COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS XXV SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS SALVADOR, 12 A 15 DE OUTUBRO DE 2003

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T91 - A04

VERTEDOURO LATERAL DO APROVEITAMENTO HIDRELÉTRICO DE QUEBRA QUEIXO

Lailton V. Xavier Roberto Tajima

Danusa B. de Vasconcelos

ENGEVIX ENGENHARIA S.A. APRESENTAÇÃO Os autores agradecem à Companhia Energética Chapecó – CEC – pela autorização da publicação deste trabalho e às empresas Queiroz Galvão/Barbosa Mello e Engevix/Intertechne pelo apoio na sua elaboração. RESUMO O projeto das estruturas vertentes, normalmente importante na definição do arranjo dos empreendimentos hidrelétricos, teve papel determinante na viabilização do arranjo com barragem em enrocamento com face de concreto do AHE Quebra Queixo, configurando-se na alternativa mais econômica e mais adequada tecnicamente. Neste projeto, o vertedouro apresenta performance adequada para toda a faixa de operação, mesmo com uma concepção bastante simples e com pequeno volume de concreto. ABSTRACT The design of spillway, usually important in the conception of a project layout, played a decisive role in order to make feasible the solution with concrete face rockfill dam for the Quebra Queixo HPP, turning out to be the most economic and technically adequate,considering the site conditions. The spillway presents an appropriate performance for all range of flows, despite its simplicity and small concrete volume.

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1 - DESCRIÇÃO DO EMPREENDIMENTO O Aproveitamento Hidrelétrico de Quebra Queixo foi implantado no Rio Chapecó, afluente da margem direita do Rio Uruguai, entre os municípios de Ipuaçu e São Domingos, no Estado de Santa Catarina, no Sul do Brasil, conforme mostrado na Figura 1. As coordenadas geográficas são: latitude 26º40’ Sul e longitude 52º33’ Oeste.

FIGURA 1 - Localização do AHE Quebra Queixo

A usina apresenta potência instalada de 120 MW divididas em três unidades geradoras do tipo Francis. A concessão para exploração energética do empreendimento pertence à Companhia Energética Chapecó – CEC, que contratou as empresas ENGEVIX e INTERTECHNE para desenvolver os projetos Básico e Executivo. O consórcio construtor foi formado pelas Construtoras Queiroz Galvão e Barbosa Mello e o fornecimento e montagem dos equipamentos eletromecânicos ficou a cargo da empresa VOITH SIEMENS. O contrato para a realização do projeto executivo do empreendimento foi em regime de empreitada global por preço fixo e prazo determinado. O Aproveitamento Hidrelétrico Quebra-Queixo é constituído por: • Desvio do rio realizado através de um túnel escavado em rocha na margem

esquerda, com 14,5 m de largura e 16 m de altura em seção arco-trapezoidal, com estrutura de comportas no emboque, e ensecadeira no leito do rio projetada para cheias com tempo de recorrência de 50 anos – Q=2.300 m³/s.

• Barragem de Enrocamento com Face de Concreto coroada na El. 554,00

com 75 m de altura, 700 m de comprimento e um volume total de 2,1 milhões de m³;

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• Vertedouro de soleira livre na El. 549,00 com 285 m de comprimento, localizado na margem esquerda do rio, projetado para descarregar a vazão máxima provável de 5.000 m³/s com uma sobrelevação de 4,25 m acima do nível normal de operação. O fluxo é direcionado através dessa ogiva para uma bacia de dissipação, que é controlada por uma segunda ogiva, com crista na El. 522,00, com 34 m de comprimento, que direciona as águas de volta ao leito do rio através de uma calha em concreto, seguida de calha em rocha e bacia de dissipação;

• O Circuito de Geração é composto por um túnel de adução escavado em

rocha, com 9 m de diâmetro e 337 m de comprimento; tomada d’água do tipo aliviada com 27m de altura; um túnel forçado com shaft com 75 m de altura e trecho sub-horizontal com 370 m de comprimento, dos quais 120 m são blindados, e casa de força com 60 m de largura e 33 m de altura, com o pátio de acesso na El. 434,00, com 3 unidades geradoras do tipo FRANCIS com 40 MW de potência cada.

As principais quantidades envolvidas na execução do empreendimento são listadas abaixo: • Escavação Comum 2.500.000m³ • Escavação em Rocha 1.650.000m³ • Escavação Subterrânea 170.000m³ • Enrocamento 2.100.000m³ • Transições 120.000m³ • Concreto 95.000m³ O cronograma contratual previa um período de 26 meses entre a mobilização do construtor até a geração comercial da 1ª unidade. Os marcos contratuais da obra foram definidos para as seguintes datas: • Desvio do Rio Dezembro, 2001 • 1a Etapa da Barragem El. 515,00 (TR = 500 anos) Abril, 2002 • Fechamento das Comportas de Desvio do Rio Fevereiro, 2003 • Geração Comercial da 1ª Unidade Junho, 2003.

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FIGURA 2 - Arranjo Geral do AHE Quebra-Queixo

FIGURA 3 – Foto Aérea do AHE Quebra-Queixo durante a Construção

2 - GEOLOGIA O rio Chapecó, no local do empreendimento, apresenta uma longa curva para a esquerda, formando uma sela com cerca de 1500 m de comprimento. Entre o local do barramento e o local da casa de força, o rio apresenta um desnível natural de 70 m, que somado à coluna de água propiciada pela barragem leva a uma queda bruta total de 122 m para a geração de energia.

ENSECADEIRA

VERTEDOURO

BARRAGEM

TÚNEL DE DESVIO

Formatado

Formatado

Formatado

Formatado

Formatado

Formatado

Excluído: ertedouro

Inserido: ertedouro

Excluído: Barragem

Inserido: Barragem

Excluído: únel de Desvo

Excluído: VERTEDOURO

Inserido: V

Inserido: ERTEDOURO

Excluído: ertedouro

Inserido: ertedouro

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O lago a ser formado apresenta, no seu nível normal de operação (El. 549,00), uma área inundada de 5,6 km² e volume total de 136,3 milhões de m3. A área do empreendimento está inserida na porção sul da Bacia Sedimentar do Paraná, na área de abrangência dos basaltos da Formação Serra Geral. Na parte superior desta formação verificou-se a ocorrência de uma seqüência vulcânica de natureza ácida, com teores de sílica superiores a 66%, em áreas de Santa Catarina e Rio Grande do Sul, denominadas de riodacito. O relevo da região é caracterizado por um planalto com diferentes graus de dissecação e ondulações suaves formando campos naturais. No eixo da barragem, o rio Chapecó possui cerca de 70 m de largura, com ombreiras suaves e capeamento de solo variando de 5 a 25 m de espessura. O maciço rochoso da fundação é constituído por 2 derrames basálticos toleíticos inferiores (F e G) e um ácido (derrame E), acima da El. 820, aproximadamente. Margeando as ombreiras, na faixa de ocorrência do riodacito, o capeamento de solo atinge cerca de 25 m de espessura, com a presença marcante de muitos blocos decamétricos imersos no solo de alteração. Esta peculiaridade ocasionou escavações de grande porte para possibilitar a implantação do plinto em rocha. Em cotas mais elevadas, no topo do planalto, o capeamento de solo diminui sensivelmente, com espessuras inferiores a 3 m. Pela sua posição estratigráfica, o riodacito foi a litologia predominante nas escavações obrigatórias do vertedouro e tomada de água, condicionando as características de deformabilidade e resistência do maciço de enrocamento da barragem. 3 - HIDROLOGIA O rio Chapecó, no local do aproveitamento, drena uma área de 2.670 km2, com uma vazão média de longo termo de 75 m3/s. A máxima cheia observada ocorreu em julho de 1983, com pico de 611 m3/s. A Tabela 1 abaixo apresenta valores das cheias esperadas para alguns tempos de recorrência: TABELA 1 – Valores esperados das cheias para alguns tempos de recorrência

TEMPO DE RECORRÊNCIA (anos)

PICO DE CHEIA (m3/s)

10 1.480 100 2.630 500 3.440 10.000 4.700

A Cheia Máxima Provável (PMF) calculada para o local do aproveitamento apresenta pico de 5.004 m3/s.

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4 - CONCEPÇÃO DO ARRANJO DO VERTEDURO O projeto previa, originalmente, uma barragem de concreto compactado com rolo (CCR), com vertedouro de soleira livre incorporado. A utilização de vertedouro sem comporta era uma condição requerida em face do pequeno reservatório, o que demandaria tempos de operação muito exíguos no caso de vertedouro com controle. O vertedouro, para a condição sem controle de comportas, apresentaria comprimento de crista de 250 m, razão pela qual havia sido considerado sobre o maciço da barragem. Buscando viabilizar alternativa com barragem em aterro, cujo custo da barragem em si é menor que em CCR, procurou-se implantar um vertedouro na ombreira esquerda com o escoamento a jusante sendo reconduzido ao rio por meio de canal lateral. O desafio, neste caso, seria conceber um vertedouro econômico, uma vez que, devido às condições topográficas (curva suave do rio e ombreira com pequena inclinação), o circuito de restituição das águas ao rio seria longo. Alguns pontos importantes, todavia, tenderiam a encarecer o projeto do vertedouro na ombreira em relação ao posicionado sobre a barragem, potencialmente eliminando a vantagem a ser obtida com a mudança do tipo de barragem, quais sejam: • a longa soleira vertente exige uma estrutura em concreto específica

separada do corpo da barragem; • o longo percurso do escoamento, entre a soleira vertente e a restituição

ao rio, e a necessidade de cuidados redobrados quanto aos riscos de erosão, uma vez que o vertedouro está posicionado muito próximo à barragem, usualmente demandariam a utilização de longas calhas e muros de concreto.

A solução adotada consistiu em:

• Reduzir ao mínimo possível a altura da soleira de montante, ainda que

reduzindo sua eficiência. Para tanto, adotou-se comprimento de crista vertente adicional;

• Dimensionar o controle do nível de água da bacia de dissipação

intermediária de modo a garantir que neste local haja um colchão de água suficiente para dissipar energia sem risco de erosão, dispensando o canal revestido em concreto usualmente adotado neste tipo de vertedouro.

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5 - PROJETO DO VERTEDOURO O vertedouro do AHE Quebra Queixo compreende duas soleiras vertentes, separadas por uma bacia intermediária de amortecimento e condução do fluxo. A jusante da segunda ogiva existe um pequeno trecho com calha em concreto, seguido de calha em rocha sem revestimento e bacia de dissipação. As figuras 4 e 5 apresentam a planta do conjunto e uma vista geral do circuito de extravazão.

FIGURA 4 – Circuito de Extravasão de Quebra Queixo – Planta Geral

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FIGURA 5 – Vista Geral do Circuito de Extravazão e Barragem 5.1 - SOLEIRA DE MONTANTE Esta soleira cumpre a finalidade de permitir o extravasamento do reservatório para níveis acima da El. 549,00. Com o intuito de minimizar o volume de concreto desta soleira, a mesma foi implantada em um canal apenas dois metros abaixo da crista. A redução da capacidade de descarga devido à pouca altura da aproximação do fluxo foi compensada com um pequeno acréscimo no comprimento da crista de 250 m para 285 m. A jusante da crista, buscou-se, também, a máxima redução da largura da soleira em concreto, fazendo o fluxo saltar o mais rapidamente possível sobre a piscina formada a jusante. Isto foi conseguido com uma pequena laje com declividade de 45%, concordante com a ogiva e ancorada em rocha. A jusante da mesma, o talude da escavação em rocha com cerca de 30 m de altura, não é atingido pelo jato, não necessitando, assim, de revestimento. A ogiva, assim concebida, apresenta um volume de apenas 7 m3 de concreto por metro de comprimento e é capaz de descarregar a cheia de projeto (PMF) de 5.000 m3/s com sobrelevação do reservatório de 4,35 m. A vazão específica máxima será de 17,5 m3/s/m. A Figura 6 apresenta a seção típica desta ogiva e a Figura 7 apresenta fotografia da ogiva em construção.

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FIGURA 6 – Perfil Transversal da Ogiva do Vertedouro 1

FIGURA 7 – Construção do Vertedouro 1

5.2 - BACIA INTERMEDIÁRIA E SOLEIRA DE JUSANTE Um importante fator condicionante do projeto é a presença de um contato entre o derrame basáltico toleítico e o derrame ácido situado logo acima. Este contato, aproximadamente na El. 515,00, se apresenta alterado e permeável. Assim, buscou-se manter o fundo da bacia adequadamente afastado deste

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contato, de modo a evitar risco de percolação através da ombreira da barragem. O fundo da bacia intermediária foi definido de modo a garantir um colchão mínimo de água, em qualquer condição de vazão, minimizando o risco de erosão. A cota do fundo foi definida sempre abaixo da fossa teórica para bacias em basalto. O nível dentro da bacia é controlado pela soleira de jusante. O contato geológico em questão corta, ainda, o fundo e as laterais da escavação do rápido a jusante da segunda soleira, de modo que foi necessário prosseguir a calha em concreto até pelo menos o ponto de cruzamento com tal feição. A otimização do concreto da segunda estrutura vertente somente poderia ser conseguida pelo deslocamento da sua soleira para jusante, uma vez que o final da calha em concreto ficava limitado pelo contato geológico. Esta segunda soleira foi deslocada para jusante, implicando também no seu rebaixamento devido à topografia, tanto quanto possível considerando o limitador inferior, que consistia no contato geológico da El. 515,00 na bacia intermediária, o qual precisava ser protegido por um adequado colchão de água. Com o intuito de prover fonte de rocha adequada e considerando-se a pequena distância do local de aplicação no maciço da barragem, e, ainda, em local com pouca necessidade de decapagem e escavação comum, a escavação da bacia intermediária foi alargada até compreender o volume necessário à pedreira. A "piscina", assim formada, foi estudada de modo a permitir um escoamento adequado para toda a faixa de operação do vertedouro. Desta forma, a solução final adotada resultou de um compromisso entre o atendimento às necessidades hidráulicas, geológicas e de custos. A segunda ogiva, com crista na El. 522,00, é seguida de um rápido com 34 m de largura, 88 m de comprimento e declividade de 20,75%. A vazão específica para a cheia de projeto é de 147 m3/s/m. 5.3 - RESTITUIÇÃO E DISSIPAÇÃO DE ENERGIA No final da calha em concreto foi previsto um pequeno flip com saída horizontal, com a finalidade de redirecionar o jato na calha em rocha, de inclinação mais suave que a em concreto, bem como prover aeração ao fluxo, o que minimiza os efeitos erosivos a jusante. A calha em rocha, com 123 m de comprimento e largura de 36 m, apresenta um trecho inicial de 80 m com inclinação de 10,71% seguido do trecho restante com inclinação 21%. Esta segunda declividade foi definida com o objetivo de prover um mergulho mais forte do jato na bacia, melhorando a dissipação.

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O trecho com calha em rocha foi definido numa região em que, ainda que haja um processo erosivo mais acentuado, não há risco para as estruturas do empreendimento. A Figura 8 apresenta um corte longitudinal pelos vertedouros 1 e 2.

FIGURA 8 –Corte Longitudinal pelos Vertedouros A Figura 9 apresenta uma foto do vertedouro 2, durante a construção.

FIGURA 9 – Construção do Vertedouro 2

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6 - ESTUDOS HIDRÁULICOS E ENSAIOS EM MODELO REDUZIDO Os estudos realizados durante a fase de projeto para a conformação da solução e verificação do desempenho compreenderam, entre outros: determinação da curva de descarga da soleira 1; estudo do jato a jusante da soleira 1, de modo a evitar impacto sobre o talude de escavação não revestido; determinação da curva de descarga da soleira 2; cálculo da lâmina d'água e jato ao longo da calha em concreto, flip, calhas em rocha e salto até a bacia de dissipação e estimativa da profundidade da fossa de erosão. A Figura 10, a seguir, apresenta uma comparação das fossas de erosão calculadas por diferentes métodos para toda a faixa de variação de vazões.

515

520

525

530

535

540

545

550

555

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

VAZÃO (m³/s)

EL

EV

AÇ

ÃO

(m

)

N.A. Reservatório

N.A. Bacia Intermediária

El. da Fossa de Erosão (Nelson Pinto)El. da Fossa de Erosão (Rui Martins)

El. da Fossa de Erosão (Veronese)

FIGURA 10 – Estudo das Fossas de Erosão – Soleira de Jusante na El. 522,00 e Bacia com Fundo na El. 520,00 Estes estudos foram complementados por ensaios em modelo hidráulico reduzido, realizados no Laboratório do CEHPAR - Universidade Federal do Paraná. Tais ensaios confirmaram as premissas de cálculo quanto ao jato e ao escoamento ao longo do circuito de extravasão. Os ensaios permitiram, ainda, adequar detalhes de escavação e definir proteções a jusante. As Figuras 11 e 12 apresentam fotografias do modelo em operação.

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FIGURA 11 –Modelo Reduzido - Vertedouro 1

FIGURA 12 –Modelo Reduzido - Vertedouro 2

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7 - ETAPA DE OPERAÇÃO O vertedouro do AHE Quebra Queixo entrou em operação no dia 24/03/2003 e tem permanecido operando continuamente desde então, até que seja comissionada a 1ª unidade. O acompanhamento da operação tem demonstrado o adequado desempenho do vertedouro. As figuras 13 a 15 apresentam o vertedouro em operação.

FIGURA 13 – Vertedouro 1 - Vista geral

FIGURA 14 – Vertedouro 2 - Escoamento nas Calhas em Concreto e em

Rocha

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Figura 15 – Vertedouro 1 - Detalhe do Descolamento do Jato

8 - CONCLUSÃO A concepção não usual adotada para o projeto do vertedouro teve por objetivo permitir o desenvolvimento de alternativa de arranjo com barragem de enrocamento. O arranjo assim concebido resultou amplamente mais econômico do que a solução anterior em concreto compactado com rolo, com redução de mais de 30% do custo das obras de barramento e extravazão, além de permitir o atendimento a um cronograma comprimido de 22 meses para conclusão da barragem. Independente dos ganhos com relação ao tipo de barragem, o vertedouro em si resultou extremamente econômico pelo seu reduzido volume de concreto, mantendo um excelente desempenho hidráulico.