Falhas na instrumentação de barragens

COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS XXIX SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS PORTO DE GALINHAS - PE, 08 A 11 DE ABRIL DE 2013

T 109 – A 25

XXIX SEMINÁRIO Nacional DE GRANDES BARRAGENS 1

REVISÃO CRÍTICA SOBRE A INSTRUMENTAÇÃO DE BARRAGENS NO BRASIL

João Francisco Alves SILVEIRA

SBB Engenharia Ltda

RESUMO

Apresenta-se nesse trabalho algumas falhas observadas recentemente na implementação do plano de instrumentação de barragens, não com o objetivo de criticar o que tem sido realizado, mas sim, de contribuir com a melhoria permanente desses sistemas. Procura-se apresentar alguns detalhes que poderiam ser melhorados no plano de instrumentação de nossas PCH’s e UHE’s, apresentando-se suas justificativas e ilustrando-se com esquemas apropriados. As análises aqui apresentada inserem-se dentro do enfoque da Lei No 12.334, de Set 2010, no sentido de aprimorar continuamente a supervisão das condições de segurança de nossas barragens, no sentido de se procurar detectar prontamente qualquer eventual anomalia.

ABSTRACT

This paper presents some flaws recently observed in the design monitoring of dams, in order not to criticize what has been accomplished, but contributing with the continuous improvement of these systems. We try to provide improvements that could be incorporated in the monitoring of our SPP’s and HPP's, presenting and illustrating our comments and suggestions with appropriate exemples. The analysis here presented fall within the focus of the Dam Safety Law No. 12,334, from Sep 2010, trying to assure the continuous improving our dam safety, in order to detect any possible anomaly in its behavior as soon as possible.

XXIX SEMINÁRIO Nacional DE GRANDES BARRAGENS 2

1. INTRODUÇÃO

A elaboração de um bom projeto de instrumentação é uma arte, que como as demais envolve muitos anos de experiência, para que os resultados obtidos sejam os mais adequados e venham proporcionar uma boa supervisão das condições de segurança da barragem. São varias as etapas que devem ser dominadas para a elaboração de um bom projeto, a saber: como selecionar adequadamente os blocos a serem instrumentados, qual a melhor locação do instrumento no bloco ou na seção escolhida, qual o melhor tipo de instrumento a ser utilizado, qual o melhor tipo de sensor para esse instrumento, qual a precisão e campo de leitura de cada instrumento, quais os detalhes da instalação, qual a melhor época construtiva para a instalação dos instrumentos, como proceder adequadamente a leitura e análise dos dados, qual a melhor frequência de leitura em cada etapa de uma barragem, etc. Tendo por base a experiência de 40 anos do autor na área de Instrumentação e Segurança de Barragens, procura-se nesse trabalho comentar alguns resultados inapropriados observados na instrumentação recente de barragens no Brasil.

2. FALHAS NA INSTRUMENTAÇÃO DE BARRAGENS DE CONCRETO

2.1 AUSÊNCIA DE PÊNDULOS DIRETOS

O pendulo direto é um dos melhores instrumentos de que se dispõe na instrumentação das barragens de concreto, altamente preciso e robusto, com vida útil compatível com a da barragem (>50 anos), devendo ser instalados em toda barragem de concreto acima de 30 m de altura. A idéia de se proceder à instalação de marcos superficiais para a medição dos deslocamentos de alvos fixados sobre a crista das barragens é geralmente incompatível com a grandeza dos deslocamentos a serem medidos, em se tratando das barragens tipo gravidade. Os deslocamentos precisariam ser medidos com precisão da ordem de ± 0,5 mm, mas em função das grandes distâncias envolvidas nas barragens em vales abertos, de problemas com a reverberação térmica, problemas com o final de construção na fase pré enchimento do reservatório, etc, os resultados obtidos tem sido inúteis na maioria dos casos, após a realização de gastos consideráveis na instalação e operação dos marcos. O pêndulo direto permite a medição dos deslocamentos horizontais da crista com precisão de ± 0,05 mm, a qual é 500 a 1.000 vezes mais precisa que as medições topográficas, mesmo aquelas que empregam instrumentos de última geração e alta precisão. O pêndulo constitui ainda um instrumento de baixo custo, necessitando para a sua instalação apenas que seja deixado um nicho na lateral da galeria inferior de drenagem para a instalação do coordinômetro, ou seja, do aparelho usado em sua leitura. Deve se, ainda, deixar no concreto uma tubulação com cerca de Φ 25 cm para a instalação do fio verticalmente entre a crista e a galeria de drenagem. Por ser um instrumento mecânico, possui bom desempenho no longo prazo,

XXIX SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS 3

conhecendo-se barragens onde os mesmos estão instalados há 40 anos ou mais, com desempenho plenamente satisfatório. A instalação de pêndulos nos “blocos chaves” e de medidores triortogonais em todas as juntas de contração entre blocos, ao longo da galeria de drenagem, permite um ótimo controle dos deslocamentos totais e diferenciais da barragem, no sentido de permitir uma boa supervisão de qualquer eventual anomalia no comportamento da barragem durante sua vida útil.

2.2 FALHAS NA LOCAÇÃO DOS PIEZÔMETROS

Tem sido observado, em algumas barragens de concreto tipo gravidade, a locação de piezômetros tipo standpipe na região central da galeria de drenagem. Tratam-se de casos nos quais o enfoque de projeto foi a instalação de piezômetros entre as cortinas de injeção e drenagem, uma alternativa sem muito sentido prático, pois sabe-se, pela experiência com a instrumentação de algumas dezenas de barragens, que o mais importante é a instalação de piezômetros a montante da cortina de injeção, junto ao pé de montante da barragem, e a jusante da cortina de drenagem, para se poder avaliar a eficiência do sistema de drenagem da fundação. Normalmente instrumenta-se a interface concreto-rocha e, em profundidade, mais uma ou duas camadas sub horizontais mais permeáveis, no maciço rochoso de fundação.

FIGURA 2.1 – Esquema de locação de piezômetros na parte central da galeria.


FIGURA 2.2 – Locação de piezômetros na parte central da galeria de uma PCH.

Nas Figuras 2.1 e 2.2 apresentam-se esquemas de projeto e fotos da instalação de piezômetros na região central da galeria, em usinas recentemente colocadas em operação. Tal alternativa, além de atrapalhar a livre circulação pela galeria de drenagem, vem praticamente impedir o deslocamento de equipamentos ao longo da galeria. Esses equipamentos são constituídos, por exemplo, por sondas para a perfuração de drenos ou para o reforço da cortina de injeção, que poderão se fazer necessários após algumas décadas, ou mesmo, após o final do enchimento.

2.3 FALHA NA SELEÇÃO DO TIPO DE PIEZÔMETROS

Talvez, decorrente daqueles que estão elaborando o plano de instrumentação de uma barragem pela primeira vez, tem sido constatado em algumas barragens de terra, ou de concreto, a opção pela instalação de piezômetros elétricos ou pneumáticos, onde deveriam ter sido instalados piezômetros do tipo standpipe. Conforme se teve oportunidade de apresentar em trabalho do XXVIII Seminário Nacional de Grandes Barragens (1), tem-se casos de piezômetros de tubo em perfeitas condições de funcionamento, após 44 anos de sua instalação, como, por exemplo, na barragem de terra de Bariri, no rio Tietê, em São Paulo. Apresentam se nas Figuras 2.3 e 2.4 casos da instrumentação de barragens tipo gravidade, com galeria de drenagem na fundação, nas quais a opção mais correta teria sido pela instalação de piezômetros de tubo (standpipe). A opção errônea por instrumentos elétricos ou pneumáticos, sem uma instalação adequada, levou a perda desses instrumentos dentro de períodos de dois a três anos, implicando na necessidade de instalação de novos piezômetros, agora do tipo standpipe e a um custo expressivo, em função da necessidade de deslocamento dos equipamentos de perfuração de sondagem para as barragens, em muitos casos, localizadas afastadas dos grandes centros urbanos.


FIGURA 2.3 – Seção longitudinal de barragem em CCR onde na ombreira deveriam

ter sido instalados piezômetros tipo standpipe e não elétricos (PZ-01 e PZ-02)

FIGURA 2.4 – Seções transversais na ombreira e na região da soleira vertente.


FIGURA 2.5 – Locação dos piezômetros elétricos na fundação de uma barragem

gravidade com galeria de drenagem na fundação.

3. FALHAS NA INSTRUMENTACAO DE BARRAGENS DE TERRA

3.1 FALHA NA SELEÇÃO DO TIPO DE PIEZÔMETROS

Há cerca de 40 anos julgava-se que nos aterros compactados de nossas barragens os piezômetros deveriam ser sempre do tipo corda vibrante, pneumático ou hidráulico, mas após estudos realizados a partir do trabalho de Vorslev, constatou-se particularmente para a região da bacia do Alto Paraná, em que temos aterros compactados com coeficientes de permeabilidade da ordem de 10-5 ou 10-6 cm/s, que é perfeitamente possível a instalação de piezômetros do tipo de tubo [3]. Portanto, na fundação de barragens nas quais os coeficientes de permeabilidade são dessa ordem de grandeza, ou superiores, deve-se optar pela instalação de piezômetros de tubo, em função de seu baixo custo, alto desempenho e vida útil superior a 50 anos. Essa recomendação é válida, também, para o aterro compactado. A seguir apresenta-se o caso de uma barragem de enrocamento instrumentada com piezômetros elétricos, na qual vários dos instrumentos apresentaram-se danificados ao final da construção, ou após um ano do final da construção, o que vem constituir uma constatação lamentável, tendo em vista que a barragem integra uma PCH que deverá se manter em operação por pelo menos mais 50 anos. Para a correção do problema haveria a necessidade de instalação de novos piezômetros, a um alto custo, em função da necessidade de deslocamento dos equipamentos de sondagem e execução de sondagens rotativas através do núcleo impermeável da barragem, o que requer técnicas especiais de sondagem, envolvendo um custo mais elevado.


FIGURA 3.1 – Locação de piezômetros elétricos, onde deveriam ter sido

instalados sdandpipe, em uma barragem de enrocamento.

4. FALHAS NA AQUISIÇÃO DOS INSTRUMENTOS

As falhas mais frequentes observadas na aquisição dos instrumentos, quando da implementação da instrumentação de barragens são:

Falta de detalhamento por parte do projeto; Falta de cultura do cliente sobre a importância da instrumentação; Falta de qualidade de instrumentos nacionais.

Em um projeto de instrumentação bem elaborado deve-se orientar devidamente o cliente sobre a importância da aquisição de instrumentos de boa procedência, pois economias realizadas na fase construtiva acabam resultando na perda dos instrumentos em poucos anos, o que implicará em gastos mais elevados no futuro, com a instalação de novos instrumentos, agora devidamente supervisionados pela Lei No 12.334,de Set 2010. No que diz respeito à falta de cultura do cliente, a mesma é decorrente do grande número de empresas que decidiram investir em novos empreendimentos hidrelétricos, particularmente em PCH’s. Muitas dessas empresas, por serem novatas na área e sem uma cultura apropriada, acabaram não dando a devida importância para a necessidade de um bom plano de instrumentação, visto que o mesmo deve assegurar um bom controle das condições de segurança da barragem durante sua vida útil, ou seja, cerca de 50 anos. Com relação aos fabricantes nacionais, lembra-se aqui a frase de Stanley Wilson, inventor do Slope Indicator e criador da Slope Indicator Co., nos Estados Unidos, que nos ensinou em 1975, em seminário sobre instrumentação de barragens realizado na UHE Ilha Solteira, da CESP, que o tempo entre a confecção de um novo instrumento, e se ter o mesmo devidamente aperfeiçoado e em condições adequadas de uso, é de pelo menos 5 anos. Essa assertiva continua válida até os nossos dias, explicando a baixa qualidade de muitos dos instrumentos de


procedência nacional, quando confeccionados por determinado fabricante pela primeira vez ou, então, sem o devido aperfeiçoamento ao longo do tempo. Outra causa frequente das falhas da instrumentação tem sido a sua instalação sem a existência de um projeto detalhado, ou sem o apoio do fabricante. Quando, então, o instrumento começa a apresentar problemas, após algum tempo, o fabricante ao ser acionado diz que o problema foi com a instalação, e não com o instrumento. Em conclusão, nunca se sabe se a falha foi com o instrumento ou com a instalação, podendo em muitos casos ser resultante de ambos.

5. FALHAS NA AUSÊNCIA DE RELATÓRIOS DE INSTALAÇÃO

Após a instalação dos instrumentos na fundação de uma barragem de concreto, como os piezômetros e extensômetros múltiplos de hastes, sabe se pela experiência de campo que nunca os mesmos ficam posicionados exatamente nas elevações previstas em projeto. Isto decorre do fato de que a geologia varia de um local para outro, de modo que no local onde se previu a fixação das hastes do extensômetro, a rocha pode se apresentar muito fraturada ou alterada, exigindo o deslocamento de alguns metros para cima ou para baixo. Em se tratando de um piezômetro, é comum ao se colocar a calda de cimento, para isolar o bulbo do piezômetro, constatar que parte da calda desapareceu pelas fendas da rocha. Isso vem exigir ao final da instalação, a elaboração de um relatório “como construído” apresentando as profundidades e cotas reais da instalação, sobre um perfil da sondagem com a indicação das camadas atravessadas. Sabendo-se, portanto, que esses instrumentos nunca ficam posicionados exatamente nas profundidades de projeto, é importante que sejam registrados os locais exatos de fixação das hastes dos extensômetros, assim como os trechos em que foram instalados os bulbos dos piezômetros, em relatórios de instalação apropriados. Particularmente no caso dos piezômetros, em que as subpressões medidas serão analisadas em termos de níveis piezométricos, se a locação do instrumento estiver fora da posição de projeto, a análise posterior poderá indicar informações contra ou a favor da segurança, podendo criar situações conflitantes, bastante embaraçosas ou até perigosas. No exemplo, a seguir, apresenta-se o caso de uma barragem tipo gravidade, na qual a rocha de fundação, ao se apresentar muito fraturada, exigiu escavações adicionais de até 5,0 m de profundidade, o que veio implicar no deslocamento dos piezômetros do contato C/R vários metros abaixo da cota de projeto. Se não houver um registro do perfil “como construído” das seções instrumentadas, os níveis piezométricos observados após o enchimento poderão indicar cotas muito acima dos valores de projeto, de modo errôneo, criando uma situação conflitante e com implicações diretas sobre os fatores de segurança da barragem.


FIGURA 5.1 – Detalhe do posicionamento “as built” dos piezômetros na fundação de

uma barragem tipo gravidade. Observar cut-off escavado junto ao pé de montante.

6. FALHAS NA EMISSÃO DOS RELATÓRIOS DE DADOS

Os relatórios de dados da instrumentação são geralmente elaborados pelos próprios técnicos de campo responsáveis pelas leituras. Devido ao baixo nível de escolaridade ou falta de uma preparação adequada, pois geralmente esses operadores foram treinados apenas para a operação e manutenção dos equipamentos de geração, os dados obtidos são algumas vezes de baixa qualidade ou com uma grande dispersão de leituras. Como resultado, tem-se muitas vezes relatórios com as seguintes falhas:

Gráficos de um mesmo tipo de instrumento em escalas das mais variadas; Instrumentos com grande dispersão de resultados, em decorrência da troca

frequente de leituristas; Gráficos sem os parâmetros de interesse para a análise dos dados, tais como

NA do reservatório, NA de jusante, temperatura, etc.; Gráficos sem uma convenção de sinais correta, não permitindo saber o que é

compressão ou distensão, no caso de tensões, ou o que é montante ou jusante, no caso de deslocamentos horizontais da crista.

Esses problemas são resolvidos, geralmente, através de cursos sobre instrumentação de barragens, para esses técnicos, o que nem sempre é possível de ser realizado, antes da fase de enchimento do reservatório, no sentido de permitir a pronta detecção de uma eventual anomalia.


7. FALHAS NA EMISSÃO DOS RELATÓRIOS DE ANÁLISE DO

COMPORTAMENTO DAS ESTRUTURAS

Nas barragens onde os instrumentos de auscultação são instalados durante o período construtivo, o ideal é que os relatórios de análise dos dados sejam emitidos durante esse período, no sentido de se conhecer o comportamento da barragem o mais cedo possível. Nas barragens mais recentes, entretanto, tem se observado que a maioria dos instrumentos é instalada ao final da construção. Evidentemente que todos os instrumentos deverão estar instalados antes do início do enchimento do reservatório, pois é nessa fase que tem ocorrido muito dos acidentes e incidentes com essas estruturas. Deve-se destacar, também, que para as PCH’s é aceitável que os instrumentos sejam instalados apenas ao final da construção, mas para as barragens de médio e grande porte, deve-se sempre envidar todos os esforços para a instalação dos instrumentos durante o período construtivo. Durante a fase do primeiro enchimento do reservatório, envolvendo a colocação em carga das estruturas de barramento pela primeira vez, enfatiza-se como de primordial importância a emissão do primeiro relatório de análise do comportamento das estruturas no terceiro mês após o início do enchimento. Isto significa que o primeiro relatório de análise nessa fase, deverá ser emitido no máximo até 90 dias do início do enchimento, para se poder detectar o mais cedo possível qualquer eventual anomalia no comportamento da barragem, de modo a haver tempo para sua investigação e eventual implementação de medidas corretivas. Infelizmente isto não tem sido devidamente seguido em nosso país, e mesmo em barragens de grande porte e grande responsabilidade, tal recomendação não tem sido atendida, constatando-se em alguns casos a emissão desse relatório até seis meses após o início do enchimento.

8. CONCLUSÕES

A elaboração de um bom plano de instrumentação de barragens constitui uma arte, que assim como as demais, deverá ser continuamente aprimorada ao longo do tempo. Para seu sucesso deve-se cuidar de todas as etapas de modo cuidadoso, a saber:

Elaboração de um projeto bem detalhado; Aquisição de instrumentos de boa procedência; Instalação executada por técnicos experientes na área; Manutenção, identificação e leitura adequada dos instrumentos; Análise dos dados “pari passo” com a sua realização.

As falhas aqui analisadas e exemplificadas foram geralmente decorrentes dos seguintes fatores:

Falta de um projeto bem elaborado, por alguém com experiência na área de instrumentação;


Aquisição de instrumentos de baixo custo e sem um bom histórico na instrumentação de barragens;

Instalação realizada por técnicos sem experiência ou sem os devidos cuidados;

Leituras realizadas sem o devido treinamento dos técnicos; Atrasos na análise dos dados da instrumentação, particularmente na fase do

primeiro enchimento do reservatório. Decorrente do grande número de barragens em execução no Brasil, nos últimos anos, envolvendo não apenas as PCH’s, mas também as barragens de grande porte, tem sido premente a realização de cursos de treinamento desses técnicos, assim como daqueles responsáveis pela análise da instrumentação. Voltando à citação de Mr Stanley Wilson nas conclusões desse trabalho, destaca-se que ele mencionou em curso realizado em Ilha Solteira, em 1975, o caso de uma barragem de terra na Califórnia que havia rompido, aparentemente, sem aviso prévio. Quando, então, alguém se lembrou de que a mesma estava instrumentada e quando analisaram os dados mais recentes, constataram que haviam sinais de uma anomalia no comportamento da barragem. Mas, então, já era tarde. Esse exemplo é importante para nos mostrar que uma barragem é instrumentada não apenas para mostrar para os visitantes, ou para os responsáveis da ANA ou ANEEL que existem instrumentos na barragem, mas sim para que seus dados sejam devidamente analisados e comparados com os valores de controle, objetivando permitir a pronta detecção de qualquer eventual anomalia, e para a implementação de medidas corretivas quando necessário.

9. PALAVRAS CHAVES

Instrumentação, segurança de barragens, barragem de terra, barragem de concreto.

10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] CBDB (1996) – “Auscultação e Instrumentação de Barragens no Brasil”, Anais

do II Simpósio Sobre Instrumentação de Barragens, Vol. I, Belo Horizonte;

[2] SILVEIRA (2003) – “Instrumentação e Comportamento de Fundações de

Barragens de Concreto”, Livro editado pela Oficina de Textos,

www.ofitexto.com;

[3] SILVEIRA (2006) – “Instrumentação e Segurança de Barragens de Terra e

Enrocamento”, Livro editado pela Oficina de Textos, www.ofitexto.com.

Documents

Falhas na instrumentação de barragens