XVI SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS

BELO HORIZONTE

NOVEMBRO 1985

AVAL]ACAO DA VIDA GTIL DO RESERVATORIO

DA BARRAGEM NO RIO MANSO NO

ESTADO DE MATO GROSSO

TEMA II

Newton de Oliveira Carvalho

Engenheiro Civil

DNOS-Departamento Nacional de Obras de

Saneamento - Rio de Janeiro-RJ

Wellington Coimbra Lou

Engenheiro do Dept. de Hidrotecnica

ENGEVIX S.A. -Professor Adjunto da

UFRRJ-RJ

349

_Q

- XVI SEMINARIO NACIONAL DE CRANDES BARRAGENS -

AVALIAcAO DA VIDA OTIL DO RESERVATORIO DA BARRAGEM

NO RIO MANSO NO ESTADO DE MATO GROSSO

N.O.Carvalho (1) , W.C.Lou (2)

1. CONSIDERAcOES PRELIMINARES

Os diversos fatores que afetam o assoreamento de um reservat6

rio sao complexos. As tecnicas de medicoes sao, da mesma forma,

complexas e dispendiosas. Sao bem conhecidos, porem, os efeitos

da sedimentarao continua de reservatorios que mais cedo ou

mais tarde, fatalmente, ficarao assoreados.

A retengao do sedimento nos reservatorios de aproveitamento hi

dreletrico, normalmente, garante a limpeza das aguas que passam

pelas turbinas, implicando na diminuirao da abrasao das pas e

minorando futuros problemas de manutenrao dos equipamentos. Da

mesma forma, em reservatorios do captagao para servigos de abas

tecimento d'agua,a deposicao do sedimento reduzira a possibili

dade de ocorrencia de efeitos indesejaveis nas estacoes de bom

beamento e refletira na incidencia de menores cu:,tos de trata

Mento.

Entretanto,a sedimentacao constante provocara gradativamonte

uma redurao significativa da capacidade de retengao e algum tem

po depois as particulas ja passarao pelos condutos, prejudican

do as equipamentos. Muito antes disto acontecer, as comportas

de fundo para retirada de sedimento ja poderao estar emperradas

e danificadas. 0 volume de agua do reservatorio sera aos poucos

substituido por sedimento. A medida que isto ocorre os proble

mas vao evidenciando a necessidade do rr.aiores cuidados na opera

qao e manutencao do aproveitarn,ento.

A formagao do delta vai, aos poucos, provocando problemas de

inundacao a montante com reflexos nas populacoes ribeirinhas e

na agricultura das margens. 11 atualmente uma constatagao, com

provada atraves de estudos e pesquisas efetuadas em inumeros

reservatorios, que grande percentagem do volume do scdimentos

351

deposita-se na regiao deltaica, provocando, em consequencia, a

diminuigao do volume disponivel Para regularizagao ou geragao

de energia. Um reservatorio assoreado so tem possibilidades de

ser aproveitado a fio d'agua; no tendo capacidade de armazena

mento e consequentemente regularizagao, turbinara aqua nas mes

mas condigoes que o rio transporta..Caso tipico e recente ocor

re na barragem de Mascarenhas no rio Doce; o reservat6rio plane

jado para regularizar 600 m3/s e gerar 120 MW, com tr&s turbi

nas, so tem disponivel na maior parte do tempo uma vazao de

400 m3/s, as vezes baixando.a 190 m3/s em anos secos. A bacia

hidrografica tem uma grande produgao de sedimento e assoreou o

reservat6rio em curto prazo, exigindo limpezas peri6dicas de al

to Gusto.

Na bacia do rio Doce existem outros reservatorios com diferen

tes usos de aqua com os mesmos problemas de assoreamento. A pro

dugao de sedimento por area de drenagem e geralmente maior numa

pequena,que numa grande bacia. Alguns investigadores concluiram

que a produgao varia exponencialmente com o tamanho da area de

drenagem (Bib.2). Nesse caso um grande reservat6rio estara mais

protegido tanto pelo seu tamanho e capacidade de armazenamento

quanto pela menor produgao especifica de sedimento da bacia.

Sao conhecidos e registrados no pails, pore m, casos de grandes

barragens com problemas de assoreamento evidente de seus reser

vatorios, tais como o aproveitamento de Tres Marias no rio Sao

Francisco, o de Xavantes no rio Paranapanema, de Paraibuna - Pa

raitinga no rio Paraiba do Sul e de muitos outros com evidente

processo de assoreamento e ja exigindo protegao de suas bacias

hidrograficas.

Recentemente, a Companhia Hidroeletrica do Sao Francisco pediu

ao Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais e a Empresa Brasi

leira de Pesquisas Agropecuarias copias dos estudos realizados

com ajuda de satelites, indicando a redugao da vida util do re

servatorio de Sobradinho devido ao assoreamento acelerado. Se

gundo as empresas, o lago de Sobradinho estara totalmente asso

reado daqui a 80 anos, sendo quea CHESF havia calculado que num

prazo de 100 anos deveria ocorrer um assoreamento de apenas 5%

352

de sua capacidade. Esta informagao necessita ser adequadamente

investigada, porque Sobradinho e um reservatorio de baixas pro

fundidades em uma grande parte de sua area, podendo mascarar es

tudo feito por meio de fotos aereas.

A agao humana pode provocar mudangas drasticas na produgao de

sedimento, acelerando o processo. 0 descobrimento do solo, quer

pela construcao de estradas, obras em geral e mesmo agricultura,

pela necessidade de desenvolvimento regional, provoca maior ero

sao e major sedimentacao.

A necessidade de verificagao do tempo de assoreamento e calculo

da vida util vlos reservatorios ja faz parte, rotineiramente, do

projeto da barragem. Sao calculos imprescindiveis para se dimen

sionar, adequadamente, o volume morto e consequentemente a altu

ra da barragem e tomada d'agua. Eventualmente podera ser verifi

cada ate mesmo a inviabilidade do projeto naquele local se a pro

dugao de sedimento for grande.

Por falta de pesquisa adequada os metodos de calculo ate ha you

co existentes no levavam em conta a distribuicao do sedimento

nos reservatorios, o que conduzia a resultados imprecisos da vi

da util.

Recentes pesquisas (Bib.2), bem como outros trabalhos, ja permi

tem um calculo mais realista e preciso. 0 metodo apresentado

por Strand e simples e ester bem desenvolvido no seu trabalho .

A nossa contribuigao consistiu em fazer uma aplicacao no siste

ma metrico para o qual transformamos as constantes e graficos

dependentes de unidades de medida.

Foi escolhido para aplicagao o calculo do assoreamento da barra

gem do rio Manso, no Estado do Mato Grosso. Este e um empreen

dimento de usos multiplos para controle de cheias em Cuiaba, e

outras cidades a jusante da barragem, aproveitamento hidroele

trico e melhoria da navegagao. 0 projeto feito primordialmente

pelo DNOS, Departamento Nacional de Obras de Saneamento, que

ora usamos, ester sendo reformulado pela ELETRONORTE, para ampli

353

i

ar a capacidade de aproveitamento hidroenergetico.

2. DESCARGA SOLIDA AFLUENTE

A medigao da descarga s6lida em posto fluviometrico no local

da futura barragem ou, quando esta existe, em posto de entrada

do reservatorio e necessaria para o conhecimento do volume de

sedimento e do tempo do assoreamento. Nem todo o sedimento ero

dido na bacia hidrografica e transportado para a calha do rio.

Parte fica retido em barreiras naturais ou artificiais e parte

e depositado em areas planas, razoes da necessidade de que a

medigao da carga solida seja feita na area de influencia da bar

ragem.

A descarga solida e determinada por amostragem numa segao trans

versal , analises laboratoriais do sedimento e calculo por pro

cesso compativel das condigoes de escoamento e de material. Ten

do-se os dados das diversas medicoes efetuadas , tram- se a cur

va-chave de sedimentos que traduz a relacao entre descarga so

lida e descarga liquida. Na plotagem dos pontos , em papel log-

-log, deve-se verificar os periodos chuvosos e de estiagem para

tragado de curvas distintas, se for possivel. As equagoes deri

vadas terao a forma do tipo QS t = KQn, sendo Qst a descarga soli3

da (t/dia) em abscissa, Q a descarga liquida (m /s) em ordenada,

K e n constantes.

3. ASSOREAMENTO E DISTRIBUIgAO DO SEDIMENTO NO RESERVATORIO

A correlagao obtida permitira o calculo da descarga solida me

dia anual afluente, que sera necessaria ao conhecimento do va

for da sedimentagao gradual do reservatorio. Para uma determi

nagao mais precisa deverao tambem ser considerados no projeto

da barragem a eficiencia de retengao do sedimento, o peso espe

cifico final do sedimento depositado e a distribuigao do sedi

mento no reservatorio.

354

3.1 Eficiencia de Retengao

Expressa -se a eficiencia de retengao de sedimento num reserva

torio, pela razao entre a quantidade total de sedimento deposi

tado e a quantidade de sedimento afluente.

A estimativa da eficiencia e baseada em trabalhos empiricos rea

lizados a partir de observacoes de depositos de sedimentos em

varios reservatorios . Os estudos mais conhecidos sao os de G.

Brune e de M.A. Churchill (Bib.2 ). Brune apresenta uma serie de

curvas envolventes (figura 1), tendo em ordenadas as percenta

gens de sedimentos retidos (defluvio solido retido em relacao

ao defluvio solido afluente) e em abscissas a capacidade de aflu

encia (volume do reservatorio em relacao ao volume afluente anu

al). Quando for necessario estudar reservatorios em que foram

feitas retiradas de sedimento por algum processo , usa-se a cur

va desenvolvida por Churchill.

A eficiencia de retencao de sedimentos a analisada por periodos

incrementais de tempo.

3.2 Peso Especifico Aparente

O dep6sito de sedimento no reservat6rio e calculado em peso por

tempo (t/dia), devendo ser convertido em volume. Isto e feito

pelo conhecimento de peso especifico aparente do sedimento depo

sitado.

Diversos fatores influenciam o valor do peso especifico poden

do-se destacar a maneira como o reservatorio esta sendo opera

do, a textura e granulometria do sedimento, a compactacao ou va

for da consolidacao, a agao de correntes de densidade, a decli-

vidade do talvegue e o efeito da vegetagao da bacia. A operagao

do reservatorio e a granulometria sao os fatores de maior in

fluencia.

355

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As pesquisas desenvolvidas por Lara e Pemberton (Bib.2) resulta

ram na seguinte classificagao:

Tipo Operagao do Reservatorio

1 Sedimentos sernnre ou quase sempre submersos

2 Deplegao do reservatorio: de pequena a media

3 Reservatorio normalmente vazio

4 Sedimentos do leito do rio

0 calculo do peso especifico aparente e feito pelas equay6es

abaixo:

Yi = WC PC + Wm PC + Ws PS

Yt = yi + K log T

ou

sendo,

Yt = yi + 0, 4343 K{- ;_1 (LT) -1 }

Yi = peso especifico aparente inicial (t/m3);

Wc,Wm,Ws = coeficientes de compactacao da argila, silte

e areia obtidos segundo o tipo do operasao do

reservatorio (tabela abaixo);

Pc'Pm'Ps = percentagens de argila, silte e areia do sedi

Yt

T

mento afluente;

= peso especifico medio (t/m3

= tempo de comractagao (anos)

K = constante quo depende da granulometria do se

dimento e obtida com base no tipo de operagao

do reservatorio (tabela abaixo) com calculo

semelhante ao valor de Yi

L = logaritmo neperiano

356

Tipo de Operacao Argila Silte Areiade Reservat6rio W K W K W K

c in s

1 0,416 0,2563 1,121 0,0913 1,554 0,0

2 0,561 0,1346 1,137 0,0288 1,554 0,0

3 0,641 0,0 1,153 0,0 1,554 0,0

4 0,961 0,0 1,169 0,0 1,554 0,0

3.3 Distribuicao de Sedimento no Reservatorio

0 sedimento que se deposita num reservatorio tem sua distribui-

qao irregular. 2 fungao de varios fatores interrelacionados en-

tre os quais se destacam diametro e forma das particulas, rela-

coes entre descarga afluente e a efluente, tamanho e forma do re

servatorio e o procedimento de sua operagao.

Para calcular o volume de sedimento depositado cm certo tempo

e sua distribuigao, foram feitas pesquisas em diversos reserva-

torios que resultaram em metodos adequados a um conhecimento

mais realista. Um doles, denominado "Metodo Empirico de Reducao

de Area", desenvolvido por Borland e Miller (Bib.2), a apresenta

do neste trabalho usando o sistema metrico.

Os dados obtidos nos estudos norte-americanos indicaram que exis

to uma relagao entre a forma do reservatorio e a porcetagem de

sedimento depositado ao longo do leito. Resultaram, entao, qua-

tro tipos de reservatorios de acordo com certas caracteristicas

geometricas como segue:

Tipo de Reservatorio Ill Classificagao

I 3,5 a 4,5 De zonas planas

II 2,5 a 3,5 De zonas de inundagao a colinas

III 1,5 a 2,5 Montanhoso

IV 1,0 a 1,5 De gargantas profundas

357

0 valor de m e calculado a partir da curva profundidade x capaci-

dade, em papel log-log, conforme demonstra o grafico tracado para

o exemplo (Figura 2). 0 calculo da correlagao mostrou que o re-

servatorio e do Tipo III, classificagao de "montanhoso" que coin-

cide com a topografia regional. Os valores das coordenadas foram

obtidas da curva de areas x volumes x cotas (Figura 3).

Os estudos nos diversos reservatorios ainda levaram a outras cur-

vas caracteristicas de reservatorios usando diversas relagoes cu-

jas grandezas sao adimensionais: curva de acumulagao em reserva-

t6rio (Figura 4), curva de determinagao da profundidade de sedi-

mento na barragem (Figura 5) e curva de area de reservatorios (Fi

aura 6).

Calcula-se por tentativas o sedimento depositado e sua altura

no pe da barragem, trabalhando-se com os graficos 4, 5 e 6. Tem-

-se para cada etapa de iteragao do processo a distribuigao do se-

dimento no reservatorio e, portanto, a nova cota do fundo do lago

depois da distribuigao.

4. EXEMPLO DE CALCULO DO M TODD EMPIRICO DE REDUcAO DE AREA

0 projeto de construgao da barragem do rio Manso apresenta as se-

guintes dados adicionais necessarios ao presente trabalho:

Volume total = 4,35x109m3

Descarga media afluente = 161 m3/s

Volume afluente medio anual = 5,08x109 m3/s

Cota de coroamento da barragem = 281,70 m

Cota da soleita do vertedor do emergencia = 277,0 m

Cota de volume nulo = 240 m

Cota da soleira do vertedor de servigo = 273 m

A descarga s6lida media anual pode ser obtida a partir de equagao

da curva-chave de sedimento,cuja expressao para o rio Manso resul

tou em QSt = 0,0118 x Q2'35. Calculando-se, temos o valor de

1811 t/dia ou 661.015 t/ano. 0 sedimento retido no reservat6rio

e 97% que resulta em 641.184 t/ano, valor obtido do use da curva

de eficiencia de retengao.

358

A granulometria das amostras de sedimento em suspensao e de arras

to, verificadas em funrao das quantidades da descarga solida cor-

.respondente, resultou numa composigao media de argila igual a

18,5%, silte 30,9% e areia 50,6%. A aplicagao da formula de y pa

ra o tipo I de operacao de rescrvatorio da o valor de peso especi

fico aparente inicial 1,210 t/m3, sendo K igual a 0,076.

0 calculo de yt sera feito a partir da segunda formula que leva

a resultados um pouco inferiores a primeira.

A bacia do rio Manso tem uma boa cobertura vegetal e muitas ro-

chas no alto curso, o que resulta numa pequena producao de sedi-

mento e uma vida util longa para o reservatorio.

Calculemos a altura de deposito de sedimento no pe da barragem

para a altura do vertedor de servigo num tempo de 6 000 anos, con

siderando H = 37 m, valor em relagao ao vertedor de emergencia,

usando o Quadro I.

0 peso especifico aparente para esse tempo e 1,46 t/m3 e volume

de sedimento S = 2,64 x 109m3. Dntao:

QUADRO I

1 2 3 4 5 6Altitude h

p = Ah V S-V H x A h'

( m) H (m3)

265 0,68 1,16 x 109 1,48 x 109 4,35 x 109 0,34

270 0,81 1, 89 x 109 0, 75 x 109 6, 18 x 109 0,12

274 0,92 2, 50 x 109 0, 14 x 109 7, 77 x 109 0,018

359

Os valores de V e A sao obtidos da curva cota-area-volume. Plo-

ta-se as grandezas das colunas 2 e 6 no grafico da Figura 5; 0

ponto de intersegao com a curva tipo III correspondente a P 0

= 0,87, entao o sedimento depositado chega a y0 = 0,87 x 37

= 32,2 m, sendo a altitude 272,2 m.

A soleira do vertedor esta na altitude de 273 m, mostrando que a

evolugao do assoreamento nas atuais condicoes de producao de se-

dimento resultara um pouco superior a 6 000 anos.

A distribuirao do sedimento no reservatorio e feita com o use

do Quadro II que foi preenchido segundo a orientacao da biblio-

grafia 2.

Nova curva cota-area-volume do reservatorio pode scr desenhada a

partir dos dados da coluna 9 e 10.

6. CONCLUSOES E RECOMENDAc0ES

Os resultados, ora encontrados, sao advindos de uma amostragem

pequena de descarga solidade que devera ser melhorada com futu-

ras medigoes. Sabe-se, ainda, quo incrementos de desmatamento

na bacia de drenagem resultara em mudangas nos presentes resul-

tados. Diante de tal quadro recomenda-se um maior monitoramento

da bacia pelos orgaos competentes evitando ou minimizando ativi-

dades que causem desequilibrio hidrossedimentologico na bacia.

7. BIBLIOGRAFIA

1 - CARO/MADEIRA/LOU, Leonardo Caro G., Eduardo F. Madeira C

Wellington C. Lou. Aplication de Modelo Matem5tico de

Deposicion de Sedimentos al calculo do la Vida Gtil de

um Embalse, 1984. Brasilia, DF. Brasil (a publican).

2 - STRAND, Robert I. Sedimentation. Design of Small Dams,

Appendix Ii. Bureau of Reclamation. 1974. Washington,

DC.USA.

360

3 - SONDOTECNICA, Engenharia de Solos S.A. Projeto Executivo da

Barragem do rio Manso. Trabalho contratado pelo DNOS, De

partamento Nacional de Obras de Saneamento. Janeiro de

1976. Rio de Janeiro, RJ. Brasil.

RESUMO

0 presente estudo visa avaliar a vida util do reservatorio da bar

ragem implantada no rio Manso no Estado do Mato Groso com finali-

dades de contecao de cheias, geragao de enorgia e aumento de ti-

rante d'agua para navegacao. Dentro da abordagem metodologica e

considerada a distribuigao de sedimentos ao longo do reservatorio

permitindo, ao contrario dos metodos classicos, avaliar um tempo

de assoreamento mais realista para a vida util do aproveitamento.

361

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362

RELAcAO "CAPACIDADE/VAZAO AFLUENTE ANUAL" (hm3 de CAPACIDADE/hm3x FLUXO AN UAL)

FIG. 1 - CURVAS DE EFICIENCIA DE RETENcAO ( Bibl.2)

I I i I^_.._SARR AGE M DO RIO MANSO

32,5 mm

70,5 mm

10m 70,5_

32,5

RESERVATORIO TIPO

• ! I

I I I i I i l l `

100x106 1000x106

VOLUME (m3)

FIG. 2 - PROFUNDIDADE x CAPACIDADE

m

f

10000.106

363

100

3 4 5 6 7 8 9VOLUMES ( 109m3)

10 Il 12 13 14 15

600 500 400 300 200 100 0I I 1 1 1 1 1 1 I I 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 I I I I I 1 1 1 1

AREAS(km2)

FIG, 3 - CURVAS DE AREAS E VOLUMES x COLAS ( BibI.3

0

10

0

2

10 20 30 40 50 60

PERCENTAGEM DOSEDIMENTO DEPOSITADO

FIG. 4 - CURVAS DE PERCENTAGEM DE PROFUNDIDADE x

PERCENTAGEM DE VOLUME DE SEDIMENTO ( Bibl. 2)

364

PROFUNDIDADE RELATIVA p0'0.87

FIG. 5 - CURVAS PARA DETERMINAR A PROFUNDIDADE DE

DEPOSITO DE SEDIMENTO NA BARRAGEM ( Bibl.2 )

2,2

2,0

1,8

1,6

1,2

1,0

0,6

0,

0,2

P R O F U N D I D A D E RE LATIVA ( P)

FIG. 6 - CURVAS DE PROFUNDIDADE RELATIVA x AREA RELATIVA

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