ESTUDOS INICIAIS DE RECUPERACAO DAS ESTRUTURAS DE

CONCRETO DO BARRAMENTO E ADUCAO DA USINAHIDROELETRICA ILHA DOS POMBOS

Eng° Carlos Fernando da Rocha Santos

LIGHT - Servigos de Eletricidade S.A.

Eng° Luciano Nobre Varella

ELETROBRAS

RESUMO

0 traba/ho apresenta os estudos iniciais para a recuperacao das estruturas deconcreto da Usina Hidreletrica llha dos Pombos, Iocalizada no rio Paraiba do Sul,construida na decada de 20. Descreve as anornalias observadas nas estruturas,bem como as sondagens rotativas executadas, os ensaios de perda d'agua nocontato concreto-rocha, as ensaios de laboratorio, a instrumentagao deauscultacao instalada e a resultado da analise da subpressao. Mostra os critariose os resultados da analise de estabilidade das estruturas. Conclue que todas asestruturas de concreto necessitam de reparo, de modo a garantir o seufuncionamento dentro de critarios atuais de seguranga.

1. INTRODUCAO

A usina hidreletrica de llha dos Pombos de propriedade da Light Servigos de Eletricidade S.A., foi construldaem 1924 pela Brazilian Hydro Electric Company Ltda no rio Paraiba, entre as municipios de Carmo no Estadodo Rio de Janeiro e Alem Paraiba, no Estado de Minas Gerais, inicialmente com dois grupos geradores, queforam ampliados nos anos subsequentes para cinco unidades. A usina encontra-se em operacao, faz panedo Sistema de Geracao da Regiao Sudeste do Brasil e tem capacidade instalada total de 165 MW.

Os estudos para recuperagdo da usina aqui apresentados referem-se a prestacao de servigos de engenhariacontratados corn a Promon Engenharia Ltda e foram realizados em 1983 com a finalidade de diagnosticar oestado geral das estruturas de barramento de concreto do aproveitamento e de avaliar a viabilidade de suarecuperacao. Atualmente estes estudos estao sendo aprofundados, com o suporte de investigag6es decampo complementares as inicialmente executadas.

Ate a presente data nenhuma obra de recuperacao foi realizada na usina.

2. DESCRICAO GERAL DO APROVEITAMENTO

A ilustragAo a seguir mostra o arranjo geral do aproveitamento.A barragem principal de concreto do tipo gravidade tern um comprimento de 550 m e altura maxima de '27m.Os vertedouros, 8 comportas tipo Stoney e 3 tipo setor automatico, sao incorporados a Barragem.A tomada d'agua do canal adutor a um prolongamento da barragem principal. 0 canal adutor, de 3 km deextensao, foi formado atraves da construgAo de 7 pequenos diques de terra e um paredao de concreto de250 m de comprimento, 20 m de altura maxima e largura maxima na base de 12,5 m.

A tomada d'agua da usina posiciona-se transversal mente a extremidade de jusante do paredao.

3. BREVE HISTORICO

O paredao do Canal Adutor e a estrutura que apresentou as maiores e mais serios problemas estruturais,desde o inicio da operacao da usina, logo apos sua execug5o.O paredao tern 250 m de comprimento atingindo 20 m de altura maxima e 12,5 m de largura na base. A lar-

gura da crista a de 1,70 m e esta na cota 140 m.

E dotado de uma comporta de segmento, localizada a 170 m da tomada da usina, e de uma outra a 35,0 mabrigando urn par de comportas (uma deslizante e outra tipo lagarta) cuja finalidade seria promover o desas-soreamento da bacia de carga.

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0 traco utilizado na construcao do paredao foi de aproximadamente 183 kgf/m3.

Desde o inicio observou -se o aparecimento de mufta umidade no paramento de jusante devido assegregag6es existentes no concreto e a elevada permeabilidade das juntas entre camadas de concretagem.Em 1948 foram realizadas medicoes de vazao durante um abaixamento do nivel d 'agua do canal obtendo-seos seguintes valores para cada posicao do N.A.

Nfvel d ' agua ( m) Vazao (I/s)

137,00 12,7

138,10 18,4

139,20 23,7

139,80 38,0

Foram desenvolvidos varios estudos de reforco e reparo no paredao, tendo sido analisadas as seguintespossibilidades:

• reforgo e vedacao junto ao paramento de montante;

• reforco e vedacao junto ao paramento de jusante;• impermeabilizacao por cortina de injecao de cimento;

• eliminagao do paredao mediante a construcao de uma nova barragem;

• construg5o de contrafortes para melhoria das condicoes de estabilidade do paredao cujoscalculos estaticos indicavam instavel.

Em dezembro de 1948 foram realizadas analises comparativas tendo -se optado pela execucao de contrafor-tes que alem de mais econ & mico apresentavam as seguintes vantagens:

• nao haveria dependencia quanto a necessidade de se conseguir a ligagdo entre o concreto novo eo velho;

• a escavarao no pe do paredao seria feita em intervalos , no trecho de implantagao doscontrafortes.

Em marco de 1952 foi iniciada a construg5o dos contrafortes , num total de 11, ate o final de 1953. Em 1956foi construfdo mais um contraforte . No entanto foram construfdos apenas metade dos contrafortes propos-tos.

Cabe observar que os contrafortes foram executados com a usina em operacao normal , ou seja , com o nfveld'agua no canal adutor variando entre as cotas 139,50 m e 140 m. Consideracoes sobre essas condicoes saofeitas adiante na proposicao das obras de reparo do paredao.

Alem da execug5o dos contrafortes , tendo em vista as elevadas infiltraroes que se observavam atraves doconcreto do paredao , foram tambem executadas injecoes de cimento , primeiramente no ano de 1954 eposteriormente em 1956.

Inspecoes realizadas durante operaroes de rebaixamento do nfvel d 'agua e tambem com mergulhadores, in-dicavam que a estrutura apresentava -se extremamente porosa, com blocos de concreto soltos e variasrachaduras.

Devido as precarias condig6es do concreto do paredao foram tomadas precaucoes especiais para aexecug5o das injecoes de cimento . As injecoes eram iniciadas a partir da crista em estagios de 2,0 m ate afundagdo . Os primeiros 5,4 m foram injetados a partir da crista e os remanescentes a partir do paramento dejusante . As pressoes variaram desde a gravitacional para preenchimento de vazios ate a maxima de 5,2kgf/cm2 onde a absorg5o era pequena ou inexistente.

Como resultado, pode -se salientar que as injeg6es implicaram em uma redug5o significativa das vazoes deinfiltracao . Existem , porem , ainda regioes que apresentam infiltrag6es atraves das juntas de concretagemhorizontais , pois como se sabe , nao se consegue , com calda de cimento comum , injetar eficientemente fis-suras com espessura inferior a 0,5 mm.

A intensa carbonag5o observada hoje ao longo do paramento de jusante indica a possibilidade de perda deeficiencia das injecoes ao longo do tempo.

4. SITUAcAO DAS DEMAIS ESTRUTURAS DE CONCRETO

A estrutura da barragem principal tem comprimento de 550 m e incorpora seis comportas planas (A, B, C, D,E e F) e tres comportas tipo setor flutuantes (K, L e M ) com 45m de comprimento e 13 m de altura cada uma,projetadas para funcionar automaticamente , e que na epoca da realizadao deste estudo permaneciam semutilizarao ja ha 10 anos . Entre as comportas setor flutuantes situam - se as comportas planas G e H.

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Essas estruturas apresentam os seguintes problemas:

Comporta A: - fissuras nas juntas de concretagem dos pilares;

- erosao na laje de fundo;

- infiltragao elevada corn a comporta fechada.Comporta B: - fissuras inclinadas entre as juntas de concretagem dos pilares;

- fissuras na laje do fundo que se prolonga pelo pilar direito que pode ter sido causada porrecalque diferencial.

Comporta C: - fissuras na base do pilar esquerdo junto a laje do fundo.

Comporta D: - fissuras na base do pilar direito.

Comporta E: - fissuras nas juntas de concretagem dos pilares.

Comporta F: - fissuras nas juntas de concretagem dos pilares.

Todas essas estruturas apresentam desgastes excessivos nas ranhuras das comportas e stop logs.

Comporta G: - fissuras muito abertas no pilar direito;

- aberturas excessivas nas juntas de concretagem;- fissuras verticais nos pilares.

Comporta H: - situagao de fissuragao dos pilares melhor que as demais estruturas.

Comporta Setor Flutuante K e L - fissuras horizontais nos pilares.

Comporta Setor Flutuante M - fissura de uma junta horizontal de concretagem tanto no pilar direito quanto noesquerdo a mesma altura.

Cumpre observar que as estruturas de concreto armado dos setores flutuantes encontram -se em perfeito es-tado.

Estrutura da Barragem: - superficie de concreto desgastada pelo ataque da agua mas a durabilidade damassy nao esta comprometida;

- evidencia de infiltragao ao longo das juntas de concretagem.

Estrutura da tomadad'agua da usina: - abrasao do concreto na entrada, junto As grades;

- carbonatagao excessiva a jusante;

- infiltragao atraves das juntas de concretagem;

- armadura exposta na face inferior do "deck".

5. INVESTIGACOES REALIZADAS

0 piano de investigagoes realizado nas estruturas de concreto para o estudo de sua recuperagao teve osseguintes objetivos basicos:

a) Proceder a uma amostragem do concreto, que fosse a mais continua posslvel e que abrangessetoda a extensao entre a crista e a base da estrutura, incluindo a regiao superficial da fundagao.

b) Proceder a amostragem, tanto do concreto do paredao, quanto do concreto dos contrafortes, porterem sidos realizados em 6pocas bern distintas, e do concreto da barragem.

c) Aproveitar as sondagens realizadas para a instalacao de instrumentos de auscultagao, visandodotar a estrutura de um sistema que permitisse o controle de suas condigoes de seguranga durantea sua vida util.

Foram realizados ensaios de laboratorio a partir de testemunhos de sondagem NX ((P 76 mm), por per-mitirem a amostragern continua ao longo de toda a altura do paredao, a um custo razoavel, porem sabendo-se que estes testemunhos nao forneceriam corpos de prova dos mais adequados para a realizagao dosensaios de laboratorio. Esta restrigao seria compensada pela realizacao de um major riumero de ensaios delaboratorio, tendo em vista a possibilidade de um tratamento estatfstico adequado.

Ao se proceder a locagao das sondagens rotativas, teve-se em mente tanto a investigagao e a amostragemdo concreto quanto a instalaCao de instrumentos de controle, visto que o grande custo na instrumentacaoesta justamente na execugao das sondagens para a instalagao dos piezometros e extensometros multiplos.

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5.1 Sondagens Rotativas

Foram realizadas campanhas de extragao de testemunhos cujo objetivo foi o de examinar o concreto do in-terior da massa. Os testemunhos foram retirados em diferentes locais do paredao do canal adutor e bar-ragem principal. Urna analise visual dos testemunhos permitiu dar uma ideia da heterogeneidade da massade concreto. Com efeito, foi claramente notada a existencia, em varios niveis de concreto homogdneo deboa qualidade, concreto poroso, concreto apresentando segregagoes desde pequenos orificios ateexistancia de praticamente pedra sem argamassa, mistura de argila no concreto e rocha de fundacao.Nos locais de segregagao intensa , onde praticamente inexiste a argamassa , nota-se a deposigao de car-bonato de calcio sobre as pedras, o que indica que alam da carbonatagao existente nas faces extemas,tambam existe a carbonatagao no interior da massa.

Sao apresentados adiante os perfis obtidos nos furos SR-02, SR-04, SR-05, executados na elevagao 141,00do paredao do canal adutor e SR-06, SR-07, SR-08 e SR-09 na elevagao 141,00 da barragem principal.

5.2 Ensaios de perda d'ggua no contato concreto-rocha.

Ao tarmino da execurao das sondagens rotativas, programadas para extragao de testemunhos e instalagaode piezometros de fundagao, foram realizados ensaios de perda d'agua no contato concreto-rocha, com oobjetivo de permitir uma avaliagao do coeficiente de permeabilidade deste contato. Na tabela , a seguir,apresentam-se os resultados destes ensaios.

Resultados dos ensaios de perda d'agua executados no contato concreto-rocha

SONDAGEM ENSAIO DE PERDA D'AGUA

ESTRUTURA ROTATIVAPRESSAO (kfg/cm2) Vazao (I/min/m)

PAREDAO SR-2 1,073 21,9

SR-4 1,075 3,2

SR-5 1,050 2,6

BARRAGEM SR-6 1,158 9,0

PRINCIPAL SR-7 1,165 nao absorveu

SR-8 1,124 2,2

SR-9 2,075 nao absorveu

Sabendo-se que estes ensaios foram realizados em sondagens rotativas com 3" de diametro (NX) e queexiste uma correlagao direta entre a perda d'agua especifica e o coeficiente de permeabilidade do materialensaiado, atravas da relagao:

1,0 x I/min/m/kgf/cm2 = 10-4 cm/s

verifica-se, entao, que nos locals onde ocorreu absorgao o coeficiente de permeabilidade variou entre 2 x10-3e 2 x 104 cm/s.

Estes ensaios vieram indicar ainda que o contato concreto-rocha na regiao das comportas " B" a"F', da Bar-ragem Principal, apresenta-se de um modo geral bem menos perme6vel que no paredao e que as maioresperdas d'agua observadas nas sondagens SR-2 e SR-6 parecem explicar as maiores subpress6es dospiezometros pZ-L e pZ-IV, ai instalados, em relacao as subpress6es previstas.

5.3 Ensaios de Laborat6rio

5.3.1 Amostras selecionadas

Uma vez extraidos todos os testemunhos programados foram selecionados os corpos de prova que seriamsubmetidos a ensaios de resistencia a compressao, determinagao do peso especifico e m6dulo de elas-ticidade do concreto.

0 critario de selegao dos corpos de prova foi adotado no sentido de obter a maxima representatividade damassa do concreto.

5.3.2 Determinag6es da massa especifica

Os ensaios foram executados, segundo o mr todo ASTM C-642, em 17 corpos de prova, os quais posterior-mente foram submetidos a ensaios para determinagdo da compressao axial. 0 resultado m6dio foi de 2,3ton/m3. Os resultados constam da tabela a seguir.

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CORPO DE PROVA PROFUNDIDADE

(m)

M.ESPECIFICA APARENTE

(ton/m)

SR-02 1,50 - 1,60 2,53SR-02 1,90 - 2,00 2,23SR-04 1 ,20 - 1,35 2,32SR-04 3,15 - 3,30 2,21SR-04 11,20 11,40 2,20SR-05 1,45 - 1,30 2,36SR-05 3,05 - 3,20 2,23SR-06 1,15 - 1,30 2,30SR-06 4,35 4,50 2,26SR-06 8 , 15 - 8,25 2,26SR-07 3,20 - 3, 35 2,28SR-07 8,70 - 8,85 2,34SR-07 21,35 - 21 , 50 2,41SR-08 18 , 10 - 18,25 2,05SR-08 2 , 30 - 2,45 2,30SR-09 5,52 - 5,40 2,32SR-09 12,45 - 12,60 2,58

Q = 0,13

Para fins de calculo foi utilizado 2,20 ton/rn3 valor esse que leva em conta as segregagoes existentes noconcreto.

5.3.3 Determinarao da resistencia a compressao axial

Para que os ensaios fossem executados conforme o metodo MB-3 da ABTN os corpos de prova deveriampossuir o diametro mfnimo de 0,15m. Entretanto, pela impraticabilidade de extracao de corpos de prova nor-mais a profundidades superiores a 1,0 m, optou-se pelo ensaio de corpos de prova com 0,05 m de diametro.

Foram inicialmente selecionados 13 corpos de prova do concreto para serem submetidos a compressaoaxial. Os cortes foram efetuados com serra de diamante e os corpos de prova capeados com enxofre. Nestaprimeira serie para ensaio houve o cuidado de uma selegao bem demonstrativa da heterogeneidade damassa, havendo corpos de prova de concreto homogeneo, com segregaroes, argamassa pura, concretoporoso, enfim todas as situacoes que poderfamos encontrar na massa. Os resultados desta serie constam databela a seguir.

EXTRAgAOPROFUNDIDADE

(m)RESISTENCIA A COMPRESSAO

(MPa)

SR-02 1,50 1,60 12,1

SR-02 1,90 2,00 5,5

SR-03 8,40 8,50 7,4

SR-04 1,20 1,35 21,7SR-04 3,15 3,30 9,5

SR-04 11,20 11,40 11,9SR-05 1,45 1,60 13,8SR-05 3,05 3,20 8,5

SR-06 1,15 1,30 19,9SR-06 4,35 4,50 12.7SR-06 8,15 8,25 20,3SR-07 3.20 3,25 17.6SR-07 8,70 8,85 22,5SR-07 21,35 21,50 34,3SR-08 18,10 18,25 11,2SR-08 2,30 2,45 13.5SR-09 5,25 5,40 17,2SR-09 12,45 12,60 17,0SR-09 14,05 14,20 9,4 Q=6,81

0 resultado medio dos ensaios desta primeira serie foi de 15,1 MPa.

Em uma segunda fase foram selecionados corpos de prova mais densos, onde procurou-se concretos semsegregacoes aparentes. Os resultados estao contidos na tabela a seguir.

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C.P. NOPROFUNDIDADE

(M)RESISTENCIA A

COMPRESSAO (MPa)OBSERVACAO

SR-02 9,05 - 9,15 13,5

SR-02 11;70 - 11,85 12,6

SR-03 3,70 - 8,90 21,8

SR-09 8,35 - 8,50 32,0

SR-01 0,80 - 1,00 29 ,3 Concentrarao do pedras de grande diametro.

SR-02 8 ,50 - 8,80 18 ,1 Agregado de diametro pequeno.

SR-03 5,00 - 5,20 32,4

SR-07 21,80 - 22,00 24,0 Concentracao de pedras de grande diametro.

SR-09 5,15 - 5,30 26,4 Concentracao de pedras de grande diametro.

SR-07 17,70 - 17,85 36,0

SR-05 3,50 - 3,65 21,8 Aparentemente segregado.

SR-03 7,80 - 8,00 15,1 Agregado de diametro pequeno.

SR-01 7,35 - 7,50 16,8SR-08 12,45 - 12,60 30,3SR-08 4,30 - 4,45 21,0 Aparentemente com concreto mais pobre.

SR-04 9,70 - 9,85 11,8 Agregado de diametro pequeno

(I=7,74

0 resultado medio destes ensaios foi de 22,7 MPa. Em concretos de massa o criterio adotado para aresistencia a compressao do concreto tem sido o da media, com apenas correcao de peneiramento, quandonecessario. Este criterio, conforme recomendacao do consultor Roy Carlson, tem sido adotado em grandesprojetos de barragens no Brasil.

Se tomarmos apenas os corpos de prova com diametro maximo compativel com o diametro do corpo deprova, teremos resultados medios de cerca de 15,0 MPa.

O fck estimado para os corpos de prova acima, aplicando o criterio da MB-1, a de 12,2 MPa.

5.3.4 Determinacao do modulo de deformabilidade

Foram efetuados ensaios para determinarao do modulo de deformabilidade do concreto, utilizando-se oscorpos de prova extraidos. Na realidade trata-se de uma estimativa, uma vez que as dimensoes dos corposde prova nao se apresentaram, de um modo geral, compativeis com o diametro maximo do agregado e, con-sequentemente, com o metodo de ensaio.

Os resultados constam da tabela abaixo.

Determinacao do M6dulo de Deformabilidade

IDENTIFICACAO - C.A. TENSAO DEF. ESPECIFICA MODULO DE DEFOR-

N° S.R. No(MPa) E (x 10-) MABILIDADE E (MPa)

8 4 11,5 64 18.000

9 4 11,5 104 11.000

3 2 6,5 34 19.000

4 2 6,5 58 11.000

13 5 8,9 52 17.000

14 5 8,9 72 12.000

17 6 14,1 108 13.000

21 7 19,8 72 28.000

23 8 9 , 9 54 18.000

26 9 11,6 62 19.000

M6dulo de deformabilidade mOdio 16.600

Portarlto Emed = 166.000 kgf/cm2

Desvio padrao = 51.900 kgf/cm2

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6. INSTRUMENTACAO DO PAREDAO

6.1 Objetivos da InstrumentagioDentro dos criterios atuais de seguranga, toda barragem de grande porte deve ser dotada de umainstrumentagao basica, objetivando o acompanhamento e controle de seu desempenho durante o perfodooperacional. Particularmente a estrutura de concreto do paredao do Canal Adutor, com altura maxima decerca de 20 metros, qualifica-a como uma barragern de grande pone (H > 15m), recomendando-a, portanto,para receber um piano de instrumentagao.

Decidiu-se pois pela instalagao de alguns piezometros de fundagao tipo "stand-pipe" e extensometrosmultiplos de hastes, instrumentos estes simples nos seus princfpios de funcionamento e faceis de operar.

6.2 Critarios de Locagbo dos Instrumentos

Ao se proceder a locagao dos instrumentos procurou-se concentrar um major numero de instrumentos naestrutura do paredao, em virtude de sua major altura e, consequentemente, de suas condigoes de es-tabilidade mais criticas. Decidiu-se pois, pela instalagoo de 3 piezometros e 2 extens6metros multiplos noparedao e, na Barragem principal, de 2 piezometros que foram posteriormente ampliados para 4 unidades.

Tendo em vista que o objetivo das sondagens para instalagao dos piezometros e extensometros multiplos,era tambem o de possibilitar uma amostragem do concreto no interior da estrutura, procurou-se no caso doparedao, locar as sondagens em regioes mais criticas da estrutura, conforme indicagoes das inspegoesrealizadas atualmente e no passado, e das zonas de maior absorgao, reveladas pelos registros das injegoesde cimento realizadas na dacada de 50.

Os piezometros foram locados com o objetivo essencial de informar sobre as condigoes de subpressao nocontato concreto-rocha, enquanto que os extensometros multiplos foram instalados essencialmente para aobservagao de eventuais desiocamentos cisalhantes ao longo deste mesmo contato.

6.3 PiezBmetros de Fundagio

Os piezometros instalados nas estruturas de concreto do paredao e da Barragem Principal sao do tipo"stand-pipe", constituldo por um tubo de PVC com diametro de 3/4", dotado de um tampao em sua ex-tremidade inferior e com as suas paredes perfuradas ao longo de uma extensao de 1,0 m a partir de 5,0 cmda extremidade inferior.

0 diametro desses furos a de 3mm, dispostos segundo 4 linhas longitudinais, espagados de 2,0 cm entre si.0 trecho perfurado a envoito com duas camadas de BIDIM OP-30 (300g/m2), adequadamente fixadas comlinhas de nylon.

Estes piezometros foram instalados a partir de sondagens rotativas NX, com 7,6 cm de diametro, executadasa partir da crista das estruturas ate cerca de 2,0 m abaixo do contato concreto-rocha.

No trecho de medida, que engloba exatamente o contato concreto-rocha, o espago entre o tubo deplezdmetro e as paredes do furo de sondagens sao preenchidos por uma camada de areia lavada(granulometria que passa na peneira 4 e fica retida na peneira 8), que se estende do fundo da sondagem ate0,5m acima do contato concreto-rocha. Portanto, o bulbo de medida do piezometro possui cerca de 2,5m deextensao. 0 restante da sondagem a preenchida com calda de cimento.

6.4 Extens6metros Multiplos

Estes instrumentos foram instalados a partir de furos de sondagem rotativa de diametro NX (3"). Consisternbasicamente de duas hastes metalicas, solidarias na sua extremidade inferior a uma ancoragem fixada nasparedes da sondagem com calda de cimento e protegidas por uma mangueira flexivel em toda a suaextensao, ate a boca da sondagem onde se encontra a cabega do extensometro sao medidos com umreldgio comparador, com campo de leitura de 1 Omm e sensibilidade de 0,01 mm.

A ancoragern inferior encontra-se instalada na rocha, logo abaixo da superffcie da fundagao, e a superior noconcreto da estrutura, imediatamente acima do contato concreto-rocha, de tal forma que qualquer des-locamento diferencial entre as duas hastes se traduzirao em um deslocamento cisalhante ao longo destecontato.

7. SUBPRESSOES OBSERVADAS NO CONTATO CONCRETO-ROCHA

Foi feita uma analise das subpressoes registradas pelos piezometros instalados no contato concreto-rochade fundagao, nas estruturas de concreto do paredao do canal adutor e da barragem principal.

Na tabela a seguir apresenta-se uma comparagoo entre as subpressoes observadas em 26/04/83, com onfvel do reservatorio na El. 140,00m e do canal de,adugao na El. 139,60m (a montante do paredao) e assubpressoes previstas. Estas foram calculadas admitindo-se uma queda linear de subpressao, ao longo docontato concreto-rocha, entre o nfvel do reservatorio a montante e o nfvel d'agua a jusante.

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COMPARACAO ENTRE SUBPRESSOES MEDIDAS E PREVISTAS

PIEZOMETRO I II III IV V VI VII

MEDIDA 139,50 137,40 138,86 138,98 136,10 131 , 27 131,12

PREVISTA 138,80 138 , 80 138 , 90 137,60 138 , 20 138,20 138,00

a) No paredao, os piezometros de fundacao evidenciaram subpressoes muito proximas aquelas calculadas,admitindo-se uma queda linear entre montante e jusante, a saber:

- Contraforte no 6: subpressao 0,7m acima do valor previsto;

Contraforte no 10: subpressao 1,4m abaixo do valor previsto;

- Contraforte n° 19: subpressao 0,04m acima do valor previsto;

A major subpressao observada na regiao dos contrafortes no 6 e 19, deve-se, provavelmente, aocorrencia de uma anomalia no concreto, na regiao do contato concreto-rocha, que estaria provocandourn caminho mais permeavel a montante, em relacao a regiao de jusante. Esta anomalia poderia se tratarde uma regiao de concreto poroso ou de uma junta parcialmente aberta no concreto.

b) Na barragem principal, proxima a comporta "A", a subpressao apresenta-se ligeiramente acima do valorprevisto, indicando, entretanto, uma perda de carga de 1,2m em relacao ao nivel d'agua do reservatdrio.

c) Na fundacao das estruturas de concreto, correspondentes as comportas "B" a "F", as subpressoes obser-vadas apresentaram-se 2,0 a 7,0 m.c.a. (metros de coluna d'agua) abaixo dos valores previstos, o que seatribui provavelmente a perda de carga que estaria ocorrendo ao longo do talude vertical, entre concretoe rocha, e que foi desprezada nas avaliacoes teoricas. Deve-se destacar ainda que os tres ensaios deperda d'agua realizados na regiao do contato concreto-rocha, por ocasiao da execucao das sondagensrotativas SR-7, 8 e 9, indicaram absorcao d'Agua em somente uma delas, com uma vazao especffica deapenas 2,2 I/min/m (pressao de 1,124). Esta constatacao vem pois indicar um contato concreto-rochamuito pouco permeavel, na regiao mais a montante da fundacao desta estrutura de concreto (Comportas„B„ a °F").

8. ANALISES ESTRUTURAIS

Considerando-se o objetivo do trabalho realizado, de diagnosticar e avaliar a viabilidade da recuperagdo dasestruturas da usina, foram desenvolvidas as seguintes analises:

- Estabilidade global em relacao ao piano da base (contato concreto-rocha) das estruturas no seuestagio atual.

- Estabilidade global em relacao ao piano da base (contato concreto-rocha) considerando as alternativaspossfveis para estabelecer em cada estrutura coeficientes de seguranga e tensoes , compativels corncriterios atuais.

Os criterios de seguranca adotados obedeceram as diretrizes atuais recomendadas para avaliagao de segurangade barragens em operarao da Comissao de Seguranra do Comite Brasileiro de Grandes Barragens.

Os calculos de estabilidade foram desenvolvidos de acordo com os criterios e metodologia usuais sendoadotados os coeficientes de seguranga relativos as condicoes de carregamento normal (CCN), excepcional(CCE) e limite (CCL) conforme apresentado na Tabela 1.

Os valores dos coeficientes de seguranca minimos ao tombamento adotados sao inferiores aos es-tabelecidos pelo CBGB conforme mostra a tabela abaixo.

CONDIcOES DE CARREGAMENTO COEFICIENTES MINIMOS CBGB COEFICIENTES MINIMOS ADOTADOS

CCN 2,0 1,5

CCE 1,7 1,3

CCL 1.3 1,1

As seguintes justificativas devem ser consideradas para os valores adotados:

• Os coeficientes do CBGB sao muito conservadores e geralmente adotados na fase de projeto ondeexiste um major grau de incerteza em relagao a resposta da estrutura a aplicacao da cargahidrostatica.

• 0 coeficiente de seguranca ao tombamento isoladamente a um valor pobre de significado sendopreferivel um criterio de limitacao de tensoes na secao analisada.

- XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS - -51.

• Os valores adotados, e mesmo os do CBGB, sao excedidos largamente na maioria dos casos.

• Os valores 1,5; 1,3 e 1,1 tern sido adotados em barragens de concreto de grande porte como porexemplo : de Marimbondo , Tres Irmaos e outras.

Corn relagao as tensoes no contato concreto-rocha admitiu-se a hipbtese de distribuigao linear das tensoesnormais e que nao hA resistencia a tracao no contato concreto-rocha.

Nessa verificagao sao determinadas as tensoes no piano do contato concreto-rocha para atuagaosimultanea das cargas de peso prbprio, empuxo hidrostatico e subpressao, admitindo-se que a junta docontato concreto -rocha nao a capaz de resistir as tensoes de tragao impostas.

Nesse caso havers tendencia a formagao de uma fissura ao longo da zona tracionada onde a subpressaototal (diagrama retangular) atuara em toda extensao. Essa situagao faz corn que seja necessario recalcular astensoes na base corn a nova configuragao do diagrama de subpressoes e consequentemente corn aumentoda zona tracionada e da compressao a jusante e assirn progressivamente , limitando-se a tensao decompressao a jusante pelo valor da tensao de compressao admissivel na rocha de fundagao e/ou do con-creto.

Foi adotado como criterio de seguranga para verificagao das tensoes na base , o seguinte:

• 0 valor da tensao de compressao maxima nao devera exceder a tensao maxima admissivel acompressao da rocha de fundagao e/ou do concreto.

• A resistencia do contato concreto-rocha as tensoes de tragao impostas a desprezada.

• A extensao da zona tracionada nao devera ser major do que 10% do comprimento total da base.Nessas condigoes despreza-se o acrescimo do diagrama de subpressao nesse trecho de formagaode fissura.

Os carregamentos considerados foram:

- cargas devido ao peso prbprio: peso das estruturas de concreto mais o equipamento fixo. Pesoespecifico do concreto adotado foi de 22 kN/m3 de acordo corn os ensaios de peso especificorealizados nas amostras de testemunhos retirados no paredao do canal adutor e na barragemprincipal.

- Cargas hidrostaticas

- Subpressao no caso de. estruturas corn sistema de alivio foi adotado o criterio de subpressaoreduzida recomendado pelo U.S. Bureau of Reclamation.

- Cargas de aterro ou assoreamento

Paredao do Canal Adutor

Corn relacao a execucao dos contrafortes, embora nao esteja explicitamente indicado, a documentacao exis-tente, mostra que foram executados corn o n(vel d'agua no canal adutor na elevacao de operacao normal,variando de 139,50m a 140,00m.

Nessas condigoes, considerando-se que nao houve rebaixamento do n(vel d'agua para execucao dos con-trafortes nao pode ter havido mobilizagdo de esforgos do paredao sobre os contrafortes devido a empuxohidrostatico, uma vez que a El. 140,00m jA a o n(vel maximo d'agua no canal adutor.

Considerando-se a geometria dos contrafortes associada a inclinagao do paramento de jusante do paredao,em princ(pio, pode-se admitir que para as condicoes imediatamente apbs a construcao, os contrafortes des-carregam parte do seu peso sobre o paredao sendo a outra parte transmitida diretamente a fundagao.

Poderia ser admitida uma mobilizagao dos contrafortes por transferencia dos esforcos devidos ao empuxohidrostatico no paredao, considerando- se as deformagoes decorrentes da aplicacao dessa carga atuandopermanentemente sobre a estrutura por um tempo longo, como a o caso real. No entanto, uma analise maisaprofundada dessa interligagdo considerando os efeitos da deformarao lenta da estrutura foge ao Ambito dopresente estudo.

Portanto, a fim de avaliar tanto a situarao da mobilizagdo de esforgos nos contrafortes correspondente aexecucao dos contrafortes corn NA rebaixado (1° caso), como a que se considera mais provavel de ter ocor-rido, ou seja execucao dos contrafortes corn NA sem ser rebaixado 12° caso), essas duas hipbteses foramconsideradas. Foi analisada ainda a hipbtese que considera o equilibrio do paredao submetido ao esforcodecorrente do peso dos contrafortes nele apoiados na face de jusante, simultaneamente ao rebaixamento don(vel d ' Agua a montante , tendendo a tombar o muro no sentido de jusante para montante.

Esses casos de carregamento foram considerado conforme indicados a seguir:

.52- - XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS -

10 Caso : CCN - Hipbtese : Houve mobilizagao dos contrafortes devido a deformagao lenta da estrutura doparedao . Funcionamento conjunto paredao -contraforte.

Nivel d ' agua a montante El. 140,00

Subpressao total atuando apenas na base do paredao

Segao resistente na base considerando contraforte mais respectiva Area de influencia no paredao.

Material assoreado a montante ate El . 129,00

2° Caso: CCN - Hipbtese : Nao houve rebaixamento do nivel d ' agua para execugao dos contrafortes. Naoha mobilizagao dos contrafortes.

- Nivel d ' agua El . 140,00- Subpressao total atuando apenas na base do paredao

- Componente PN do peso do contraforte atuando sobre a face de jusante do paredao . Componente PTdesprezada

- Segao resistente na base considerando apenas o paredao- Material assoreado a montante ate a El . 129,00

3° Caso : CCL - Hipbtese : Nao houve rebaixamento do n(vel d'agua para execugao dos contrafortes.Verificagao necessaria para poss (vel abaixamento total do NA de montante nas condigoesatuais.

N(vel d ' agua a montante El. 120,00

Componente PN do peso do contraforte atuando sobre a face de jusante do paredao . Components PTdesprezada

- Segao resistente na base considerando apenas o paredao

Sem material assoreado a montante.

0 resumo dos resultados dos calculos desenvolvidos encontram -se na Tabela 2 onde sao apresentados oscoeficientes de seguranga obtidos nas verificaloes da estabilidade ao deslizamento, tombamento eflutuagao , bern como as tensoes maximas e m(nimas na fundagao calculadas na verfficagao da segurangadas estruturas pelos criterios das tensoes.

9. DIAGNOSTICO DAS ESTRUTURAS

9.1 Estado geral do concreto

As principals anomalies registradas nas inspegoes de campo , campanha de sondagens corn extragao de tes-temunhos , ensaios de laboratbrio , instalagao e instrumentagao de auscultagao e sues leituras podem serresumidas como segue:

Carbonatacao - Intensa nos paramentos de jusante , devido ao alto teor de calclo do cimento que empresenga das Aguas de infiftragao provoca uma reagao qulmica nociva ao concreto.

- XD( SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS - -53-

Infiltragoes - generalizadas nos paramentos de jusante, consequencia da falta de adensamento adequadodurante a construgao e excessive porosidade do concreto.

Composigao do concreto - corn baixo teor de cimento, sem controle da granulometria do agregado graudo.

Seareoacoes - intensas na massa de concreto, consequencia da nao vibragao do concreto durante aconstrugao.

Desgaste superficial - pronunciado no concreto nas regioes submetidas a grandes velocidades de agua.

Juntas de concretagem abertas - consequencia do desconhecimento na epoca da construgao dos proces-sor de tratamento adequado das juntas de concretagem.

Fissuragoes - de origem estrutural provocadas por recalques diferenciais e/ou dimensionamento estruturalinadequado.As infiltragoes existentes no concreto, responsaveis por umidade praticamente generalizada nas areas dosparamentos de jusante, devem-se aos seguintes fatores:

- dificuldades de preparagao de superficies de concretagem na epoca. Mesmo atualmente quando saoutilizadas tecnicas avangadas para retirada da nata de cimento superficial por jatos de alta pressao euse de concretos pre-refrigerados, que melhoram a aderencia entre camadas sucessivas, ainda assimas juntas de concretagem apresentam-se como locals preferenciais para passagem de agua.

use de concreto com baixo consumo de cimento levando em conta o diametro maximo do agregado, oque torna o concreto bastante poroso e consequentemente permeavel.As dosagens atuais utilizam quantidades de cimento inclusive mail baixas que a utilizada pars o projetoIlha dos Pombos (aproximadamente 183 kg/m3), porem com a utilizagao de diametros maximos deagregado de 152mm, o que permite diminuir a porcentagem de argamassa, e consequentemente arelagao a/c, tornando o concreto menos poroso em relagao a concretos de mesmo consumo ediametros menores de agregado.

inexistencia de vibragao do concreto na epoca causando grande quantidade de segregagoes na massa.As tecnicas de vibragao em concreto de massa foram utilizadas pela primeira vez nos Estados Unidospor volta de 1928 (vibragao de superficie), sendo que a vibragao eficiente por imersao comegou a serutilizada por voila de 1930.

Nos registros existentes comentam-se que as infiltragoes causaram umidade em grandes areas do paramen-to de jusante e em pontos localizados, tao logo o canal adutor foi alagado.

As injegoes realizadas, no paredao do canal adutor implicaram em sensivel redugao das infiltragoes, atuandoprincipalmente sobre os vazios existentes no concreto (segregagoes) e nas fissuras. As grandes infiltragoessob pressao praticamente desapareceram, permanecendo as infiltragoes menores, pelas juntas de con-cretagem. Corn efeito, as aberturas nas juntas de concretagem sao geralmente muito diminutas e as injegoesnao sao eficientes em aberturas menores que 0,5mm.

9.2 Estabilidade das estruturas

Avaliagao dos Coeficientes de Seguranga Obtidos a Luz dos Criterios Atuais.

Considerando-se os resultados obtidos na analise de estabilidade global das estruturas de concreto, emrelagao ao piano da base (contato concreto-rocha), cujos valores se acham resumidos na tabela 2, com-parados aos valores m(nimos admissiveis estabelecidos pela Comissao de Seguranga do Comite Brasileirode Grandes Barragens pode-se concluir:

a) Deslizamento - nenhuma estrutura apresenta coeficiente de seguranga global ao deslizamento menor queo admissfvel (1,0). Na maioria dos casos esse valor a largamente excedido.

Os valores do angulo de atrito (40o) e da coesao (0,70 MPa) adotados para o contato concreto-rocha saoconservativos considerando-se a qualidade do concreto e da rocha de fundagao conforme os resultados dosensaios desses materials. Portanto, a luz dos criterios de seguranga atuais considera-se satisfeita a condigaode seguranga do deslizamento por piano de rutura nas proximidades da base para todas as estruturas.

Quanto a possibilidade de deslizamento por alguma descontinuidade na fundagao, esta foi descartada emvirtude das inspegoes de campo terem evidenciado urn macigo gnaissico sao em Coda extensao dasfundagoes, tanto da barragem principal como do paredao do canal adutor.

b) Flutuagao - nenhuma estrutura apresenta coeficiente de seguranga a flutuagao inferior aos minimosadmissiveis pelos criterios atuais.

c) Tombamento - para verificagao ao tombamento foram estabelecidos coeficientes de seguranga menoresdo que os atualmente estipulados pelo Comite de Seguranga do CBGB (Tabela 1) por duas razoes basicas.

Primeiramente pelo fato de os coeficientes atuais serern aplicaveis a obras em projeto onde ha neces-sidade de serem cobertos riscos devidos a incertezas sobre a resposta da esln itura a aplicagao da carga

-54- - XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS -

hidrostatica e outros fatores como por exemplo o tempo de enchimento do reservatbrio.

No caso especffico de Ilha dos Pombos ha que ser considerado a idade das estruturas sem apresentar aevidencia de movimentos ou problema de estabilidade.Em segundo, o pr6prio significado do crit6rio de seguranr a ao tombamento que 6 pobre, sendo preferfvelsubstituf-lo por crit6rios que limitem as tensoes m'ximas de compressao na base e , tam bem , a extensaoda zona tracionada.Considerando - se os valores de coeficientes de seguranra ao tombamento estabelecidos de 1,5; 1,3; e 1,1pars os casos CCN, CCE e CCL, respectivamente , apenas os seguintes casos nao atendem a essesvalores mfnimos conforme tabela 2.• Barragem principal tipo gravidade - caso unico - CCN

• Paredao do canal adutor - 2° caso - CCN.

d) Tensao a montante admitindo-se que haja resistdncia a tracao no contato concreto-rocha, conformepode-se observar pela tabela 2 , em todas estruturas e em todos os casos analisados , a tensao a montantecalculada sem levar em conta a subpressao 6 maior do que a tensao minima admissfvel.

e) Verificagcio das tensoes a montante e a jusante , admitindo - se que nao h6 resistencia a tragao no contatoconcreto-rocha.

Foi adotado o crit6rio que limita a extensao da zona tracionada a 10% do comprimento da base e atensao de compressao a jusante ao valor da tensao de compressao admissfvel da rocha de fundagdoe/ou do concreto. t considerado o criterio mais adequado a verificarao da estabilidade das estruturas e 6com base nele que serao dimensionadas as obras de reparo.

A tabela 3 estabelecida em funcao das tensoes calculadas, indica para cada estrutura os casos de cargaonde a extensao da zona tracionada 6 maior que 10% do comprimento da base.

10. CONCLUSOES E RECOMENDA(;OES

As seguintes conclusoes e recomendag6es foram delineadas:

• As estruturas que compoem a usina deverao ser reformadas na sua totalidade de modo a garantir oseu funclonamento dentro de crit6rios atuais de seguranga, ampliando significativamente sua vida util.

• As obras de reparo deverao interferir o mfnimo possfvel na operacao da usina.

• Os estudos realizados merecem ser aprofundados e as investigag6es de campo e laborat6rioampliadas.

TABELA ICOEFICIENTE DE SEGURANQA CONDICOES DE CARREGAMENTO

CCN CCE CCL

CSDc ou C = coeficiente de seguranra contra o 4,00deslizamento correspondente somen- 3,0 (*) 3,0 1,5to a coesao (minoracfio da resistOn-cia relativa a coesao).

CSD q5 ou q = coeficiente de seguranca contra o 2,0deslizamento correspondente somen- 1,5 (") 1,4 1,1to ao atrito (minoracao da resist@nciarelativa ao atrito)

CSD = coeficiente de seguranga ao desliza- 1,0 1,0 1,0mento mfnimo global.

CSF = coeficiente de seguranca mfnimo con- 1,3 1,2 1,1tra a flutuacao.

CST = coeficiente de seguranca mfnimo aotombamento

1 .5 (**) 1 .3 (**) 1,1 (**)

* Os valores inferiores correspondentes a um conhecimento adequado das condicbes da rocha defundacao.

** Valores do coeficiente de seguranga inferiores aos recomendados pela comissao de seguranca do ComityBrasileiro de Grandes Barragens.

- XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS - .55-

TABELA 2 - RESUMO DOS RESULTADOS

USINA HIDRELETRICA DE ILHA DOS POMBOSANALISE DE ESTABILIDADE - ESTRUTURAS NA SITUAcAO ATUAL

TENSOES (t / m2)

ESTRUTURA CASOS DE CARGA

COEF. DE SEGURANQAMIN.ADM.

CARRELCARREL. +

SUB-PRESSAO

Desliz . Tomb. Flut.Min.

adm.

Min.mont.

Mon-tante

usante

TOMADA VAGUA 1 Stop logs mont.-fechados (CCE) 3,74 1,72 1,73 -51,0 5,05 -3,90 10,39DO CANAL ADUTOR 2 Stop logs jusante -fechados(CCE) 5,15 3,33 2,15 -52,0 5,40 -2,10 10,39

3 Stop logs mon- jus-fechados (CCL) 6,37 1,30 1,10 -111,0 7,41 -1,10 2,65

BARRAGEM PRIN- 1 Caso unico CCN) 3,00 1,30 2,31 -29,0 2,46 -8,07 22,92CIPAL TIPOGRAVIDADE

COMPORTA CANAL 1 Comportas fechadas (CCN) 6,69 2,93 1,65 -29,0 11,72 1,98 5,37SUL BARRAGEMPRINCIPAL TIP01

2 Stop logs mont. fechados (CCE) 6,56 1,98 1,36 -49,0 9,27 -0,47 5,69

3 Stop logs mont.jus-fech. (CCL) 12,73 1,75 1,31 -109,0 8,67 -0,85 5,13

COMPORTA CANAL 1 Comportas fechadas (CCN) 2,73 1,66 2, 22 -19,0 12 ,13 -6,07 51,35SUL BARRAGEMPRINCIPAL TIPO 2

2 Stop logs mont. fechado (CCE) 2,71 1,48 2,17 -39,0 8,01 -9,29 32,51

3 Stop logs mont.jus. fech. (CCL) 4,43 1,78 1,60 -99,0 14,67 -3,32 22,31

BARRAGEM CANAL 1 N.A. 133-Empuxo Hidrost.(CCN) 5,09 2,15 1,92 -30,0 9,81 0,48 9,35SULAJUSANTE 2 N.A.133-EmpuxoHidrost. (CCL) 7,03 1,10 1,92 -110,0 1,20 -8,13 17,90

COMPORTAS 1 Comportas fechadas (CCN) 5,61 6,19 2,32 -25,0 36,71 15,82 8,10CANAL NORTE 2 Stop logs mont. fechados (CCE) 5,57 5,59 2,19 -45,0 31,05 13,50 8,01

COMPORTAS 1 Comp. Tech. poco cheio (CCN) 4,63 10,32 1,75 -27,0 33,23 15,52 1,03TICAS

CANAL NORTEORTE2 Stop logs Tech. poco vazio (CCE) 4,06 4,50 1,17 -47,0 25,92 8 , 21 -4,38

PAREDAO DO 1 Canal cheio-Bloco 6nico (CCN) 1,87 1,70 2,40 -20,0 6 ,70 -10,19 46,02CANAL ADUTOR 2 Canal cheio-contr Comocarga (CCN) 1,52 0,92 2,10 -20,0 -7,01 -26,55 49,10

3 Canalvazio-Contr.Comocarga(CCN) 00 10,46 00 -40,0 45,63 45 ,65 3,58

TOMADA D'AGUA DA 1 Caso 6nico (CCN) 5,70 2,58 2,63 -27,0 7,50 -5,92 32,25USINA

(J M IN. MON = Tensao Minima a Montantesem levar em costa a sub-pressao

(J MIN. ADM. = YH - (J ADM

'icntcs

^nsa^c`Uricks

CCN

CCI.

CCI.

1,0

1,0

1 ,0

1,5

1,3

1.1

1,3

1,2

1,1

fck = 120 Kgf/cm2c = 7,0 Kgf/cm

Ocr = 400

TABELA 3

E S T R U T U R A CASO DE CARGA EXTENSAO DA ZONA TRACIONADA

1 CCE 0,25BTomada d'3gua do canal adutor 2 CCE 0,15B

3 CCL 0,308

Barragem principal Tipo Gravidade 1 CCN 0,268

Comportas do Canal Sul-Barragem Principal Tipo 1 2 CCL 0,14B

1 CCN 0,16BComportas do Canal Sul-Barragem Principal Tipo 2 2 CCE 0,226

3 CCL 0,1313

Barragem Canal Sul a jusante 2 CCL 0,31 B

Comportas autom3ticas do canal norte 2 CCE 0,358

ParedAo do Canal Adutor1 CCN 0,1882 CCN 0,3513

Tomada d' 3gua da usina 6nico CCL 0,31 B

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