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CONSIDERAcOES SOBRE A UTILIZAcAO DE DISSIPADOR DE

ENERGIA EM SALTO DE ESOUI EM MACIQOS

ROCHOSOS SAOS MUITO FRATURADOS

- 0 CASO DA UHE DE JAGUARA -

Eng° Geraldo Magela PereiraENGEVIX Engenharia S.A. - RJ

Sergio Nertan Alves de Brito

Consultor em Geol. de Engenharia - BH

Elcio Silveira GonsalvesChefe da Div. de Geotecnia da CEMIG - BH

1. INTRODUCAO

O presence trabalho tem por objetivo discutir alguns aspectos envolvidos na utilizacao de dissipador de ener-gia em salto de esqui, em locals onde o macir o rochoso apresenta-se sao mas muito fraturado, e os aspec-tos erosivos a ele associados. Divulga-se o caso da erosao a jusante do vertedouro da UHE de Jaguara, daCEMIG - Companhia Energetica de Minas Gerais, para demonstrar a universalidade do processo erosivo evisando balizar os aspectos gerais dos temas com dados reais.

A jusante Besse vertedouro, se desenvolveu, logo apos sua entrada em operacao em fevereiro de 1971, fossade erosao ao longo de toda a extensao do vertedouro [ 1 ]. A fossa se encontra hoje estabilizada, para asvazoes ate agora vertidas, tendo atingido em seu ponto mais baixo 31,00 m de profundidade a partir dasuperficie rochosa* [2], a menos de algum material sotto nela depositado. Nenhum risco existe para asestruturas construidas. Destaca-se que no inicio da operacao o jato impactou diretamente sobre o macicorochoso, levemente pre-escavado, sem nenhum colchao amortecedor. Essa fossa, segundo os estudos emmodelo reduzido, podera se estender ate 35,00 m de profundidade a partir da superffcie rochosa pre-es-cavada, desde que venham a ocorrer as vazoes maximas de projeto.

Cabe destacar que os fatores intervenientes na escolha do tipo de dissipador ligados ao tipo de barragem eao arranjo geral Bas obras nao fazem parte do escopo do presente trabalho. Os mesmos sao apresentadosdetalhadamente em [3] e [4].

Os autores deste trabalho pertencem ao Grupo de Estudo da Erosao a Jusante de Estruturas Hidraulicas doCBGB, razao pela qual a CEMIG concordou com o estudo realizado e sua publicagAo. Apenas o GeologoSergio Brito particiou do projeto de Jaguara, como membro da equipe da CEMIG na ocasiao.

2. UTILIZAcAO DE DISSIPADOR EM SALTO DE ESQUI

2.1 Aspectos Conceituais

Para se utilizar um dissipador de energia em salto de esqui a necessario evidentemente que existam, entreoutras, condicoes hidraulicas para um bom Iancamento do jato. Conceitualmente, nesses dissipadores, aenergia cinetica do escoamento a aproveitada para lanramento do jato a distancia , de maneira que adissipag5o se verifique longe nao so da estrutura do vertedouro como tambem Bas outras estruturas doaproveitamento. 0 alcance efetivo do jato, que depende da velocidade, do angulo de lancamento e daresistencia do ar, pode ser estimado atraves de ensaios em modelos reduzidos ou, na ausencia desses,atraves do metodo de Kawakami [30], citado tambem em [5].

Nesses dissipadores, parte da energia a dissipada na trajetoria do jato no ar e dentro da agua (quando existetirante a jusante), o que atenua o seu poder erosivo. 0 restante da energia a dissipada apos o impacto sobreo macigo rochoso.

A preocupacao basica no projeto Besse dissipador, principalmente para macigos rochosos fraturados, e aavaliacao da profundidade da fossa de erosao que pode ser criada, na regiao de impacto do jato, pela acaoda energia residual do escoamento turbulento.---------------------------------------------------------------------------------------------------------------* A profundidade de erosfio sera sempre referida ao nivel da rocha e nao ao NA de jusante por ser este vari5vel e dependente davazao . Quando se estiver analisando o efeito de uma vazAo especifica as duas informag6es serfio fornecidas.

- XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS - - 165 -

Esta avaliacao a feita utilizando-se formulas empfricas, [6] e [7], as quais tern resultados imprecisos e poucouniversals [8] e [9], uma vez que nelas a praticamente imposs[vel introduzir os par ametros de resistencia domacico. Para uma analise detaihada da questao recomenda-se uma consulta its referencias (6) a (9).Como ferramenta adicional as formulas empiricas sao realizados ensaios em modelo reduzido corn [undomovel, os quais tambem tern limitacoes uma vez que neles nao se pode reproduzir alguns fatores que afetamos prototipos, tais como grau de aeracao do escoamento e as condigoes geomecanicas do macico. Urnaconsequencia imediata e o exagero produzido nas dimensoes horizontais da cava tendo em vista o baixoangulo de repouso do material granular nao coesivo submerso, o que leva a paredes muito abatidas dafossa, normalmente nao observadas no prototipo. 0 use de cimento produz um material coesivo, mas semfraturas o que costuma exagerar os angulos de equilfbrio tornando os taludes muito fngremes. Nesses en-

saios no entanto a poss[vel:

- Determinar a abertura minima das comportas, necessaria ao born desenvolvimento do jato e verificar oalcance teorico do mesmo (sem levar em conta a resistencia do ar).

- Determinar a profundidade limite e a forma da fossa de erosao se o macico nao tivesse qualquerresistencia aos esforcos hidrodinamicos pulsantes, o que subsidia as decisoes de projetoprincipalmente as relativas as cotas de fundagao do proprio vertedouro ou de estruturas proximas; nocaso de macicos muito fraturados, por exemplo, determina-se as caracterfsticas dessa fossa comrazoavel precisao.

- Confirmar, corn clareza, que o poder erosivo do jato se restringe ao entorno da zona de impacto, eque atua suficientemente distante da estrutura do vertedouro, nao tendo o poder de criar erosoesregressivas que possam vir a instabilizar a referida estrutura comprometendo a seguranga da obra.

- Caracterizar as correntes de retorno bern como seus efeitos erosivos sobre os taludes dos contornosdo vertedouro (fundacoes de muros e barragens laterals, por exemplo).

0 mecanismo de erosao e as fatores que intervem no processo, inclusive os geologicos, sao apresentadosdetalhamente em [7], [8] e [9].Cabe destacar, em resumo, que o impacto do jato exerce uma combinagao de forgas sobre o macicorochoso as quais variam na medida que a fossa se desenvolve. Inicialmente, quando a fossa (ou a pre-escavacao) a rasa, a pressao a elevada e o macico rochoso ainda nao erodido defletira o jato. A penetragaode altas pressoes nos pianos de descontinuidade causa o hidrofraturamento do macigo rochoso e a erosaose desenvolve.

A taxa de propagacao da pressao a funcao do grau de fraturamento, das condicoes das fraturas e da suaorientacao em relacao ao angulo de incidencia do jato. Estas caracteristicas governam a evolucao daerosao.

Quando o macigo rochoso a homogeneo e muito fraturado a erosao se desenvolve rapidamente. Se asparedes da cratera sao resistentes o suficiente para confinar as correntes na zona de impacto do jato a araohidraulica sobre o fundo da fossa sera mais intensa. Nesse caso a erosao concentra-se nessa regiao eaprofunda-se, como aconteceu em Jaguara.

Em macicos heterogeneos a forma da fossa pode ser significativamente afetada, tornando-se assimetricacomo aconteceu em Tarbela [10].

As correntes de retorno (ou recirculanao) normalmente afetam as areas laterals e a montante da zona de im-pacto do jato, podendo ou nao erodi-las dependendo da resistencia do macico. Cuidados especiais devemser tornados quando o macico rochoso nessas areas apresenta pequena resistencia. Nesse caso a erosaolateral pode se desenvolver mais rapidamente desconfinando a fossa que pole evoluir, assimetricamente, nadiregao de muros lateriais ou de ombreiras ou mesmo em direcao ao pe da barragem. Cuidados especiaisdevern tambem ser tomados corn relacao aos taludes de barragens proximas ao vertedouro para evitar ins-tabilidade dos mesmos como aconteceu em Agua Vermelha [11 ].

No desenvolvimento da fossa propriamente dita as flutuacoes de pressao provocam o desalojamento dosblocos. Esses blocos, recirculando dentro da fossa, se entrechocam e por efeito de abrasao fragmentam-sesendo entao expulsos da cratera, podendo formar barras (depositos) na safda da fossa ou serem transpor-tados mais para jusante.

Uma vez que o jato nos casos em que a descarga especffica seja elevada, por melhor que seja o macico,quase sempre provoca erosao, no projeto de vertedouro com salto de esqui, a frequentemente adotada umapre-escavacao (plung-pool) a jusante, visando, corn a introdurao da piscina para mergulho e difusao do jato,atenuar o seu poder erosivo e controlar o eventual processo de erosao. It desejavel que a cota de fundo dapre-escavacao nao seja atingida pela energia do jato para as vazoes mais frequentes. Caso a obra necessitede rocha adicional (funcao do balanceamento de materials) esta cota pode ser aprofundada, o que efavoravel a dissipacao da energia para vazoes extremas. Naturalmente este aspecto deve ser comparadoeconomicamente com a alternativa de exploragdo de pedreira.

- 166 - - XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS -

Como jA citado, os aspectos relativos a erosao sao detalhadamente pesquisados no modelo reduzido, emensaios qualitativos com (undo m6vel, na epoca do estudo do Plano de Operacao das Comportas. Essepiano, para toda a gama de vazoes vertidas, sempre estabelece a sequencia de manobra das comportas e aabertura minima para a qual os jatos impactam a distancia segura da estrutura do vertedouro. Essasrecomendacoes devem ser rigorosamente cumpridas especialmente a relativa a abertura minima. As unicasexceg6es, inevitaveis, sao nas Eases de incipiencia do jato, isto e, durance as Eases iniciais de abertura ou finalde fechamento de comportas, ocasioes essas nas quaffs o jato impacta proximo ao pe da estrutura, porem,por breve perfodo de tempo e com descargas limitadas.

2.2 Condicionantes Geomecanicas do Projeto

No projeto de um dissipador em salto de esqui, como foi mencionado, o ponto mais importante a ser con-siderado e a previsao do tamanho e a forma da fossa de erosao de modo a se poder avaliar a suainterferencia com o arranjo das estruturas. Sua avaliacao a feita por equacoes matematicas ou por ensaiosem laborat6rios, a qual representa, em geral, limite superior da erosao.

No tipo de estrutura em analise a dissipag5o da energia se da em parte na rocha, dependendo evidente-mente do colchao de agua existente a jusante (tirante). Em geral a mencionado que este tipo de dissipagAorequer condig6es geol6gicas favoraveis, condicbes essas porem nem sempre been definidas.

As caracterfsticas geomecanicas mais importantes a se considerar sao aquelas que impoem a rocha urncomportamento diferente daquele previsto teoricamente ou experimental mente,

Quando o comportamento do macico e previsivel, e se aproxima ao maximo do modelo te6rico ou delaborat6rio tem-se uma condicao favoravel. Entretanto, isto dificilmente ocorre e o que se observa a um com-portamento diferente.

As duas situag6es possfveis de comportamento em relacao aquela correspondente ao material do fundom6vel sao:

- Comportamento melhor

Caso o macigo tenha um comportamento melhor, o que significa dimensoes de fossa menores que asprevistas, as consequencias nao afetam a seguranca das estruturas. Provavelmente poder-se-ia tereconomizado no arranjo e em eventuais pre-escavacoes. Uma qualidade superior do macico que,entretanto, pode em alguns casos ocasionar problemas e a formag5o de blocos de grandesdimensoes e que venham a se acumular a jusante dando origem a barras.

- Comportamento pior

0 (undo m6vel (com granulometria uniforme e sem qualquer coesao) pressupoe duas caracterfsticasque frequentemente nao sao atendidas pelos macicos rochosos: a isotropia e a homogeneidade. 0resultado do modelo mesmo representando o limite maximo da fossa pode nao representar a suaforma final. A profundidade nao a em geral superior a calculada ou determinada nos ensaios, mas alargura ou a extensao da fossa podem mudar. Caso a rocha possua uma anisotropia muito forte elapode condicionar uma erosao maior na sua direcao. Rochas com caracterfsticas muito diferentesocorrendo na fossa tambem podem causar erosao assimetrica como foi o caso de Tarbela [7] e [10].

Deste modo, no projeto de vertedouro com salto de esqui a importante ter em conta todas as feig6es quepossam influenciar a forma e as dimensoes finais da fossa, principalmente em comparag5o com os dadosobtidos em ensaios com fundo m6vel solto.

A importancia dada as condicoes geomecanicas na avaliag5o das dimensoes das fossas de erosao variaentre os varios autores. Existem casos extremos onde esta influencia a totalmente desprezada [12] e [13]dentro do raciocfnio de que, independentemente das caracterfsticas geomecanicas, a erosao atingira sempreo limite previsto teoricamente. Para macigos fracos a evolucao da erosao a muito rapida e realmente a fossase aproxima da previsao te6rica. Por outro lado, para macicos resistentes o tempo necessario para sechegar as dimensoes finais pode ser muito grande, atingindo mesmo a escala geol6gica, e fugindo inteira-mente da realidade da vida util das obras hidraulicas. Assim, desprezar o condicionamento geomecanicopode levar a erros na previsao das dimensoes da fossa de erosao.

Varios autores consideram apenas a dimensao do bloco de rocha na regiao do impacto, definida pelo seudiametro medio ou o Dgo. Entretanto, trabalhos mais recentes, [8], [14] e [15], tern mostrado as varias con-dicionantes geol6gicas e geomecanicas que controlam o comportamento da erosao a jusante dos ver-tedouros em salto de esqui. Sao etas:

Resistencia da rocha intacta e do macico rochoso;

Grau de fraturamento;

Abertura e resistencia das descontinuidades;

Forma do bloco unitario;


- Orientarlao das descontinuidades com relacao a superflcle Iivre e com respefto ao jato.

Secundariamente outros fatores podem influenciar a evolugao da erosao como:Estado de tensao do macigo;Anisotropla da rocha;

Heterogeneidade do macigo;

Metodos construtivos como escavagao, reforgo do macigo, etc.

2.3 Aspectos Operacionais

Os vertedouros com dissipadores em salto de esqui normalmente tern vaos, ou grupo de vaos, isolados unsdos outros, o que proporciona major flexibilidade operacional, permitindo facilidades para evetuais trabaihosde reparos e manutengao. Ressalta-se que a experiencia mostra que poucos probiemas aconteceram cornesse tipo de dissipador [4].

2.4 Aspectos EconOmicos

A solugao em salto de esqui proporciona grande economia nas obras civis, quando comparada a solugaoem bacla de dissipagao, e esse a um argumento ponderavel em favor desse tipo de dissipador quando exis-tem condigoes para sua adogao. No caso da Usina de Tucurui, por exemplo, resultou em redugao de2.300.000 m3 de escavagao em rocha e de 350.000 m3 de concreto estrutural, o que significa, a pregosatuais, uma economia da ordem de US$ 100.000.000 no custo final do empreendimento, sem falar em outroscustos associados.

3. 0 VERTEDOURO DA USINA DE JAGUARA

3.1 Caracteristicas Hidrgulicas

0 vertedouro da usina de Jaguara (Figs. 1 e 2) foi projetado, com dissipador em salto de esqui, para descar-regar uma vazao de 12.600 m3/s corn uma carga de 18,00 m sobre a crista, com o NA max. normal naelevagao 557,50 m. Com o NA max. na elevagao 558,50 m sua capacidade de descarga a de 13.600 m3/s[16]. As curvas de vazao sao apresentadas na Fig. 4. Sua capacidade limite a de 14.500 m3/s corn o NA naelevagao 559,00 m.

FOTO 1 - VISTA GERAL DA USINA DE JAGUARA

A curva-chave do canal de fuga a apresentada na Fig . 3. Para as descargas acima citada tem-se os seguintesniveis a jusante : 521,60 m , 522,10 m e 522,50 m.

0 vertedouro , incorporado ao eixo de barramento e situando-se entre a tomada d 'agua/casa de forga e abarragem principal , a dotado de 6 vaos , cada um com 13,50 m de largura na crista. No bordo de langamento,elevagao 526 , 00 m, os vaos extremos tern 14 , 25 m de largura e os denials 15,00 m , portanto , com larguratotal de 88 ,50 m. A concha tem 25,00 m de raio e angulo de langamento de 32°.

A descarga especitica no bordo de Iangamento a elevada , acompanhando a pratica atual em projetos de ver-tedouros com altas concentragoes de vazao (Quadro 1), o que permite a redugao da largura total daestrutura . Para as vazoes citadas anterlormente tem-se as seguintes vazoes especfficas:

142,40 m3/s/m, 153 ,70 m3/s/m e 163 , 80 m3/s/m.

-168 - - XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS -

1

EL.516

PRE-ESCAVAcAO

EL.52L,1O

FIGURA 1-ARRANJO GERALEscala 1:4000

El 526,00

FIGURA 2- SEC,AO TIPICA VERTEDOURO

• - XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS -169-

523,00

522,00

521,00

520,00

519,00

518,00

517,00

516,00

515,00

514,00

513,00

512,00

511,00

510,00

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000 15000

VAZAO (m3/s )

FIGURA 3-CURVA-CHAVE NO CANAL DE FUGA DE JAGUARA

E

El Ef F

F F Fo on ^ h » h

N P7 P Iq

t < < ^ r

a^fp

c

h b h h h^ 0 O1 ^^ ^

r r c r r

N. A.R M

I A

539 50

VAR.

ZM

_ -

0

5 39,0 0

h = Z-539,00 m

559,00

558.00

556,00

554,00

552,00

550.00

548,00

546,00

544,00

542,00

0 1000 5000 10000

VA Z AO (m3/s)/ s )

FIGURA 4-CURVAS DE VAZAO DOVERTEDOURO

540,00539,50

15000

- 170- - XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS -

VERTED^t_ ROS EM SALTO ESQUI

CO MP ARA^nO

75

25

0

I

I

TUCU RUI

I

I ITAI PU•

' • RAM APADASAGAR

I

' NAGARJUNASAGAR•

f UKAI.I

•KIRAKU • SRI SAI LAN AP

TSAFEHARSOU R

ONOWIN O

•S.SA IAGO

• •SAOSIMAO

RANAPRATHAPSAGAR •AVERYELN4 TARBE LA^

S.OSO 101 • KARAKAYA

IJAGUARA• ESTR EITO • ITUMBIARA

S.OS6RIO2 • • FURNAS • ALDEADAVILAPEIKOTO • PICOTE KARIBA •

EMeORCACAO••FOZ DO AREI

GIi N kAPICS AIGLE•

LIMITES DE MASON

( REFERENCIA 4 )

QI JEL A-ii (tt)

USINA Q (m3/s)(' ) H (m)(2) q(m3/s/m) REFERENCIAS

1 -PEIXOTO 10.400 39,8 - 19

2 - FURNAS 13.000 8 5 , 2 153.0 1 9 e 24

3-ESTREITO 13.000 51 ,-1 155,5 19e24

4- JAGUARA 14.500 33,5 163,8 19 a 24

5 - AGUA VERMELHA 20.000 5 1 , 6 1 3 5 , 1 1 9 e 24

6- SAO SIMAO 21.400 65,8 154,5 19 a 24

7 - ITUMBIARA 16.000 71 ,7 - 19

8 - EMBORCAcAO 7.800 8 3 , 5 1 3 2 , 9 1 9 e 24

9-FOZ DO ARE IA 11.000 1 2 0 , 5 155,8 19 a 24

1 0- SALTO SANTIAGO 24.100 34,8 1 6 0, 2 19 e 24

1 1- SALTO OSORIO 1 15.000 59,0 158,7 1 9 e 24

12- SALTO OSORIO 2 12.500 45,3 1 70, 7 1 9 e 24

13- ITAIPU 62.000 85,0 185,0 19 a 24

14-TUCURUI 100.000 50,0 182,0

1 5- TARBELA 18.000 1 09,0 1 65, 1 7 e 10

16-KARAKAYA 17.000 103,0 220,0 25

1 7 - PICOTE 10.400 51,0 1 7 3, 0 20

1 8 - ALDEADAVILA 11.700 1 1 0,0 225,0 20

19- AIGLE 2.000 90,0 1 25,0 20

20- KARIBA 8.400 85,0 1 56,0 21,22 a 23

21 -RAMAPADASAGAR 56.625 37,5* 55,7 26

22-NAGARJUNASAGAR 43.300 104,2 92,0 26

23-UKAI 39.200 42,5 97,6 26

24-KIRAKUD 33.626 28,9 64,8 26

25- SRISAILAN AP 32.300 85,0 1 21,4 26

26-RANAPRATHAPSAGAR 21.238 27,5 111,4 26

27-SAFEHARBOUR 27.300 17,9* 34,0 26

28-CONOWINGO 24.920 27,j* 36,4 26

29-GRAN RAPIDS 4.000 20,0 83,3 7

(1 ) - 0 L Vaza"o maxima de projeto

2)-H = N.A . mont - N.A.jus1 * H= N.A.mont .- El. do invertido, * * H=N.A.mont.-El. rocha

QUADRO 1

- XIX SEMINARIO NACIONAI DE GRANDES BARRAGENS - - 171 -

Foi executada discreta pre-escavacao, com 3,00 m de profundidade e 30,00 m de largura entre as elevagoes519,00 m e 516,00 m, 40,00 m a jusante do vertedouro ao longo de toda sua extensao (Fig. 1), conformerecomendado pelos estudos em modelo [17].Destaca-se que a cota 516,00 m do topo rochoso da pra-escavagao coincide com a NA correspondente avazao defluente de 3.000 m3/s. Portanto, no inicio da operagao, o jato impactava diretamente sobre o macigorochoso.

Segundo os escudos em modelo [17] a profundidade de erosao maxima 6 da ordem de 35,00 m a partir dotopo rochoso pre-escavado na cota 516,00 m, para a vazao de 14.500 m3/s, e da ordem de 41,50 m emrelagao ao NA de jusante. Nesses estudos [17] utilizou-se brita com diametro medio de 25,00 mm. No Qua-dro 2 apresenta-se as profundidades de erosao estimadas segundo a equagao de Veronese citada nareferancia [6]. A diferenga entre os resultados obtidos no modelo para a vazao de 14.500 m3/s e o calculadopara a mesma vazao a comentada no item 4.2.

QUADRO 2 - PROFUNDIDADE DE EROSAO

NARES(m)

OVERT(m3/s)

q(m3/s/m)

NAjus(m)

H(m)

hi(1)(m)

h2(3)(m)

he(2)(m)

he modelo(m)

559,00 14.500 163 ,80 522,50 36,50 6,50 60,50 67,00 41,50

558,50 13.600 153,70 522,10 36,40 6,10 57,90 64,00 -

557,50 12.600 142,40 521,60 35,90 5,60 56,40 62,00 -

557,50 3.000 33,90(4)

516,00 41,50 0,00 29,50 29,50 -

(1) h1= NAuus - 516,00: espessura do colchao a jusante no inicio da operageo.

(2) he= 1,9q°,54H°,225: prof. de erosfio a partir do N.A. de jusante segundo Veronese [6], que representa uma envoftbrialimite para as condigbes de macigos sem coesao.

(3) h2= he - h1, profundidade real de erosao.

(4) NAjus coincidente com a cota do topo rochoso da pre-escavacao.

No quadro 3 apresenta-se os alcances dos jatos a partir do bordo de langamento em relagao ao NA dejusante, medidos em modelo reduzido [17], no protdtipo [2] e calculado teoricamente utilizando-se o metodode Kawakami [311 citado tambam em [5].

QUADRO 3 - ALCANCE DO JATO

VAZAOALCANCE (m)

(m3/s) MODELOPROT6TIP0

CALCULADO

EIXO DO VAO BORDOS EIXO DO JATO

100 POR VAO 38 15 < 40 (2) -

200 POR VAO 50 20 < 40 (2) -

300 POR VAO 56 30 > 40 (2) 66

12000 - 14500 55 a 70 (1) - 57 (3)

(1) - na realidade dado estimado a partir da fotografia 25 da referAncia [17], que mostra a zona deimpacto do jato para Q = 14.500 m3/s;

(2) - a referOncia [2] na realidade diz que o jato sb impacta na fossa para a vazao de 300 m3/s.Como as segaes batimOtricas apresentadas [2] mostram o inicio da fossa a aproximadamente40,00 m introduziram-se os sinais < e >;

(3) - calculado, para Q = 14.500 m3/s.


A FOTO 2 ABAIXO MOSTRA UMA VISTA GERAL DA FOSSA DE EROSAO EXISTENTE.

- XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS - -173-

A FOT0 3 ASAIXO MOSTRA 0 ALCANCE DO JATO PARA A VAZAO DE 300 m3/s.

-174- - XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS -

Em fungSo da geometria da fossa de erosao existente (Figs. 5 a 8) pode-se concluir que o alcance efetivocalculado para 0 = 300 mils a exagerado, uma vez que a regiao mais profunda se encontra entre 54,00 m e62,00 m do paramento de jusante do vertedouro (Fig. 12, Anexo 2).

As medicoes de prototipo revelaram que o alcance real, para esta vazao, a major que 40,00 m (Ouadro 3 eFoto 3).

Imaginando-se que o jato se difunde na massa d'Agua segundo um Angulo semelhante ao do talude de mon-tante da fossa e tracando-se uma paralela a esse talude passando pelo ponto medio do trecho mais profun-do da cratera tem-se, na superffcie d'agua, um alcance real mais provavel da ordem de 50,00 m (Fig. 12,Anexo 2), ligeiramente menor que o obtido no modelo reduzido (centro do vao).

Este caso demonstra que o coeficiente de resistencia do ar de Kawakami a baixo, para as velocidades delancamento do jato em Jaguara (da ordem de 25,00 m/s - Anexo 2).

Cabe esclarecer que o metodo de Kawasaki [30] tem por base resultados de apenas dois prototipos - as bar-ragens de Hatanagui no Japao e Shihmen na Tailandia. Como o proprio autor registra , para jatos emvelocidades alias, o alcance real difere marcadamente do calculado. Essas considerag6es sao validas para

as demais vazoes.

As pressoes hidrodinamicas na fossa de erosao, estimadas de acordo com o metodo de Hartung e Hausler[23], sao apresentadas no Anexo 2. Destaca-se que este metodo despreza a influencia benefica da aeracaona dissipacao do parte da energia do jato na fase aerea, dada a complexidade do fenomeno, fornecendopressoes maiores que as reais e, portanto, a favor da seguranca.

Com relacao ao Plano de OperagAo das Comportas de Jaguara, elaborado em 1967 [17], destaca-se que 0mesmo estabeleceu, dentre outras, a seguinte recomendacao:

"Para um bom langamento do jato a recomendavel uma abertura inicial das comportas do vertedouro de 2,00m. Aberturas inferiores geram a formacao de jatos abatidos e dispersos com redug5o do alcance do centrodo vao para as extremidades. Estes jatos, de acordo com o comportamento da rocha, poderao criar erosoesproximo a estrutura uma vez que, em virtude das condicoes de nivel d'agua a jusante, o impacto cI -se semnenhum tirante amortecedor, sobre o patamar da escavacao situado na cota 519,00 m. Aberturas maiores doque 2,00 m permitem o langamento do jato sobre o patamar situado na cota 516,00 m que, alem de se situara 40,00 m do paramento de jusante do vertedouro, permite o estabelecimento de um certo tirante amor-tecedor do jato. A abertura parcial de 2,00 m em um vao do vertedouro corresponde a uma vazao de cercade 300 m3/s".

QUADRO 4 - PLANO DE OPERAcAO DAS COMPORTAS (NIVEL NO RESERVAT6RIO: 557,50 m)

ESTAGIOM.E. ABERTURASt't (m) M.D. VAZAO

C.01 C.02 C.03 C.04 C.05 C.06 (m /s)

0 0 0 2 , 00 0 0 320

010 0 2,00 2,00 0 0 640

0 0 2,00 2,00 2,00 0 960

0 2,00 2,00 2 , 00 2,00 0 1.280

0 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 1.600

0 2,00 2,00 2,25 2,00 2,00 1.630

020 2,00 2,25 2,25 2,00 2,00 1.660

0 2,00 2,25 2,25 2,25 2,00 1.690

0 2,25 2,25 2,25 2,25 2,00 1.720

0 2,25 2,25 2,25 2,25 2,25 1.750

03 a 35 0 2,25 a 11,00 2,25 a 11,00 2,25 a 11,00 2,25 a 11,00 2,25 a 11,00 1.750 a 7.800

0 11,00 11,00 A. Total 11,00 11,00 8.335

360 11,00 A. Total A. Total 11,00 11,00 8.870

0 11,00 A. Total A. Total A. Total 11,00 9.400

0 A. Total A. Total A. Total A. Total 11,00 9.935

0 A. Total A. Total A. Total A. Total A. Total 10.470

37 2,00 A. Total A. Total A. Total A. Total A Total 10.790

38 2,00 a A.Total A. Total A. Total A. Total A. Total A. Total 10.790 a 12.560

Quadro extraido da referenda [16].

1) A abertura considerada consiste na distancia vertical entre a cota do bordo inferior das comportas e o ponto decontacto destas sobre o perfil da crista (cota 539,00 m).


Postenormente , o Piano de Operagao das Comportas foi revisado em 1981 [ 16]. No Ouadro 4 apresenta-se,em resumo , a sequencia de operagao das comportas para o nfvel d'agua do reservat6rio na elevagao557,50m. Esta revisao endossou o acima exposto e recomendou:"A conveniencia de aberturas minimas da ordem de 2,00 m, necess6rias ao bom desenvolvimento do jato.Essa recomendagao , nos parece , 6 atual tamb6m sob um outro aspecto , o alcance do jato, pois o limite demontante da fossa a ela se encontra associado . Aberturas menores conduziriam a vazao mais baixa e menoralcance , provocando agaes erosivos em area mais pr6xirna a estrutura."

Ressalta -se que a sequ6ncia de manobra das comportas para os demais niveis do reservat6rio 6 identica aapresentada no Quadro 4. Observa-se que a comporta do vao 1, cujo jato Impacta pr6ximo ao muro exis-tente entre a pre-escavagao e o canal de fuga, s6 pode operar quando as demais estao totalmente abertas ea vazao vertida 6 da ordem de 10.470 m3/s. Esta restrigao possibiiita um nivel d '6gua a jusante aproximada-mente 8,00 m mais alto ate o vao 1 ser utilizado , melhorando as condig6es para d'Ifusao do jato pr6ximo aoreferido muro.

3.2 Caracteristicas do Macigo a Jusante

3.2.1 Situagao Geol6gica Geral

A geologia local este descrita na referenda [ 18]. Na regiao da fossa apenas um tipo Iitol6gico 6 encontrado:um quartzito praticamente puro, quase sem nenhuma mica, localmente v(treo, de aita resistencia (Rc maiorque 1.500 kg/cm2). E completamente sao e nenhurna zona decomposta 6 observada.

A xistosidade/acarnamento 6 muito uniforme, bern de senvolvida, com diregao fazendo cerca de 300 com oeixo do vertedouro (60° com a diregao do jato), e o merguiho 6 suave, 25° a 30° para a esquerda e mon-tante . A Foto 4 6 um bom exemplo desta estrutura.

FOTO 4

Hi mutto pouca vartaoo ao longo da fossa , se bern que a montante (observado durante a construg6o) e ajusante, o quartzlto apresenta dobras suaves corn declividade de 100 para a ombreira esquerda. A xis-tosidade 6 multo plane e regular e o espagamento entre pianos 6 centim6trico e decim6trico (Foto 5).


FOTO 5

Alam da junta que se desenvolve paralelamente a xistosidade, (X) tres outros sistemas sao observados,todos com distribuirao classica (Foto 6):

FOTO 6

Junta de distensao (JD), com direrao paralela a xistosidade, com mergulho suplementar (65° para olado oposto).Juntas de cisalhamento (JC) transversais, a 45° aproximadamente com a xistosidade, uma de cadalado. Os merguihos sao variAvels de 60° a subvertical.

Falhas piano-axiais (FP), paralelas ao piano axial das dobras, aproximadamente paralelas as juntas dedistensao, poram subverticais.

Juntas aieatbrias (JA), sem direcao bern definida.

- XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS - .177-

Um fato importante corn relagao ao fraturamento da rocha em Jaguara e a grande homogeneidade que aleapresenta na regiao da fossa.

0 espagamento medio a de 20 , 00 a 40 ,00 cm sendo que localmente a rocha chega a ser fragmentada, cornespagamento da ordem de 5,00 cm e macs raramente o espagamento sobe a dimensao metrica. Assuperffcies sao plans , asperas e as parades muito resistentes.

As observagaes de campo, os resultados das investigagoes durante o projeto e o tratamento de fundagaodurante a obra mostram que as descontinuidades sao fechadas em profundidade. Todas as descontinul-dades existem como pianos de fraqueza potenciais da rocha, ate as profundidades de interesse, mas com asparedes perfeitamente justapostas. A regularizagao da superffcie por meio de detonagao sem duvidas abaloua rocha abrindo as juntas, o que a observado em geral apenas ate 1,00 a 2,00 m abaixo da superffcie.

3.2.2 Condicionantes GeomecinicasA resistencia do quartzito de Jaguara 6 muito alta e sem duvida no foi a caracteristica que condicionou aerosao. Alem disso a rocha a muito homogenea Iftologicamente ao longo de toda a area da fossa, nao exis-tindo zonas com resistencias dderenciadas que pudessem influenciar a erosao de maneira importante.Apenas influenclas localizadas, de pouca relevancla, foram percebidas. Por exemplo, pode-se observar queate a batimetria de 27.04.78 existia uma saliencia da rocha no limite de jusante da fossa formada por umapane mais resistente do macigo e que de certa forma condicionou urn pouco as correntes laterais na fossa.Chegou-se mesmo a cogitar sobre sua detonagao. Entretanto, como se verificou na batimetria de 24.09.87,esta saliencia foi removida pela agao do jato e a fossa atingiu entao a forma uniforme que apresenta hoje.

Deste modo, todo o fenomeno de erosao foi eminentemente condicionado pelo fraturamento da rocha.0 quartzito de Jaguara possui duas anisotropias principais: a xistosidade e as faihas. A primeira a sub-horizontal, com espagamento centimetrico a decimetrico e certamente representou uma das condicionantesprincipais na evolugao da erosao, mas nao alterou a forma tebrica da fossa. A segunda, as faihas subverticaistransversais ao fluxo, poderia ter imposto a fossa uma forma mais larga que a prevista. Entretanto deve-se terem mente que a esquerda o macigo foi reforgado pelo muro de concreto do canal de fuga, ancorado narocha, e pela laje horizontal de concreto (Foto 7), e a direita existia o antigo canal do rio.

FOTO 7

Alem disso o Intenso fraturamento da rocha e principalmente a sua extrema homogeneidade ao longo dafossa diminuiram ou mesmo fizeram desaparecer a Influancla individual que qualquer das anisotroplasestruturais pudesse ter . Esta e a caracteristica geolbgica principal de Jaguara: um macigo de rocha intensa ehomogeneamente fraturado . A grande quantidade de sistemas de juntas (4 sistemas macs juntas aleatbrias)

.178- - XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS -

com inclinagao variando de horizontal a vertical e o espagamento decimetrico entre etas , formam um macigoextremamente vulneravel a erosao porem com um comportamento inteiramente previsivel e reproduzivel emmodelo [17] comp citado no item 2.1. A erosao a rapida, atingindo-se em pouco tempo as dimensoes previs-tas, e os blocos gerados sao pequenos e facilmente transportados para longe. Nenhuma barra se formou ajusante. Deste modo o macigo de Jaguara apresenta caracteristicas geomecanicas adequadas para oemprego do salto de esqui.

Com relagao as caracteristicas geomecanicas do macigo que influenciaram o comportamento da fossa valea pena comentar o seguinte:

0 macigo de Jaguara realga a grande diferenga geomecanica que existe, em termos de erosao, entrejuntas "seladas" e "justapostas". Uma junta selada, mesmo sendo uma descontinuidade intrfnseca darocha, possui importante resistencia a tragao e impoe dificuldades maiores a sua erosao. Entretantojuntas apenas "justapostas" sao fechadas, impermeaveis, nao alteram a deformabilidade do macigo,mas permitem que o macigo seja facilmente desarticulado.

Possuindo juntas predominantemente justapostas, a remogao dos blocos foi extremamente rapida. 0motivo principal e a pequena dimensao do bloco unitario facilmente abalado pelas vibragoes e pelosentrechoques, abrindo as juntas que o limitam e permitindo a agao direta das pulsagoes de pressao.

A disposigao subhorizontal da xistosidade contribui para uma desarticulagao mais facil do macigo.Tambem a existencia de urn grande numero de familias de juntas dA origem a cunhas ou blocos"instaveis" em qualquer superficie, e com forma que nao permite a mobilizagao do atrito (dilatancia)nas paredes das juntas. As fotos 5 e 6 mostram buracos na rocha, com forma de tfpicos troncos depiramide invertidos, que sao formados pela remogao de blocos de rocha perfeitamente geometricos.As alternativas de formagao de blocos como estes sao muito grandes devido ao numero de faml1iaspresentes.

A detonagao da rocha para regularizagao do leito do rio e formagao da pre-fossa, mesmo muito rasa,abalou a rocha superficial contribuindo para facilitar o infcio do processo.

4. EROSAO A JUSANTE DO VERTEDOURO

4.1 Hist6rico

0 vertedouro de Jaguara entrou em operagao em fevereiro de 1971. 0 hist6rico da evolugao da erosao ajusante na zona de impacto do jato a apresentado detalhadamente em [1] e [2]. Em [19] encontra-se urnbreve relato do caso.

A Figura 1 apresenta a geometria das escavagoes realizadas antes do vertedouro entrar em operagao. Ob-serva-se que a superficie rochosa na pre-escavagao situava-se na elevagao 516,00 m. A montante e a jusantedesta regiao situava-se na elevagao 519,00 m.

No primeiro ano de operagao, em que as descargas foram concentradas no vao no 1 (do lado esquerdojunto a tomada d'agua/casa de forga), a erosao evoluiu rapidamente atingindo 23,00 m de profundidade apartir da superficie rochosa, em uma fossa bern localizada que alcangou a elevagao 493,00 m (Fig. 5A).

Em 1973, com a vazao mais distribuida entre as comportas, a erosao se generalizou tendo-se constatadouma profundidade maxima de 19,00 m, na elevagao 497,00 m, com blocos soltos recobrindo evidentementeo fundo da erosao anterior (Fig. 5B).

Em 1975 e 1977 levantamentos topobatimetricos mostraram que a erosao atingira 26,00 m em seu pontomais baixo na elevagao 490,00 m (Figs. 5C e 5D), com a fossa apresentando a mesma forma.

Em 1978 a erosao atingiu a profundidade maxima de 31,00 m, alcangando a elevagao 485,00 m (Fig. 5E).

0 ultimo levantamento realizado , em 1987 , revela que a erosao permaneceu corn 31 , 00 m a partir dasuperficie rochosa da pre-escavagao na elavagao 516,00 m (Fig. 5F), parecendo indicar uma tendencia deestabilizagao em torno dessa profundidade, para as vazoes ate agora vertidas.

As Figuras 5 a 8 caracterizam a extensao da erosao em cada levantamento, cujo volume a da ordem de42.000 m3. As vazoes vertidas em 20 anos de operagao foram sempre inferiores a 4.600 rn 3/s, como apresen-tado no item seguinte.

4.2 Analise do Processo de Erosao

Durante a face de projeto ja se previa a erosao a jusante face as caracteristicas do macigo e ao fato de que ojato impactaria, inicialmente, diretamente sobre o topo rochoso.

Como citado anteriormente no caso de macigos muito fraturados determina-se as caracteristicas da fossa deerosao em modelo reduzido, em ensaios com fundo m6vel sotto (pedrisco), corn razoavel precisao (item2.1).


LEVANTADO EM 1971

( A )

l 0w i i. G G QD

LEVANTADO EM 1973(B)

LEVANTADO EM 1977

(D)

i5203

CONVENcOES

----- LIMITE DA CRATE RA P /Q=14500m3/s(MODELO REF.17)

---- LIMITE DA CRATERA P/ Q= 8 500 m3/s (MODELO REF. 17)

LIMITE DA CRATERA P/Q= 4 500 m3/s (MODELO REF 17)

FIGURA 5- EROSAO A JUSANTE DO VERTEDOURO -PLANTAS

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No caso de Jaguara esses estudos [17] previram que a fossa de erosao podera evoluir ate a elevagdo478,00 m para a capacidade maxima de descarga (14.500 m3/s), quando totalizaria 38,00 m de profundidadeem relacao ao topo rochoso natural, na elevacao 519,00 m, ou 35,00 m em relacao ao fundo da pre-escavagdo, na elevacao 516,00 m, sem risco para a seguranga das estruturas.

0 historico da operagdo (Anexo 1) registra que as vazoes vertidas foram sempre inferiores a 4.600 m3/s. OsQuadros 5 e 6 mostram as vazoes vertidas maximas e turbinadas medias mensais para o perlodo de 1976 a1990. Os Quadros 7 e 8 mostram a permanencia dessas vazoes e as Figs. 10 e 11 as curvas de permanencia.Observa-se que, no periodo citado, aproximadamente 41 % do tempo as vazoes vertidas foram inferiores a300 m3/s, 61 % inferiores a 600 m3/s e 74% inferiores a 900 m3/s.

A erosao, para as vazoes ate agora vertidas (em 20 anos de operag5o), abrange praticamente Coda aextensao do vertedouro (Figs. 5 a 8), totalizando 31,00 m de profundidade, em seu ponto mais baixo, naelevacao 485,00m.

0 Quadro 2 mostra que, para as vazoes ate agora vertidas, a profundidade atual da fossa (31,00 m) coinciderazoaveimente com aquela prevista pela equacao de Veronese (29,50 m) para, Q = 3000 m3/s o que confir-maria o modelo geomecanico atamente erodivel descrito anteriormente. Entretanto, para a vazao maxima deprojeto (14.500 m3/s) a mesma equagAo fornece resultado (67,00 m) substancialmente superior aquelemedido no modelo (41,50 m). Suspeita-se que essa diferenga pode ser explicada pelo fato de ter-se utilizadonos estudos experimentais [17] brita com diametro medio de 25,00 mm que, na escala 1:75 do modelo, cor-responde a blocos de 2,00 m de diametro no prototipo, quando esses na realidade sao da ordem de 20,00 a40,00 cm, o que a comprovado pelos resultados das investigag6es geologicas e pela ausencia de barra ajusante. De acordo com os estudos de Rehbock e Scimemi [31] o diametro media limite do material, cons-tituinte do fundo movel, deveria ter sido, para a vazao de projeto, da ordem de 4,00 mm visando reproduzir aerosao na escala do modelo.Com respeito a erosao pode-se concluir:

- 0 limite de montante da fossa, a 40,00 m do paramento de jusante do vertedouro, esta associado aoalcance do jato para a vazao minima de 300 m3/s, correspondente a uma abertura de comporta de2,00 m (item 3.1), nao devendo evoluir mais caso se mantenha esta recomendagao do Plano deOperacao das Comportas [16]. Esse limite esta perfeitamente caracterizado no prototipo desde asprimeiros vertimentos. Registra-se que uma falha vertical, oblfqua ao jato, com direcao N 40° E,condicionou localmente a erosao mas sem ameacar a estrutura.

- A evolucao da erosao para jusante, na direcao do jato, e em profundidade esta condicionada aocorrencia de vazoes maiores que as ate agora vertidas. Isto porem, nao significara qualquer riscopara as estruturas.

- As paredes da fossa sao quase verticals o que demonstra que o quartzito tem resistencia suficientepara confinar a acao do jato no interior da cratera, nao permitindo evolucao lateral significativa daerosao como indicado pelos estudos em modelo (Fig. 5) devido a utilizag5o de material nao coesivo.Entretanto, existem restrig6es a operag5o dos vaos extremos que devem ser mantidas por seguranca,apesar da possibilidade das correntes de retorno se acentuarem. Destaca-se que do lado direito afossa se emendou ao canal profundo do rio. Do lado esquerdo, entre a fossa e o canal de fuga, existeum septo de rocha envolvido na sua parede esquerda por muro de concreto ancorado na rocha. Noprimeiro ano, quando funcionou apenas a comporta 1, por ser a unica a estar em condig6es deoperag5o, notou-se uma erosao exagerada na extremidade esquerda, expondo algumas ancoragensdo muro do canal de fuga. Essa operacao naturalmente impos ao macico solicitag6es mais severasque as normais, caso tivesse sido possfvel distribuir a vazao por outros vaos. Esse trecho do macicofoi ancorado e protegido por capa de concreto (na base do muro) por motivos de seguranca. Essetratamento se mostrou eficiente uma vez que nesses 20 anos nao se registrou qualquer tendencia dedescalgamento do muro.

Finalizando cabe destacar a evolucao da profundidade de erosao em funcao do tempo. No grafico da Fig. 9as dados de Jaguara sao comparados com as de Kariba, Picote, Farchad e Tarbela. As diferentes tendenciasobservadas devem-se aos varios fatores envolvidos: carga total, frequencias de vertimentos, magnitude dasvazoes ja vertidas, piano de operacao das comportas e resistencia do macigo rochoso. E importante realgarque a estabilizacao observada em algumas curvas nao pode ser considerada separadamente da relagdoentre as vazoes ja vertidas e aquelas de projeto. Por exemplo, em Jaguara a vazao vertida maxima cor-responde a apenas 32% da vazao maxima de projeto. Essas curvas podem e devem apresentaraceleracoes(degraus) caso venham a ocorrer picos de vazoes superiores. A inclinacao inicial das curvasdeve ser funrao da potencia do jato (P = 9,8 OH em MW, sendo H a carga total para a vazao 0 con-siderada) nas operag6es iniciais e da qualidade do macico. Para o caso de Jaguara como a potencia do jatomaxima ocorrida foi da ordem de 1.600 MW, relativamente baixa, a velocidade de erosao inicial se deve aqualidade do macho (muito erodfvel).


90

80

70

50

0

TEMPO (ANUS)

FIGURA 9 -PROFUNDIDADE DE EROSAO*x TEMPO

GEOLO.iIA' TARBE_A-CALCAREO E FIL.TC QOM DOBRAS E FALHAS•

JAGUARA- QUARTZITO SAO, MUITO FRATURADO.A

KARIBA - GNAISSE SAO, FISSURADO ( REFERENCIA 29).

PICOTE - GRANITO SAO, CORTADO POR DUAS FALHAS PRA-TICAMENTE VERTICAIS,COM ALGUMAS JUNTASE FRATURAS HORIZONTAIS(REFERgNCIA 20 1

A

FARCHAD- A REFERENCIA 28 NAO FORNECE INFORMAcOES.

HIDRAULICA: A TITULO DE ILUSTRAcAO, INFORMA-SE A ORDEM DEGRANDEZA CA CARGA TOTAI (H) CONSIDLRANDO-SE01 vdo < 0 < Omrix. vertida :KARIBA- 85<H <103m Qmax. = 8400m3/sPICOTE- 51 <H < 70m Qmax.: 10400M3 AdAGUARA- 3C <H •, 41 m Qmax. 14500 m3/sTAPr-! LA- 1"q H <124m Omdx. = 18500 m3/s

* PROFUNDIDADE DE EROSAO A PARTIR DO TOPO ROCHOSO.

to KARIBA -- FONTE : REF. 28

20 PICOTE - FONTE : REF. 28

O3 FARCHAD- FONTE REF. 28

O4 KARIBA - FONTE : REF. 29

5 TARBELA - FONTE : REF. 10

6 PICOTE - FONTE : REF 20

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( 70 % de Om ax.)

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codas pelos outores.

3 2 - Essas cur vas , noo sao necesso-riamente contlnuas , podendoopresentor degrous em fun Saodo ocorrencia de picos maiores devaz"ao.

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200


No mesmo grafico (Fig. 9) plotou-se a erosao medida em volume total removido, para os casos de Jaguara ePicote. A de Jaguara apresenta uma tendencia diferente daquela da profundidade uma vez que o ritmo deerosao, em plantar ainda a sensfvel.

5. CONCLUSOES

0 caso de Jaguara, ha 20 anos em operagao, vem demonstrar de forma clara e inequfvoca, que a utilizagaode dissipador de energia em salto de esqui em locais onde o macigo rochoso apresenta-se muito fraturado 6tecnicamente possivel. A vantagem de se ter a agao erosiva do escoamento longe das estruturas e aeconomia nos volumes de obras civis sao argumentos ponderaveis em favor de sua adogao, quando com-parada a solugao em bacia de dissipagao convencional.

Esses dissipadores vem sendo usados ja ha 50 anos, o primeito dales na barragem de Mareges na Franca[27], e sua observagao revela que poucos problemas aconteceram [4] sempre sem qualquer risco para aseguranga da barragem. A agao da energia nao dissipada do jato sobre o macigo rochoso sempre provocaerosao e, quase sempre, formagao de barras a jusante, quaisquer que sejam as condigoes geol6gicas.Especificamente registra-se, entre outros, os casos de Grand Rapids - Canada [7], Tarbela - Paquistao [7] e[10], Picote - Portugal [20], Kariba - Africa [211, [22] e [23], Mareges e Aigle - Franga [27]. Cabe aqui mengaoespecial ao acidente de Agua Vermelha onde o talude da barragem de enrocamento da margem esquerda,junto ao vertedouro, foi atacado por correntes de retorno. Essas correntes removeram 40.000 m3 de solo erocha da barragem [111. A solugao adotada foi proteger o talude com muro de concreto.Destaca-se, face a natureza multidisciplinar da questao, a necessidade de trabalho conjunto entre especialis-tas em hidraulica, geologia de engenharia e mecanica das rochas, na definigao do projeto desse e de outrostipos de dissipadores. Destaca-se ainda a necessidade de um major investimento em investigagoesgeol6gico-geot6cnicas na regiao a jusante dos dissipadores, na fase dos estudos de viabilidade e de projetobasico, visando subsidiar esse trabalho conjunto.

6. AGRADECIMENTOS

Agradecemos a CEMIG - Companhia Energetica de Minas Gerais a permissao para divulgagao dos dadosreferentes a Jaguara, bern Como as facilidades para realizagao do presente trabalho. Destaca-se que s6 adivulgagao de dados de prot6tipos sobre erosao possibilitara o debate dos especialistas nas diversas dis-ciplinas envolvidas e, consequentemente, o avango no estado da arte do tema como reportado em [4] e [9].

7. REFERENCIAS

[1] CEMIG. Usina Hidrelatrica de Jaguara: erosoes a jusante do vertedouro. Relat6rio 11.116-GI/A03-001. Belo Horizonte, ago, 1987.

[2] CEMIG. Usina de Jaguara: analise do vertimento de baixas vazoes. Relat6rio Final. Belo Horizonte,fev. 1989.

[3] RUDAVSKY, A.B. Selection of spillways and energy dissipators in preliminary planning of damdevelopments. In: INTERNATIONAL CONGRESS ON LARGE DAMS, 12. Mexico, Mar. 29-Apr.2.1976. Transactions ... Paris, ICOLD, 1976. 046,R9. p. 153-180.

[4] MASON, P.J. The choice of hydraulic energy dissipator for dam outlet works based on a survey ofprototype usage. Proc. Inst. Civ. Engrs., London, 72:209-219, May 1982. Part 1.

[5] MARTINS, R. Cinematica do jacto livre no ambito das estruturas hidraulicas. LNEC, Lisboa, 1977.(Mem6ria, 486).

[6] MASON, P.J. & ARUMUGAN, K. Free jet scour below dams and flip buckets. Journal of HydraulicEngineering, New York, ASCE, 3 (2):220-35.

[7] AVILA, C.M. Erosao a jusante de vertedouros. In: CURSO DE PbS-GRADUCAO EM ENGENHARIAHIDRAULICA. Curitiba, Universidade Federal, dez. 1986.

[8] SPURR, K.J.W. Energy approach to estimating scour downstream of a large dam. Water Power andDam Construction, Sutton, 37('1):81-9, Jul. 1985.

[9] MASON, P.J. & SPURR, K.J.W. Estimating plunge pool scour Discussion. Water Power and DamConstruction, Sutton, 38 (2):7-8, Febr. 1986.

[10] LOWE III J.; CHAO, P.C. & LUECKER, A.R. Tarbela service spillway plunge pool developments.Water Power and Dam Construction, Sutton, 31(11):85-90, nov. 1979.

[11] OLIVEIRA, A.R.; MELLIOS, G.A. & CARDIA, R.J.R. Erosion on the left wrap-around of Jose Ermfriode Moraes Dam. In: INTERNATIONAL CONGRESS' ON LARGE DAMS, 15. Lausanne, Paris, 24-28June 1985. Transactions... Paris, ICOLD, 1985: .059,86, v.4, p.73-92.


[12] MARTINS, R. Acgao erosiva de jactos livres a jusante de estruturas hidraulicas. Lisboa, LNEC, 1973.(Memoria, 424).

[13] COLA, R. Energy dissipation of a high-velocity vertical jet entering a basin. In: IAHR INTERNATIONALCONGRESS, 11. Leningrad, 1965. Proceedings... Leningrad, 1965. v.1.

[14] ANTUNES SOBRINHO, J. & INFANTI Jr., N. Erosion masses subject to flow action: Somegeomechanical and hidraulic aspects. In: INTERNATIONAL CONGRESS OF ENGINEERINGGEOLOGY, 5. Buenos Aires, 20-25 Oct. 1986. Proceedings ... Rotterdam, A.A. Balkema, 1986.

[15] BRITTO, S.Investigacao geomecanica a jusante de vertedouros com dissipador em salto de esqui.In: SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS, 19. Aracaju, mar. 1991. Anais... Rio deJaneiro, CBGB, 1991.

[16] CEMIG/CEHPAR. Projeto HL-60, estudos hidraulicos em modelo reduzido - vertedouro doAproveitamento Hidreletrico de Jaguara. Relatorio no 02 - Observacoes sobre a operag5o do ver-tedouro. Curitiba, nov. 1981.

[17] CEMIG/HIDROESB. Relatorio final dos estudos hidraulicos em modelos reduzidos doAproveitamento Hidreletrico de Jaguara. Rio de Janeiro, dez. 1967.

[18] KANJI, M. & BRITO, S. Condicionamentos geolbgicos da Barragem de Jaguara. In: SEMINARIONACIONAL DE GRANDES BARRAGENS, 7. Rio de Janeiro, nov. 1971. Anais... Rio de Janeiro,CBGB, 1971. M.

[19] PINTO, N. Dissipagdo de energia e erosao a jusante de barragens. In: SIMP6SIO SOBRE AGEOTECNIA DA BACIA DO ALTO PARANA. Sao Paulo, 28-30, set. 1983. Anais... Sao Paulo,ABMS/ABGE/CBMR, 1983. v.1-A, p.49-58.

[20] RIBEIRO, A.A.; CUNHA, L.V.; SILVA, D.P. & LEMOS, F.O. Erosion in concrete and rock due tospillway discharges. In: INTERNATIONAL CONGRESS ON LARGE DAMS, 9. Istambul, 4-8 Sept.1967. Transactions... Paris, ICOLD, 1967. 033,R19, v.2, p.315-31.

[21] MASON, P.J. & ARUMUGAN, K.A. A review of 20 years of scour development at Kariba Dam. In:INTERNATIONAL CONFERENCE ON THE HYDRAULICS OF FLOODS AND FLOOD CONTROL, 2.Cambridge, England, 24-26 Sept. 1985. Proceedings... Cranfield, BHRA, 1985. p.63-71.

[22] RIQUOIS, M. et alii. Problemes poses par ('exploitation et I'entretien des organes d'evacuation desbarrages - enseignements tires. In: INTERNATIONAL CONGRESS ON LARGE DAMS, 9. Istambul,4-8 Sep. 1967. Transactions... Paris, ICOLD, 1973. 033,R28, v.2, p.495-516.

[23] HARTUNG, F. & HAUSLER, E. Scours, stilling basins and downstream protection under free overfalljets at dams. In: INTERNATIONAL CONGRESS ON LARGE DAMS, 11. Madrid, 11-15 June, 1973.Transactions... Paris, ICOLD, 1973. 041,812. v.2, p.39-56.

[24] NEIDERT, S. Desempenho de vertedores - dissipacao de energia, cavitagdo e erosao. Relato geral.In: SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS, 13. Rio de Janeiro, abr. 1980. Anais... Riode Janeiro, CBGB, 1980. v. 3, p. 51-69.

[25] STUTZ, R.O.; GIEZENDANNER, W. & RUEFENACHT, H.P. The ski jump spillway of the KarakayaHydroelectric Scheme. In: INTERNATIONAL CONGRESS ON LARGE DAMS, 13. New Delhi, 29Oct.-2 Nov. 1979. Transactions... Paris, ICOLD, 1979. Q.50,R33. v.3, p.559-76.

[26] RAO, K.N.S. Design of energy dissipators for large capacity spilways. In: SIMPOSIO INTER-NACIONAL SOBRE ARRANJOS GERAIS DE BARRAGENS EM VALES ESTREITOS. Rio de Janeiro,1982. Anais... Rio de Janeiro, CBGB, 1982. v.1 p.311-28.

[27] COYNE, A. Observations sur les deversoirs en saut de ski. In: CONGRESS ON LARGE DAMS, 4.New Delhi, 1951. Transactions... Paris, ICOLD, 1951. Q12,R89.

[28] AKHMEDOV, T.K. Calculation of the depth of scour in rock downstream of a spillway. Water Powerand Dam Construction, 40(12):25-7, Dec. 1988.

[29] HAUSLER, E. Spillways and outlets with high energy concentration. In: SIMP6SIO INTER-NACIONAL SOBRE ARRANJOS GERAIS DE BARRAGENS EM VALES ESTREITOS. Rio de Janeiro,1982. Anais... Rio de Janeiro, CBGB, 1982. v.2, p.178-94.

[30] KAWAKAMI, K. A. study on the computation of horizontal distance of jet issued from ski-jumpspillway. Transactions of JSCE, 3:96-7, 1974.

[31] MOTTA, V.F. A reproducao em modelo reduzido de erosao a jusante de quedas. LaboratbrioHidrotecnico Saturnino de Brito. Revista do Clube de Engenharia, (296), abr. 1961.


ANEXO 1HISTORICO DA OPERAQAO

PER(0D0: JAN/1976 A JUN/1990

QUADRO 5

VAZOES MAXIMAS MENSAIS (m3/s)

ANO JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ

1976 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 296 304

1977 3873 3760 400 992 0 0 0 0 0 0 0 0

1978 1035 2015 67 0 0 0 0 0 697 797 42 0

1979 144 707 455 993 61 0 0 0 0 0 0 0

1980 3749 2466 602 2875 806 400 700 741 0 0 17 0

1981 3725 1200 1740 922 400 0 0 800 800 350 300 3500

1982 3320 2588 3900 3000 1300 964 300 450 450 300 600 3600

1983 4000 4600 4100 3100 2769 3467 2200 1389 3200 3000 2867 3900

1984 3600 1600 400 501 300 567 1021 634 446 500 500 0

1985 3800 3750 2800 1098 725 300 300 935 840 600 650 800

1986 800 814 1225 806 504 400 500 417 300 300 0 0

1987 0 0 0 0 0 0 0 0 604 334 300 300

1988 361 500 2500 113 0 0 0 150 700 300 0 550

1989 200 321 1867 510 0 0 0 350 350 0 0 0

1990 0 0 0 0 0 0

QUADRO 6

VAZOES MEDIAS MENSAIS (m3/s)

ANO JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ

1976 716 684 708 699 606 616 665 725 742 753 962 981

1977 948 944 870 916 774 878 891 942 1021 1008 943 731

1978 853 1006 955 947 924 905 954 905 970 960 963 739

1979 607 648 741 717 839 842 906 927 872 932 903 784

1980 748 826 796 689 710 693 690 703 784 820 725 670

1981 660 641 710 608 615 672 692 725 731 718 672 659

1982 641 568 507 699 636 810 783 681 669 617 512 554

1983 480 524 412 542 591 546 578 587 592 604 607 605

1984 605 608 853 779 847 657 615 634 606 693 819 775

1985 825 778 717 681 733 803 852 743 851 755 850 933

1986 930 860 827 778 903 748 877 876 934 917 811 867

1987 761 651 672 740 709 679 779 701 792 944 713 817

1988 821 807 687 794 656 701 798 783 717 925 910 872

1989 761 801 942 904 836 792 891 726 782 819 918 721

1990 586 655 778 532 698 675


QUADRO 7

PERMANENCIA DE VAZOES VERTIDAS MAXIMAS MENSAIS

VAZAO FREQ. SIMPLESFREQUENCIAS ACUMULADAS

(m3/s) (ABS) (°k) CRESCENTES(ABS) (%)

DECRESCENTES(ABS) (%)

0 300 71 40.80 71 40.80 174 100.00

300 600 36 20.69 107 61.49 103 59.20

600 900 21 12.07 128 73.56 67 38.51

900 1200 9 5 .17 137 78.74 46' 26.44

1200 1500 4 2.30 141 81.03 37 21.26

1500 1800 2 1 .15 143 82. 18 33 18.97

1800 2100 1 0.57 144 82.76 31 17.82

2100 2400 1 0.57 145 83.33 30 17.24

2400 2700 3 1.72 148 85. 06 29 16.67

2700 3000 5 2.87 153 87.93 26 14.94

3000 3300 5 2.87 158 90.80 21 12.07

3300 3600 3 1.72 161 92.53 16 9.20

3600 3900 8 4.60 169 97.13 13 7.47

3900 4200 4 2.30 173 99.43 5 2.87

4200 4500 0 0.00 173 99.43 1 0.57

4500 4800 1 0.57 174 100.00 1 0.57

QUADRO 8

PERMANENCIA DE VAZOES VERTIDAS MAXIMAS MENSAIS

VAZAO FREQ. SIMPLESFREQUENCIAS ACUMULADAS

(m3/s) (ABS) (%) CRESCENTES(ABS) (%)

DECRESCENTES(ABS) (%)

0 275 0 0 . 00 0 0 . 00 174 100.00

275 550 8 4.60 8 4.60 174 100.00

550 825 110 63.22 118 67.82 166 95.40

825 i100 56 32 18 174 10000 56 32.18


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U

I

6

CO Ln N

(s/cw) sI osuaW SDI pa, sopou(gJnl saozon

1' 0

N N N

- XIX SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS - -191-191 -

ANEXO 2ESTIMATIVA DAS PRESSOES HIDRODINAMICAS NA FOSSA DE EROSAO

EXISTENTE A JUSANTE DO VERTEDOURO DA USINA DE JAGUARA

1. METODOLOGIA

Na estimativa das pressoes hidrodinamicas que atuarao na fossa de erosao, existente a jusante do ver-tedouro da usina de Jaguara utilizar-se-'a o metodo de Hartung e Hausler [23].

2. PARAMETROS ENVOLVIDOS

0 (m3/s) - vazao vertida.

NAres (m) - navel do reservatorio.NAius (m) - navel de jusante.H (m) - carga bruta = NAres - NAjus.B (m) - largura no bordo de Iangamento dos vaos do vertedouro em funcionamento.

q (m3/s/m) - vazao especffica no bordo de langamento: q = 0/B

Ho (m) - desnivel entre o NAres e o Centro do tirante no bordo de Iangamento menos a perda de cargaate esta segao.

Hi (m) - desnivel entre o Centro do tirante no bordo de langamento e NAA„s ou topo rochoso.

VL (m/s) - velocidade de Iangamento do jato : VL = 2v

dL (m) - tirante do bordo de langamento : dL = qNL

a - angulo de langamento do jato = 32°

LT (m) - alcance teorico do jato calculado pela formula : LT = Ho sen 2a + 2 Cosa Ho (Ho sen2a -+ H II

Le (m) - alcance efetivo do jato que pole ser calculado por um dos metodos apresentados nareferenda 5.

Vu (m/s) - velocidade teorica do jato ao impactar no NAjus ou no topo rochoso:Vu = V 0+H, )

2Bu (m) - largura da zona de impacto do jato, no caso de jatos retangulares . Essa dimensao a de dificilavaliagao face os efeitos de aeragao e divergencia do jato como descrito na referencia [5].Para efeito da estimativa das pressoes hidrodinamicas adota - se 2Bu = qNu, desprezando-seos efeitos citados e, portanto , ficando -se a favor da seguranga.

Yk (m) - comprimento do nucleo do jato, calculado pela formula yk = Bu/tan ai, onde ai = angulointerior de difusao que varia entre 4° e 6°, podendo-se adotar tan ai =0,10, segundo areferenda [23].

Pu (t/m2) - pressao hidrodinamica na zona de impacto do jato: Pu = Vu2 /2g. Destaca-se que , segundo(m.c.a.) a referenda [23], ate a profundidade y = yk ao longo da linha de Centro do jato a pressao e

constante e igual a Pu. Para valores de y > yk as pressoes sao calculadas pela formula:

P _ Yke- 16(^0Y)2

Pu y

0 bulbo e o diagrama de pressoes hidrodinamicas sao calculados resolvendo-se a equagao. Apos asubstituigao dos parametros conhecidos (Pu e yk) arbitrando-se valores de "p" e "y' tem-se os valores de 'Y'.Com os pares 'x' e "y" a possivel construir os diagramas de pressoes.

au - angulo de impacto do jato, calculado pela formula:

tg au = Cosa sen2a + H10


i

3. DADOS BASICOS

0 (m3/s) 300,00 1.000,00 2.200,00 3.000,00 14.500,00

NARES 557,50 557,00 557,50 557,50 559,00

NAjus (m) 512,30 513,25 514,75 516,00 522,30

H (m) = Ho + Hi 45,20 44,25 42,75 41,50 36,70

B (m) 15,00 45,00 74,25 74,25 88,50

q (m3/s/m) 21,30 22,22 29,63 40,40 163,84

dL (m) 1,11 1,11 1,20 1,65 6,74

dL cos a (m) 0,94 0,94 1,02 1,40 5,73

HoO) (m) 30,95 30,95 30,90 30,68 30,14

VL (m/s) 24,64 24,64 24,62 24,53 24,32

H1 (m) 14,26 13,30 11,85 10,82 6,56

Le (m) 66,00 66,00 65,00 64,00 63,26

Vu (2) (m/s) 29,78 29,46 28,96 28,53 26,83

213u (m) 0,72 0,75 1,02 1,42 6,11

yk (m) 3,58 3,75 5,10 7,10 30,53

Pu (t/m2) 45,20 44,25 42,75 41,50 36,69

au 45,37° 45 0 44,25° 43,90° 39,71°

(1) desprezou-se as perdas de carga ao Iongo do perfil vertente.

(2) desprezou-se tambem as perdas por atrito com o ar.

4. ESTIMATIVA DAS PRESSOES HIDRODINAMICAS

Resolvendo-se a equagAo:

P - yk e i6t10Y )2

P„ y

tern-se:x = J- 0,05 y2 (In P.y. - In Pu yk)

Substituindo -se os valores de "Pu" e "yx" para cada vazao (item 3) e arbitrando -se valores para "Y' e "P" tem-se os valores de "x" constantes dos quadros seguintes . Os diagramas de pressao para as vazoes de 300 e14.500 m3/s constam das Figuras 12 e 13

QUADRO 9 - BULBO DE PRESSOES HIDRODINAMICAS: Q = 300 m3/s

P (t/m2) 40 35 30 25 20 15 10 5 1

y (Rn) x (m)

4 0,03 0,34 0,49 0,62 0,75 0,89 1,06 1,29 1,72

5 - - 0,31 0,57 0,78 0,98 1,21 1,53 2,09

10 - - - - - 0,63 1,56 2,43 3,73

15 - - - - - - 0,94 2,95 5,18

18 - - - - - - - 3,09 5,97

20 - - - - - - - 3,11 6,47

25 - - - - - - - 2,86 7,65

30 - - - - - - - 1,89 8,72

35 - - - - - - - - - 9,70


QUADRO 10 - BULBO DE PRESSOES HIDRODINAMICAS : Q = 1.000 m3/s

P (t/m2) 40 35 30 25 20 15 10 5 1

y (m) x (m)4 0,32 0,45 0,57 0,69 0,81 0,94 1,10 1,33 1,75

5 - 0,21 0 ,49 0,68 0 , 86 1,05 1,27 1,76 2,12

10 - - - - - 0,97 1,72 2,54 3,81

15 - - - - - - 1,46 3,15 5,29

18 - - - - - - 0,34 3,37 6,12

20 - - - - - - - 3,45 6,64

25 - - - - - - - 3,41 7,87

30 - - - - - - - 2,92 9,00

35 - - - - - - - 1,47 10,04

QUADRO 11 - BULBO DE PRESSOES HIDRODINAMICAS : Q = 2.200 m3/s

y (m) x (m)

6 0,13 0,51 0,73 0,93 1,12 1,34 1,58 1,94

- - - 0,98 1,55 2,10 2,8110

15 - - - 0,91 2,32 3,63

20 - - - - 1,96 4,21

- - - - - - 4,5525

P (t/m) 40

QUADRO

35

12 . BULBO

30

DE PRE

25

SSOES

20 15

HIDRODINAMICAS: Q =

10 5

30 - - - - - 4,64

35 - - - - 4,46

3.000 m3/s

P (t/m2) 40 35 30 25 20 15 10 5

y (m) x (m)

7,10 - 0,85 1,05 1,25 1,46 1,69 1,97 2,37

10,00 - - 0,69 1,18 1,58 1,99 2 ,44 3,07

15,00 - - 1,04 2,08 2,98 4,08

20,00 - - - 1,39 3,17 4,89

25,00 - - - - 2,95 5,51

30,00 - - - - - 2,08 5,96

35,

QUADRO 13 - BULBO DE PRESSOES HIDRODINAMICAS: Q = 14.500 m3/s

P (Vm2) 35 30 25 20 15 10 5

y (m) x (m)

30,53 1,46 3,05 4,22 5,31 6,45 7,78 9,63

35,00 - 1,97 3,88 5,36 6,81 8,44 10,66

40,00 - - 3,00 5,18 7,06 9,07 11,74

35,00 6,24

55,00 - - 1,60 6,79 10,36 14,57

45,00 - 4,69 7,15 9,60 12,74

50,00 - - - 3,75 7,07 10,03 13,69

55,

60,00 6 ,26 10,59 15,39


1

2,58

3,99

5,59

7,06

8,42

9,70

10,89

1

3,11

4,18

5,90

7,49

8,98

10,39

11,73

1

12,96

14,57

16,32

18,04

19,71

21,35

22,95

ALC NCE EFETIVO SEOUNDOOMETODO DE KAWAKAMI

N.A. RES . 557,50

WNO TA : 10 500

PARA LOCALIZA;iO DA SEcA0, QVER FIGURA 5 >

490wJW 480

,-ALCANCE MEDIDO NO. MODELO REDUZIDO

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

.DISTANCIA (m)

FIGURA 12- PRESSOES HIDRODINAMICAS NA FOSSADE E ROSA0 - Q = 300 m3/s

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

DISTANCIA (m)

FIGURA 13- PRESSOES HIDRODINAMICAS NA FOSSADE EROSA0-Q=14500 m3/s


energia em salto de esoui em maciqos consideracoes sobre … sobre a utilizacao... · consideracoes...

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