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XXIII Seminário Nacional de Grandes Barragens - Belo Horizonte, 1999 - Pág. 165 a 174

ESTABILIZAÇÃO DA BARRAGEM DAS CODORNAS

Jorge Felippe da Silva Filho e Alexandre José de Carvalho

RESUMO

Durante as fortes precipitações ocorridas no período chuvoso 1996/1997, a barragem das Co-dornas, de concreto, foi galgada pelas águas provenientes da ruptura de uma barragem de terralocalizada a montante. Para prover a barragem de novas estruturas de controle de cheias queevitassem a repetição do acidente, optou-se por uma solução que, simultaneamente, diminuiu amassa de concreto da barragem e elevou sua crista. Para estabilizar a barragem, foi projetado

um sistema de drenos de alívio perfurados a partir da face de jusante da barragem. O sistemade drenagem foi projetado admitindo-se critérios para determinação das subpressões menosconservadores do que os convencionais.

1- INTRODUÇÃO

A barragem das Codornas faz parte do sistema de geração hidroelétrica do Rio do Peixe, daMineração Morro Velho (MMV)(1)*. A estrutura é constituída por uma barragem de gravidade,encaixada em um vale rochoso estreito e profundo, conforme indicado, de forma esquemática,na Figura 1.

Durante as fortes precipitações ocorridas no período chuvoso 1996/1997, a barragem foi gal-gada pela onda de cheia causada pela ruptura de uma barragem de terra localizada a montante,que provocou danos de monta ao sistema, especialmente na região da ombreira esquerda dabarragem(1).

2 - SISTEMA DE CONTROLE DO RESERVATÓRIO

A Figura 2 mostra uma seção transversal da barragem das Codornas, indicando as estruturashidráulicas originais disponíveis para controle do nível do reservatório.____________________________________________________________________________

(*) O número entre parênteses indica publicação constante nas Referências Bibliográficas



Estas estruturas compreendiam as tomadas d'água que alimentam o conduto forçado, a descar-ga de meio fundo, operada por duas comportas, e os sifões.

Os sifões, que representavam a estrutura vertedora de superfície da barragem, entravam em

operação, automaticamente, sempre que o N.A. atingisse o nível localizado a 1,20 metros abai-xo da crista da barragem.

No período de estiagem, as comportas de meio fundo permaneciam fechadas e o nível do re-servatório era mantido com adução de água proveniente da operação do sistema de alimentaçãodo reservatório da Lagoa Grande(1).

Durante os períodos chuvosos, as comportas eram acionadas manualmente, procurando mantero N.A. normal próximo ao seu nível máximo operacional que coincide com o de captação dossifões, gerando uma borda livre de 1,20 metros em relação à crista.

Caso a operação não conseguisse manter o reservatório abaixo daquele nível, os sifões entra-vam em operação, automaticamente, de forma a manter o nível do reservatório naquela eleva-ção.

3 - HISTÓRICO DO ACIDENTE

Entre os dias 19 e 24 de dezembro de 1996, o nível do reservatório estava em seu nível opera-cional máximo, sob o efeito das chuvas normais, quando um afluxo excepcional, gerado pelorompimento de uma barragem a montante e que não pôde ser dominado pelo sistema de contro-le do nível do reservatório, ocasionou o galgamento da Barragem das Codornas por uma lâmi-

na de água de aproximadamente 0,35 metro de espessura. O galgamento permaneceu atuantepor um período de aproximadamente 4 (quatro horas) (1).

4 - DANOS CAUSADOS AO SISTEMA

Os danos à barragem concentraram-se na sua ombreira esquerda, que sofreu um intenso pro-cesso erosivo(1). A barragem de concreto, tendo sido submetida a várias inspeções, nos diassubseqüentes ao acidente, não apresentou fissuras ou deslocamentos da massa de concreto nemqualquer outro dano aparente, proveniente do acréscimo de carga hidráulica atuante durante oacidente, permanecendo virtualmente intacta.

5 - MEDIDAS PARA EVITAR A REPETIÇÃO DO ACIDENTE

Pelo fato de existirem outras barragens a montante do reservatório da barragem das Codornas,decidiu-se que, além da implantação das obras para reparação dos danos causados ao sistema,era necessário dotar a barragem de uma estrutura de vertimento que lhe garantisse uma deter-minada segurança hidráulica, no caso de repetição do acidente.

Dentre as várias opções estudadas(1), decidiu-se pela construção de um vertedouro de superfícielivre na crista da barragem. Basicamente, esta solução consistiu em efetuar um corte de 1,20metros ao longo da crista da estrutura de concreto, de forma que a soleira do novo vertedouro

viesse a coincidir com a soleira do sifão original.



A extensão máxima deste corte, e portanto da extensão da soleira do vertedouro, considerandoas características da estrutura da barragem e levando em conta a segurança das ombreiras, é de60 metros, iniciando-se na parede direita do vertedouro de meio-fundo que opera atualmente e

terminando na ombreira direita. Nos trechos onde existem as casas de máquina para operaçãodas comportas de fundo e da tomada d’água, proteções especiais foram estudadas para evitarinundações quando o vertedouro estiver em operação.

Para a proteção da margem esquerda, foi projetado um dique de terra, que manterá o reservató-rio afastado da ombreira, ligado à barragem através de um muro de abraço, construído em con-creto ciclópico.

Uma mureta de concreto situada na mesma elevação que a crista do dique, construída para do-tar o reservatório de uma certa capacidade de amortecimento de cheias, elevando a crista da

barragem em 1,20m, completa o novo sistema de vertimento.

A Figura 3 mostra a configuração atual do sistema de controle do reservatório e a Figura 4mostra detalhes da mureta e do vertedouro de crista.

6 - ESTABILIDADE DA BARRAGEM

6.1 - INTRODUÇÃO

A demolição para implantação do vertedouro de superfície e a construção da mureta de concre-to, provocaram uma redução no peso da barragem e uma elevação de sua crista. Isto obrigou a

que as condições de estabilidade da barragem fossem reavaliadas para as novas condições decontorno.

Os estudos foram iniciados por um trabalho de pesquisa nos arquivos da Mineração Morro Ve-lho, para verificar a existência de memórias de cálculo do projeto original.

Entretanto, os únicos documentos encontrados foram alguns desenhos relacionados com osprojetos mecânicos das comportas e alguns estudos de alteamento da barragem, datados de1948, contendo poucas informações de importância técnica.

6.2 - GEOMETRIA DA BARRAGEM

Para a obtenção da geometria da barragem, foi executado um levantamento topográfico da suaseção máxima.

6.3 - PARÂMETROS DE RESISTÊNCIA

A rocha de fundação pode ser observada no pé de jusante da barragem e é constituída basica-mente por quartzitos bastante resistentes. Para a definição dos parâmetros de resistência geo-mecânica da rocha de fundação, válidos para o contato concreto/rocha, decidiu-se efetuar umasérie de retroanálises, tendo por base as condições de carregamento atuantes no dia do aciden-

te, conforme indicado a seguir.



6.4 - RETROANÁLISES

Para a realização das retroanálises, foram adotadas os seguintes parâmetros básicos:

- ângulo de atrito do quartzito, ∅' = 45°;

- o nível de água a montante estaria 0,35m acima da crista da barragem, corresponden-do

ao nível durante o acidente;

- as subpressões na base da barragem seriam totais.

Foi assumido ainda que, durante o acidente, os coeficientes de segurança, seriam aqueles cor-

res-pondentes ao Caso de Carregamento Limite (CCL), discutido mais adiante.

As expressões utilizadas para as análises de estabilidade foram as seguintes:

- segurança à flutuação

1≥∗∑

∑FSF U

V (1)

onde:

V = cargas gravitacionaisU = cargas devidas às subpressõesFSF = coeficiente de segurança à flutuação

- segurança ao tombamento

1≥∗∑

∑FST MT

MR(2)

onde:

MR = momentos resistentesMT = momentos de tombamentoFST = coeficiente de segurança ao tombamento

- segurança ao escorregamento

( )1≥

∗∗

+∗

∗−

∑∑∑ ∑

cFSD H

AC

FSD H

tgU V

φ

φ (3)



onde:V = cargas verticais

U = cargas devidas às subpressõesH = cargas horizontaisC = coesãoA = área da base da estruturaφ = ângulo de atritoFSDφ = coeficiente de segurança com relação ao ângulo de atritoFSDc = coeficiente de segurança com relação à coesão

Foi assumido ainda que, durante o acidente, os coeficientes de segurança seriam aqueles cor-res-pondentes ao Caso de Carregamento Limite (CCL), indicados na Tabela 1.

Como resultado, as retroanálises permitiram estimar o valor da coesão do quartzito como sendoigual a 200 kN/m2.

Coeficientes deSegurança

Condições de Carregamento

Normal (CCN) Excepcional (CCE) Limite (CCL)

FSDC 4,00 3,00 2,00FSDØ 1,50 1,30 1,20FST 1,50 1,30 1,20FSF 1,50 1,30 1,20

Tabela 1 - Coeficientes de Segurança Utilizados nas Análises

6.5 - ANÁLISE DA ESTABILIDADE PARA AS NOVAS CONDIÇÕES DE CONTORNO

Com base nos parâmetros geomecânicos obtidos nas retroanálises, foram realizadas novas aná-lises de estabilidade da barragem, desta vez considerando-se sua nova geometria e as novas

condições de carregamentos determinadas pelos estudos hidrológicos e hidráulicos.

Os coeficientes de segurança utilizados para os vários casos de carregamento, estão indicadosna Tabela 1.

Com relação aos carregamentos hidráulicos, foram considerados três diferentes níveis de águaa montante e dois diferentes níveis a jusante, conforme indicado na Tabela 2.

Nos casos CCN, o nível d’água de montante tangencia a crista do vertedouro, sem escoamento,e nos demais casos a água estaria escoando pelo vertedouro.

Em todos os casos analisados, foi admitido diagrama de subpressões totais na base.



Foram calculados os coeficientes de segurança à flutuação, ao tombamento e ao deslizamento,obtendo-se os valores indicados na Tabela 2. Além disso, foi também efetuada a verificação donível de tensões atuantes na base, como é de praxe.

Caso deCarrega-

mento

NA Montante NA JusanteFST

Fator Segu-rança ao

Tombamento

FSDFator Segu-

rança ao Des-lizamento

FSFFator Se-gurança àFlutuação

CCN1 1.198,00 1.163,94 1,17 0.90 3.10CCN2 1.198,00 1.166,94 1,16 0,88 2,77CCE1 1.198,26 1.163,94 1,06 1,01 2,98CCE2 1.198,26 1.166,94 0,87 0,97 2,67

CCL1 1.199,71 1.163,94 1,09 1,00 2,99CCL2 1.199,71 1.166,94 1,08 0,95 2,69

Tabela 2 - Coeficientes de Segurança Para as Novas Condições de Contorno da Barragem

6.6 - ANÁLISE DOS RESULTADOS - ESTUDOS ADICIONAIS

Observa-se da Tabela 2, que os coeficientes de segurança são menores do que os valores indi-cados na Tabela 1, que são aqueles adotados internacionalmente para este tipo de projeto.

Embora se possa argumentar que, devido ao efeito tridimensional favorecido pela geometria dovale e pelo ligeiro arqueamento da barragem, os coeficientes de segurança seriam maiores queaqueles calculados nas análises bidimensionais, ainda assim, decidiu-se buscar uma soluçãoque permitisse um aumento dos valores dos coeficientes de segurança, ainda no âmbito das a-nálises bidimensionais.

Foram estudadas duas soluções para o problema: a primeira seria a de aumentar a massa deconcreto da estrutura e a segunda, escolhida por ser a mais econômica, corresponderia a intro-dução de uma linha de furos de drenagem, para alívio das subpressões na base, a partir do talu-de de jusante, já que a barragem não possui galeria de drenagem.

Estes furos seriam perfurados por roto-percussão, a uma altura de 6m, com inclinação de 20º,até atingir o contato concreto rocha a, aproximadamente, 4m do paramento de montante, con-forme indicado na Figura 6.

6.7 - ANÁLISE DA ESTABILIDADE CONSIDERANDO O EFEITO DOS DRENOS DE ALÍVIO

6.7.1 - Subpressões

Para avaliação da influência dos drenos na estabilidade da barragem, foram realizadas análisescom base em dois critérios para o estabelecimento das subpressões na base da barragem.



O primeiro critério, mais convencional, indicado na Figura 7, define as pressões na linha dedrenos através da seguinte expressão:

3)( jm

jd

H H H H

−+= (4)

onde:

Hm= carga hidrostática de montanteH j = carga hidrostática de jusanteHd = carga hidrostática na linha de drenos

O segundo critério, menos convencional(2), indicado na Figura 8, e que leva em conta a geome-

tria do sistema de drenagem, define a subpressão média na linha de drenos como:

( ) ( )( )⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

−

−−∗−+=

CDSb

H SCDSCDS

d

jd

d λ

2 (5)

onde:

( )[ ] x x

axax

−+

=

15.1

2ln

2

πϕ

π λ (6)

Os simbolos indicados nas expressões acima correspondem a:

Sd = subpressão média ao longo da linha de drenosd = distância da linha de drenos ao paramento de montanteb = distância da linha de drenos ao pé de jusanteλ = fator de forma da linha de drenos__CD= distância entre a boca do dreno e o plano de referênciaHj = carga hidrostática de jusantea = distância entre drenosϕ = diâmetro dos drenosx = 1.73

Os valores das subpressões indicados na Figura 7 e na Figura 8, correspondem aos casos C-CL1.

6.7.2 - Coeficientes de Segurança

Os resultados das análises, para os dois critérios de estimativa de subpressões, estão apresenta-

dos na Tabela 3.



Critério Convencional Critério Não ConvencionalCaso de car-

regamento FST FSD FSF FST FSD FSF

CCN1 1,49 1,06 3.92 1,62 1,12 5,20CCN2 1,47 1,03 3,51 1,59 1,10 4,50CCE1 1,35 1,32 3,78 1,46 1,40 5,04CCE2 1,32 1,29 3,40 1,43 1,37 4,38CCL1 1,38 1,17 3,81 1,50 1,24 5,10CCL2 1,36 1,14 3,42 1,47 1,21 4,42

Tabela 3 - Coeficientes de Segurança Com Drenagem na Base

6.7.3 - Tração na Base

No caso das análises realizadas com o critério convencional, o percentual de área da base sub-metida à tensões de tração, nos casos de carregamento excepcional e limite, mostraram-se aci-ma dos valores geralmente aceitáveis, que limitam a porcentagem de área da base submetida àtensões de tração a, no máximo, 25% da área da base, desconsiderando-se o aumento das sub-pressões devido ao descolamento da mesma.

Levando-se em consideração o aumento de subpressão devido ao descolamento da base, a por-centagem da área tracionada aumentou sensivelmente, indicando instabilização da barragem.

No caso das análises realizadas com o critério não convencional entretanto, verificou-se que,no caso CCN, a base da barragem apresentava tensões de compressão em toda a sua extensão.Nos casos CCE e CCL , embora parte da base da barragem apresentasse zonas tracionadas, aárea submetida a tensões de tração era menor que 25% da área total.

7 - CONCLUSÕES

A utilização do sistema de drenagem introduzido a partir da face de jusante da barragem, em-

bora não seja uma solução convencional, viabilizou a implantação do novo sistema de controlede cheias da barragem das Codornas, garantindo-lhe um nível de segurança adequado no even-to de repetição do acidente.

8 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1 - J. F. da Silva, E. A. Barbosa - "Reabilitação da Barragem das Codornas" - XXIII SeminárioNacional de Grandes Barragens - Belo Horizonte - março/1999.

2 - R. A. Andrade, M. A. B. Afonso - "Nova Abordagem na Verificação da Estabilidade dasEstruturas Hidráulicas" - XV Seminário Nacional de Grandes Barragens - Rio de Janeiro - no-

vembro/1983.

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