente eram empregados na época. Não era costume a fixação determinística de valores limites máximos para a maioria dos instrumentos instalados, não só pelas dificuldades de se realizar esta operação através dos procedimentos de cálculo então disponíveis, como também pela falta de representatividade que tais valores poderiam apresentar.
Em geral, os únicos efeitos de ações que possuíam limites bem definidos eram as subpressões e temperaturas em estruturas de concreto: as primeiras a partir de diagramas elaborados com base nos critérios estabelecidos pelo Bureau of Reclamation, dos EUA e as segundas a partir de estudos de propagação térmica realizados pelo método dos elementos finitos. Assim, do ponto de vista de segurança da estrutura os únicos instrumentos instalados que possuem um limite máximo definido em projeto são os piezômetros colocados nas fundações das estruturas de concreto das UHE Eng° Souza Dias (Jupiá) e UHE Ilha Solteira. As UHE Eng° Souza Dias (Jupiá), UHE Ilha Solteira, UHE Jaguari, UHE Paraibuna e barragem Paraitinga estão em funcionamento há cerca de 30 anos, com leituras praticamente ininterruptas (exceto em poucos casos) e um acompanhamento sempre cuidadoso dos instrumentos. Uma análise efetuada em todos os instrumentos, mostrou que a vasta maioria das leituras apresentava valores coerentes sendo mínimos os casos que poderiam ser
classificados como de leituras errôneas. Por estas razões, optou-se pelo uso de um modelo estatístico, para a fixação dos Valores de Referência de Leituras da Instrumentação. Chegou-se à conclusão que a fixação de valores para caracterizar Limites de Alerta e/ou de Emergência, de todos os instrumentos, careceria de significado para as barragens em pauta. O critério recomendado previu que Situações de Alerta ou Atenção são atingidas quando os Valores de Referência de Leituras são ultrapassados ou, quando as medições indicarem o início de uma tendência, que fuja do padrão estabelecido ao longo do tempo, que é função das ações atuantes e seus efeitos. Foi feita uma análise da série histórica da instrumentação, com individualização de tendências e variações sazonais, e identificadas características do processo estacionário resultante (essencialmente desvio padrão). A partir destas análises foram estabelecidos critérios técnicos e estatísticos para fixação de níveis de referência. Os Valores de Referência de Leituras, máximos e mínimos, foram determinados a partir de critérios estatísticos, de tal maneira que 95% das leituras históricas ficassem dentro da faixa histórica. Definiram-se “Situações de Alerta”, a partir de leituras de instrumentos, aquelas onde venham a ocorrer:
• medição de qualquer instrumento relacionado como importante para as avaliações de segurança da estrutura fora da faixa de Valores de Referência e manutenção deste valor mesmo após terem sido tomadas as precauções normais de verificação de consistência de leitura;
• manutenção do valor médio de cinco leituras consecutivas, efetuadas no mesmo instrumento, com espaçamento semanal entre elas, próximo da medida considerada anômala;
• alteração na Tendência de Leitura, seja de aumento ou diminuição de valor medido. Esta alteração, em geral, pode ser notada visualmente a partir da elaboração de gráficos temporais da grandeza medida, tanto a longo prazo, quanto de curto prazo. Caso a tendência tenha se modificado, mesmo que os Valores de Referência de Leitura não tenham sido ultrapassados, configura-se um caso de Situação de Alerta.
Definiu-se “Situações de Emergência” como aquelas que podem ser detectadas caso inspeções periódicas efetuadas indiquem fatos extraordinários (surgências que possam levar a “piping”, trincas inesperadas, problemas na interface de equipamentos mecânicos com as estruturas civis, etc.) ou acontecimentos inusitados (sismo, galgamento, cheia excepcional, etc).
No caso dos piezômetros instalados nas estruturas de concreto das UHE Ilha Solteira e Eng° Souza Dias (Jupiá), foi fixado, deterministicamente, um “Limite de Emergência” como uma linha definida a partir do critério de projeto utilizado para verificar a estabilidade dos blocos estruturais. Não se prevê que um instrumento, localizado em qualquer uma das barragens da CESP, em questão, indique valores que configurem uma Situação de Emergência, exceto se uma Situação de Alerta tiver sido identificada e nenhuma providência tenha sido tomada.
8 - CRITÉRIOS PARA FIXAÇÃO DE FREQÜÊNCIAS DE LEITURAS
Segundo entendimento do Comitê Brasileiro de Barragens (1995) “As freqüências de leitura da instrumentação devem ser adequadas aos desempenhos previstos no Projeto para as fases de construção da barragem, primeiro enchimento do reservatório e operação e para possibilitar o acompanhamento das velocidades de variação das grandezas medidas, levando-se em consideração a precisão dos instrumentos e a importância dessas grandezas na avaliação do desempenho real da estrutura.” A CESP desenvolveu, ao longo dos anos, uma capacitação exemplar no que tange à avaliação do comportamento de suas barragens tanto sob o aspecto de inspeções visuais quanto de acompanhamento da instrumentação. Graças às informações disponíveis, na CESP, sobre avaliação do comportamento de suas barragens tanto sob o aspecto de inspeções visuais quanto de acompanhamento da instrumentação foi possível, no trabalho em curso:
avaliar, qualitativamente, o envelhecimento ou deterioração que os materiais tenham sofrido; avaliar, qualitativamente, deteriorações que as estruturas sofreram devido a ações normalmente não consideradas nos cálculos mas passíveis de ocorrer, tais como erosões e cavitações; tomar conhecimento de fenômenos que ocorreram e que ainda apresentam suas marcas; ocorrências que continuam a evoluir tais como reações químicas deletérias e imprevisíveis na época da construção; comportamentos inesperados, anormalidades detectadas através de medições, etc.; verificar que instrumentos estão inutilizados, quais foram instalados durante a fase de operação e quais apresentam comportamento adequado.
A maior parte da instrumentação instalada em Ilha Solteira, Eng° Souza Dias (Jupiá), Jaguari e Paraibuna-Paraitinga teve como objetivo principal verificar as hipóteses, os critérios e os parâmetros adotados em projeto, a adequação de métodos construtivos bem como a obediência das estruturas de terra e concreto aos critérios de segurança correntes. Alguns instrumentos foram instalados, nestas obras, para obtenção de informações de peças estruturais particulares, nas quais se antecipava a possibilidade de maiores discrepâncias entre o esquema estático adotado para o cálculo, forçosamente simplificado se comparado com os recursos atualmente disponíveis e a evolução da técnica e, o comportamento real, com vistas principalmente à obtenção de elementos esclarecedores para futuros projetos. Outros instrumentos foram instalados, com o fito de facilitar a aquisição de conhecimento nacional na área de fabricação e instalação de aparelhos.
Uma quantidade pequena, de certos instrumentos, foi instalada em alguns empreendimentos com a finalidade de pesquisa. Finalmente, alguns foram instalados com função temporária, para determinar a eficácia de tratamentos específicos ou ajudar na determinação de certos parâmetros. As inspeções efetuadas nas várias estruturas e as análises dos instrumentos mostram que as barragens objeto deste trabalho têm tido um comportamento global próximo do esperado. A maioria dos aparelhos indica uma estabilização de leituras já há muito ocorrida. Poucos apresentam variações contínuas ou discrepantes de um comportamento esperado. Por estas razões foi possível diminuir-se a freqüência de leituras de quase todos os instrumentos, mantendo-se uma periodicidade menor para os diretamente relacionados com a segurança das
estruturas. Alguns tipos de instrumentos, que já cumpriram sua função principal no monitoramento, poderiam ter suas leituras menos freqüentes. Outros, que foram instalados atendendo a finalidades mais relacionadas às fases de construção e início de operação poderiam ser lidos em períodos bem mais longos, com a finalidade de manutenção de um banco de dados relativamente atualizado e para atender a uma eventual necessidade de informação complementar no futuro. Por último, há os aparelhos que simplesmente poderiam ser descartados, sendo sua leitura interrompida. As freqüências recomendadas para cada tipo de instrumento das barragens de terra e concreto da CESP estão indicadas nas Tabelas 2 e 3:
TABELA 2 – Frequências de Leitura Recomendadas para a Instrumentação das Barragens de Terra – Enrocamento, da CESP
TIPO DE INSTRUMENTO APÓS CERCA DE 30 ANOS DE OPERAÇÃO
Piezômetros Mensal (para alguns instrumentos) Bimestral (para os demais)
Medidores de recalque Anual
Medidores de N.A. Mensal (para alguns instrumentos) Bimestral (para os demais)
Medidores de vazão Mensal Marcos superficiais Anual
OBS:- Considera-se desnecessária a continuidade de leituras de inclinômetros;
Considera-se desnecessária a continuidade de leituras de poços de alívio, desde que tenha sido implantado sistema de coleta das águas e medição das vazões.
TABELA 3 – Freqüências de Leitura Recomendadas para a Instrumentação das Barragens de Concreto e suas Fundações, da CESP
TIPO DE INSTRUMENTO APÓS CERCA DE 30 ANOS DE OPERAÇÃO
Extensômetro de hastes Mensal Extensômetros para concreto Anual Extensômetros de grande base Anual Medidores de vazão
• leituras globais nas canaletas
• vazões localizadas
− juntas
− poços coletores
− drenos
Mensal
Trimestral Mensal Trimestral Medidores de juntas Mensal
Piezômetros Mensal (para alguns
instrumentos)
Bimestral (para os demais)
Pendulos Mensal
Tensômetro de armadura Anual
Termômetro Anual
Medidores de pressão intersticial Anual
OBS.:- Considera-se desnecessária a continuidade de leituras das temperaturas da água do reservatório.
9 - CONCLUSÕES
Verificou-se que, após muitos anos de operação, ocorreram mudanças nas características dos materiais devido ao envelhecimento, às ciclagens e à ocorrência de reações químicas. Em todas as estruturas inspecionadas foram observadas algumas anomalias, mas que não afetam a segurança das estruturas civis consideradas;
A fixação de “valores limites” bem como de “situações de atenção e alerta” para todos os instrumentos instalados é fundamental para um acompanhamento do comportamento das estruturas e para a detecção precoce de anomalias que estejam sendo detectadas e que poderiam passar, de outra maneira, desapercebidas;
A instrumentação de auscultação deve passar, periodicamente, por revisões em sua freqüência de leituras. Maior valor tem a qualidade que a quantidade de leituras obtidas;
São importantes para a segurança das estruturas civis de barramentos hidráulicos as inspeções e análises de comportamento efetuadas, periodicamente, por equipes multidisciplinares;
A reavaliação da instrumentação possibilitou à CESP uma revisão de seus procedimentos de acompanhamento da segurança de suas estruturas civis, nos aspectos que envolvem apresentação de resultados do comportamento dos instrumentos de auscultação.
10 - AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem as autorizações da CESP e da THEMAG para a divulgação deste trabalho. Especial agradecimento aos engenheiros Mauro Hermógenes Lopes Couvre, Toyoharu Komatsu, Marco Antonio Marques, Haruo Kuratani, Euclydes Cestari Jr., Wilerson Cestari, Silvio Sâmara, Aguinaldo Lima de Moraes, João Alberto Cardoso Oliveira, técnico Luiz Alberto Costa, da CESP, engenheiros Kenia Damasceno Kimura, Lia Marina Knapp, Renata Saud Martinez, Cláudio Casarin, Klaus Zoellner, e Marcelo Cardoso Gontijo, da Themag e ao Prof. Dr. Waldemar Hachich.
11 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. Comitê Brasileiro de Barragens – “Auscultação e instrumentação de barragens no Brasil”, Junho/1995.
2. Themag – Diversos relatórios sobre a reavaliação, complementação, fixação de valores limites e fixação de freqüências de leituras da instrumentação civil das barragens da CESP – Nov/2000.
3. CESP – Projetos completos das usinas Ilha Solteira, Jaguari, Jupiá, Paraibuna e barragem Paraitinga e diversos relatórios de instrumentação.
4. CESP – Sistema informatizado de segurança de barragens – SICESP.
5. Kuperman,S.C., Moretti,M.R., Cifu, S., Celestino,T.B., Re,G, Zoellner,K., Pínfari,J.C., Carneiro,E.F., Rossetto,S.L.G., Reigada,R.P. “Critérios para fixação de valores limites da instrumentação civil de barragens de concreto e terra”, XXV SNDB, Salvador, 2003.