Simulação laboratorial de reparos submersos em superfícies erodidas de concreto pouco profundas, executados considerando somen



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Comitê Brasileiro de Barragens

XXVI Seminário Nacional de Grandes Barragens

Goiânia – GO, 11 a 15 de Abril de 2005

T.96 A05



RECUPERAÇÃO ESTRUTURAL SUBMERSA NO DESCARREGADOR DE FUNDO E VERTEDOURO DA USINA HIDRELÉTRICA JURUMIRM
Pedro Nunes PEREIRA

Eng. Civil - Duke Energy Geração Paranapanema


Rui Pires dos SANTOS

Eng. Civil - Duke Energy Geração Paranapanema


René Deodoro GUIMARAES

Arquiteto - Duke Energy Geração Paranapanema


Flávio Moreira SALLES

Eng. Civil - Companhia Energética de São Paulo

RESUMO
A recuperação estrutural da fundação do muro a jusante do Descarregador de Fundo da Usina Jurumirm foi determinante para garantir a segurança estrutural e operacional do empreendimento. Em função das condições do local de aplicação o concreto foi projetado para apresentar elevada trabalhabilidade, resistência à lavagem, ausência de segregação, elevada resistência inicial e durabilidade. Os serviços foram realizados sob uma lâmina d’água de 12 m, destacando-se as etapas de inspeções subaquáticas, limpeza das erosões com hidrojato, implantação de formas metálicas e lançamento de 35 m3 de concreto. As erosões foram completamente preenchidas e ensaios posteriores mostraram que resistência à compressão ficou em torno de 53 e 63 MPa para, as idades de 33 e 84 dias.

ABSTRACT


The structural repair of the right side wall spillway at the Jurumirm Dam was a decisive factor to guarantee the structural and operational safety of the plant. Because of the underwater placement and operational conditions, pumped concrete with high workability, cohesiveness, washout resistance, durability and high early compressive strength was required for this work. The work was accomplished at a depth of 12 m under water, in the following stages: underwater inspections, cleaning of the eroded surfaces with high-pressure water jets and pneumatic hammers, installation of steel forms and, finally, the placement of 35 m3 of concrete. The eroded parts were completely filled out and subsequent inspection and lab tests showed that the compressive strength was around 53 and 63 MPa for the period of 33 and 84 days.

  1. INTRODUÇÃO

As Usinas Hidrelétricas tem como característica particular o fato de que grande parte das suas estruturas encontram-se submersa e submetidas ao efeito permanente de fluxo de água em alta velocidade e regimes de secagem/molhagem, decorrentes das variações dos níveis de água de jusante e do próprio reservatório.


As estruturas dos órgãos de descarga, de geração, da captação e desvio do curso d’água, e eventualmente de navegação, são construídas em concreto convencional e necessitam de programas sistemáticos de inspeção e manutenção.
Quando a recuperação submersa destas estruturas se faz necessária, tem-se em mãos um problema de alta complexidade. Embora os procedimentos de reparo sejam semelhantes aos executados a seco, as condições de trabalho são muito mais severas e implicam em grandes dificuldades práticas e operacionais no que diz respeito ao acesso às regiões deterioradas, baixas temperaturas e pouca visibilidade da água, pressão hidrostática e restrição quanto ao tempo de permanência dos mergulhadores em atividades submersas. Além disso, reparos subaquáticos requerem planejamento adequado, produtos e sistemas diferenciados, equipes experientes e altamente qualificadas.
Uma avaliação adequada do problema a ser tratado é o primeiro passo para a definição de uma solução eficiente a longo prazo. Levantamento de dados históricos, causas prováveis, extensão e compreensão do problema, são passos fundamentais para e definição da solução mais adequada e técnicas a serem utilizadas.
A seguir se faz um breve relato dos trabalhos desenvolvidos na recuperação das regiões erodidas ao longo da fundação do muro que faz a separação entre os canais do vertedouro e do descarregador de fundo da Usina Hidrelétrica Jurumirim, localizada no rio Paranapanema, estado de São Paulo.



  1. CARACTERIZAÇÃO DO PROBLEMA

Dentro do escopo de atividades previstas para o monitoramento da segurança estrutural e operacional das usinas hidrelétricas, as inspeções subaquáticas objetivam avaliar periodicamente, pelo menos a cada 5 anos, o estado de conservação das regiões submersas das estruturas e respectivas fundações.


O monitoramento sistemático de segurança de barragens para a Usina Jurumirim identificou a erosão na base do muro que faz a separação entre as estruturas do Descarregador de Fundo (DF) e Vertedouro de Superfície (VS), pela primeira vez, através de inspeções subaquáticas realizadas em 1977e 1978 [1]. Em 1979 foi realizado o primeiro serviço de concretagem submersa, com o objetivo de restaurar a integridade da região erodida. Na oportunidade foi utilizado 55 m3 de concreto com fck de 32,8 MPa, abatimento de 20 cm (ensaio tronco de cone) e consumo de cimento de 424 kg/m³. Em inspeção subaquática realizada em 1980, verificou-se que estava havendo uma pequena desagregação do local reparado. Posteriormente foram realizadas inspeções de acompanhamento nos anos de 1982, 1983, 1985 e 1988, 1990, 1997 e 2001, constatando-se que as erosões na base do muro estavam em progressão contínua. Com base nas informações levantadas, decidiu-se fazer a recuperação estrutural do local danificado e uma nova inspeção subaquática, com televisionamento, foi programada para julho de 2003. Nesta oportunidade fez-se o levantamento detalhado das regiões afetadas pelas erosões, definindo-se a sua extensão e geometria (Figuras 1 e 2). Estas informações seriam utilizadas nos estudo para a definição da melhor alternativa de reparo.

FIGURA 01: Em destaque o muro de concreto que faz a separação das estruturas DF/VS.




FIGURA 02: Vista frontal e planta da região erodida, na base do muro de separação DF/VS.

  1. RECUPERAÇÃO ESTRUTURAL


3.1. Estudo de Alternativas

Na definição da alternativa de recuperação estrutural mais adequada, levou-se em consideração além dos aspectos técnicos, as questões específicas da Empresa no que diz respeito a minimização de impactos ambientais, segurança no trabalho, limitações operacionais e obrigações contratuais. Como premissa de projeto, a geração de energia deveria ser interrompida pelo menor tempo possível e seria mantida uma vazão defluente mínima. Desse modo seria evitado o rebaixamento demasiado nível de água de jusante, minimizando impactos negativos na geração das demais usinas hidrelétricas localizadas ao longo do rio e minimizada a possibilidade da mortandade de peixes.


A alternativa definida foi a concretagem submersa, utilizando-se concreto com características especiais que possibilitasse o elevado desempenho durante as fases de lançamento e que, a longo prazo, garantisse a durabilidade da região reparada.


3.2. Dosagem do Concreto

O estudo de dosagem de concreto para aplicação submersa foi desenvolvido em conjunto com o Laboratório CESP de Engenharia Civil em Ilha Solteira. A especificação técnica do concreto foi fornecida pela Duke Energy e definia como características principais o fck ≥ 35 MPa; relação água/cimento ≤ 0,45, elevada trabalhabilidade (elevado abatimento e baixa consistência), auto-adensabilidade; retenção de abatimento especificado durante pelo menos 60 minutos; elevada resistência a lavagem dos finos (elevada coesão); baixa segregação durante o lançamento; bombeabilidade e facilidade de lançamento.


O estudo de dosagem foi focado no desenvolvimento de um concreto com composição econômica, trabalhável, resistente e durável – adequado às condições e necessidades da aplicação – sendo realizadas diversas misturas experimentais para definir a proporção ideal dos componentes disponíveis.
Para a definição do traço de concreto, procurou-se dispor de todos os materiais que seriam utilizados na concretagem, os quais foram enviados para a realização do estudo de dosagem. Na composição do agregado graúdo, utilizou-se 75% de brita 19 mm e 25% de pedrisco, sendo que foram realizados estudos experimentais utilizando-se composição de pedrisco com a areia natural, as quais se mostraram pouco econômicas e com baixa eficiência, deixando o concreto áspero e com dificuldades de passagem em tubulação fechada.
Foram estabelecidas as quantidades de cimento Portland, sílica ativa, aditivos e água, necessárias ao atendimento das exigências de consistência, resistência, durabilidade e adequação às condições de lançamento do concreto. A utilização da sílica ativa teve como objetivos o incremento na durabilidade e melhoria das propriedades mecânicas e de aderência ao concreto endurecido, além de incrementar a sua coesão no estado fresco.
O traço de concreto definido e adotado para a aplicação submersa e os respectivos resultados obtidos nos ensaios realizados estão apresentados nas tabelas 1 e 2, sendo que os corpos-de-prova não foram moldados na condição submersa. Uma vez definido o traço de concreto, foram feitas verificações de campo para comprovar o desempenho da mistura em situação de lançamento.


Cimento CP V ARI RS

Slump (cm) 5,0 ± 1,0/20,0±2,0

Sílica Ativa

relação a/c <0,45

Brita 1, Pedrisco e Areia Natural




Cimento (Kg/m3)

450,0

Silica Ativa (Kg/m3)

45,0

Areia Natural (Kg/m3)

970,0

Brita_19 mm (Kg/m3)

596,0

Pedrisco (Kg/m3)

197,0

Agua (Kg/m3)

198,0

Ar aprisionado (l/m3)

15,0

Aditivo Super-plastificante

3,587

Aditivo Anti-segregante

5,124

Aditivo redutor de água

1,537

TABELA 1: Traço do concreto adotado (aplicação submersa)



Abatimento do tronco de cone (cm) – antes e após adição do superplastificante

5,3 25,5

Slump flow (cm)

74,2

Caixa L

Total

Teor de ar incorporado (%)

5,0

Resistência à compressão axial (MPa)

1 dia

38,6

3 dias

45,8

5 dias

50,2

TABELA 2: Resultado dos ensaios realizados em laboratório.
    1. Restauração das Regiões Erodidas e Monitoramento

Antes de se executar a concretagem propriamente dita, foi necessário realização de três etapas cujo objetivo foi a preparação do local para o recebimento do concreto. Esta fase preliminar foi dividida em inspeção visual subaquática para levantamento de dados complementares, limpeza das superfícies, instalação, adequação e vedação das formas:




      1. Inspeção Subaquática

A inspeção subaquática com televisionamento teve como finalidade possibilitar o levantamento complementar dos dados a serem utilizados no projeto das formas, dimensionamento de quantitativos de concreto e planejamento de trabalho. Nesse levantamento, verificou-se que o volume a ser concretado seria em torno de 30 m3.




      1. Limpeza e Tratamento das Superfícies de Concreto e Rocha de Fundação

A limpeza foi realizada utilizando-se jato de água de alta pressão (até 210 kg/cm2) e rompedores pneumáticos. O objetivo foi a remoção da camada superficial de concreto e maciço rochoso, eliminando o material solto, de modo a garantir uma boa superfície de aderência entre o concreto novo, concreto já existente e a rocha de fundação (Figuras 03 e 04). Esta etapa durou aproximadamente três dias e durante os trabalho a vazão defluente total, originária das turbinas, foi limitada a 100 m3/s.




FIGURA 03: Mergulhador realizando a limpeza da região a ser concretada, através de hidrojato.



FIGURA 04: Superfície de concreto após limpeza com hidrojato.




      1. Instalação e vedação das formas

Após o estudo de diversas alternativas, definiu-se que as formas seriam em chapas metálicas e teriam peso em torno de 50 kg, para facilitar o manuseio e instalação (Figura 07). A realização dessa etapa durou aproximadamente 10 dias e consistiu no transporte, posicionamento, corte subaquática das chapas para adequação à superfície, vedação, fixação das chapas metálicas e solda (Figuras 05 – 10). Vale ressaltar que durante o posicionamento das formas, verificou-se a necessidade de ajustes em algumas chapas de modo a adequá-las às irregularidades das superfícies e garantir a vedação das emendas e juntas. Durante os trabalhos a vazão defluente total, originária das turbinas, foi limitada a 100 m3/s.





FIGURA 05: Descida da forma nº 01 com acabamento lateral em ângulo, para direcionamento de fluxo.



FIGURA 06: Mergulhador realizando a solda subaquática, nas formas metálicas.




FIGURA 07: Realização de corte subaquático nas chapas, utilizando caneta oxicorte.




FIGURA 08: Vedação das formas, realizada através de espuma.



FIGURA 09: Formas 13 e 14, prontas para instalação no local previsto.



FIGURA 10: Fase final de preparação das formas metálicas.





      1. Concretagem Submersa

O concreto empregado foi dosado em usina de concreto localizada 80 km do local de aplicação, sendo em seguida encaminhado para a frente de trabalho com os seus constituintes, parte da água e sem os aditivos superplastificante e anti-segregante, que foram adicionados ao balão-betoneira no local da obra.


Para o acerto do concreto de cada caminhão betoneira foi feita a determinação de sua consistência pelo abatimento do tronco de cone, na chegada ao local. Depois foram adicionados parte ou restante da água reservada do traço, os aditivos superplastificante e anti-segregante, nos teores pré-determinados, e verificada novamente, a sua consistência. Atingida a faixa especificada, o caminhão era liberado para a frente da bomba de lançamento. Para o transporte até o local de lançamento o concreto prosseguia através de tubulação metálica, posicionada horizontalmente sobre as estruturas de concreto da barragem, até alcançar o mangote que conduzia o material ao interior das fôrmas. Uma equipe de mergulhadores manobrava o mangote no interior da fôrma até o seu completo preenchimento. O processo ocorreu de modo contínuo e foram lançados 35 m3. Além da moldagem de corpos-de-prova 15X30 cm para verificação da resistência à compressão do concreto, foram dispostos três recipientes metálicos (20 l), dentro d’água, junto ao muro, que foram preenchidos na condição da aplicação, com o concreto de reparo da estrutura. Durante os trabalho de concretagem, a vazão defluente total originária da usina foi reduzida a praticamante 0 m3/s. Imediatamente após a concretagem, a vazão ficou limitada a 80 m3/s, nas primeiras 24 horas, sendo totalmente liberada após o terceiro dia.



FIGURA 11: Bombas utilizadas no lançamento do concreto.

FIGURA 12: Realização da concretagem submersa.




      1. Retirada das Formas

A retirada das formas aconteceu 26 dias após a realização da concretagem, sendo que nesta oportunidade foi realizada inspeção visual com televisionamento, constatando-se o perfeito acabamento das superfícies que foram preenchidas com concreto. Esse fato comprovou a qualidade e integridade do concreto lançado, mostrando-se compacto, homogêneo e sem segregação. Nesta data, os recipientes com concreto que estavam no fundo do rio foram retirados e enviados para o laboratório, para extração CP’s e ensaio de resistência à compressão.




      1. Inspeção subaquática, um ano após a concretagem

Um ano após a finalização dos serviços foi realizada uma inspeção subaquática e verificou-se que a região reparada continua em perfeitas condições, confirmando a qualidade dos trabalhos realizados.




      1. Controle Tecnológico

No gráfico da figura 13 apresentam-se as curvas de resistência à compressão, e as respectivas tendências, construídas a partir de ensaios em corpos-de-prova do controle tecnológico e de testemunhos extraídos a partir da amostra que foi deixada no fundo do rio.


Os resultados das resistências à compressão dos corpos-de-prova moldados no local indicaram resistências em torno de 26, 33 e 40 MPa, para as idades de 3, 7 e 28 dias, respectivamente. Os testemunhos preparados foram ensaiados à ruptura aos 33 e 84 dias de idade e apresentaram resistências à compressão de 53 e 63 MPa, respectivamente. Estes resultados comprovam a qualidade do concreto aplicado no reparo.

FIGURA 13: Evolução da resistência à compresssão do concreto submerso.





  1. CONCLUSÕES

O resultado do trabalho de reparo no muro lateral direito do vertedouro de superfície da UHE Jurumirim com lançamento sub aquático de concreto foi bastante positivo. A solução técnica adotada, o planejamento e a execução adequada das atividades, a logística estabelecida – número de caminhões betoneiras no circuito e disponíveis, seqüência de abastecimento na concreteira e pronto deslocamento para a obra, disponibilidade de bombas para o lançamento, posicionamento e circuito da tubulação – e o engajamento dos profissionais e equipes envolvidas no processo, contribuíram para o resultado alcançado. Conta também a realização dos estudos de laboratório, focados nas condições que seriam encontradas no campo e considerando a logística de transporte do concreto, equipamentos e equipe disponíveis.


Finalmente, a avaliação da região reparada um ano após a realização dos trabalhos, os resultados dos ensaios de resistência à compressão e as excelentes características do concreto no estado fresco, no que se refere a fluidez, auto-adensabilidade, ausência de segregação, coesão adequada e bombeabilidade, atestaram o sucesso e a qualidade dos trabalhos realizados e a adequação técnica do concreto especificado e o desenvolvido em estudos de laboratório.



  1. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à Duke Energy Geração Paranapanema, pela oportunidade de divulgação das informações referentes aos serviços de recuperação estrutural submersa, na Usina Hidrelétrica Jurumirm. É uma oportunidade importante para troca de experiência entre as empresas do setor energético e uma contribuição relevante para o meio técnico nacional.



  1. PALAVRAS CHAVES

Segurança de barragem, concreto, concretagem submersa, recuperação estrutural,



  1. RERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] BUCHALA, E., CARVALHO, P.A, (1989) - “Observação de problemas estruturais e reparos no vertedouro de superfície da usina Armando A. Laydner”, 31ª Reunião Anual do IBRACON, São Paulo, SP ;




XXVI Seminário Nacional de Grandes Barragens




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