Instrumentação e procedimentos
visando a segurança de barragens
9 de dezembro de 2015Curitiba-PR
Rodrigo Moraes da Silveira, D.Sc.
Slide 2Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Estrutura da apresentação
1 – Introdução;
2 – Aspectos gerais;
3 – Auscultação e instrumentação;
4 – Monitoramento;
5 – Histórico da instrumentação;
6 – Tecnologia de fibra óptica;
7 – Instrumentos ópticos.
Slide 3Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Introdução
• Objetivo:
Abordar, de forma geral, as instrumentações de barragens paramelhores práticas de projetos, “construções” e manutenção debarragens - visando a operação e a segurança estrutural.
Slide 4Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Aspectos gerais
• Barragens:São estruturas construídas transversalmente a vales e utilizadas basicamente para aacumulação de água. Em função da finalidade as barragens podem ser classificadascomo segue:
- barragens para abastecimento de água- barragens para geração de energia elétrica- barragens para irrigação- barragens para controle de cheias- barragens para perenização de rios- barragens para criação de animais (gado, peixes, aves)- barragens para paisagismo ou prática de esportes- barragens para aprimorar as condições ambientais (umidificação)- barragens para contenção de sedimentos e/ou controle de erosão- barragens para contenção de rejeitos industriais- açudes e outras
Slide 5Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
ANEEL
ANA ou órgãos estaduais de RH
DNPM
Órgãos Ambientais
USOS MÚLTIPLOS
HIDRELÉTRICA
RESÍDUOS INDUSTRIAIS
REJEITOS DE MINERAÇÃO
Fonte: Apresentação ANA
Aspectos gerais
Slide 6Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Introdução
• Barragens:• Barragens de concreto (armado ou rolado) - de gravidade, em arco e contrafortes• Barragens convencionais de terra e/ou enrocamento• Barragem de contenção de rejeitos
Barragem da Vale, Conceição, Itabira/MG
Hoover dam, Nevada e Arizona, EUA
Slide 7Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Introdução
• Segurança de barragens:• Lei nº 12.334-2010 – Estabelece a Política Nacional de Segurança de
Barragens;• Resolução CNRH nº 143-2012 – Estabelece critérios gerais de
classificação de barragens por categoria de risco, dano potencialassociado e pelo volume do reservatório;
• Resolução CNRH nº 144-2012 – Estabelece diretrizes paraimplementação da Política Nacional de Segurança de Barragens;
• Resolução ANA 091/2012 – Estabelece conteúdo mínimo edetalhamento do PSB e realização da Revisão Periódica deSegurança em barragens fiscalizadas pela ANA;
• Ofício Circular 308/2012 – SFG/ANEEL (03/2012) – Objetivou efetuarclassificação de risco das barragens e identificar o planejamento emrelação aos itens requeridos pela Lei 12.334/2010.
Slide 8Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Introdução
• Segurança de barragens:
• Trata-se de uma preocupação permanente, tanto por suaimportância econômica como pelo risco potencial.
Risco potencial – representa a possibilidade de ruptura ououtro acidente grave como, perdas vidas humanas, impacto aomeio ambiente, prejuízos materiais e reflexos econômico-financeiros.
Slide 9Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Aspectos gerais
• Definições aplicadas ao risco:• Segundo o Nacional Research Council dos EUA, através de comitês,
definiu a terminologia e conceitos associados a ameaças de“escorregamentos de terra”:
• Susceptibilidade: refere-se a possibilidade de que um eventocatastrófico ocorra em uma área com base nas condições locais.
• Ameaça ou Perigo (Hazard): é probabilidade de ocorrência de umfenômeno potencialmente danoso, em um período específico detempo, dentro de uma área determinada.
• Vulnerabilidade (Vulnerability): é o grau de perda de um elementosubmetido a risco;
• Risco (Risk): é a probabilidade de consequências prejudiciais.
Slide 10Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
FASE I – Reconhecimento da bacia;FASE II – Inventário da bacia;
FASE III – Viabilidade;
FASE IV – Projeto básico;FASE V – Projeto executivo;
FASE VI – Controle de qualidade durante a construção;FASE VII – Operação;
FASE VIII – Manutenção.
Aspectos gerais
Slide 11Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
• Definições de critérios:• Escolha do tipo de barramento (condições de contorno devem ser
consideradas);• Características geotécnicas e geológicas;• Materiais de construção (propriedades);• Investigações e ensaios de campo;• Estudos hidrológicos e hidráulicos;• Determinação da enchente máxima de projeto;• Estudos de sedimentação;• Estabilidade e erosão;• Tratamento das fundações;• Sistema de auscultação (INSTRUMENTAÇÃO);• Cargas de projeto e condições de carregamento;• FS a serem atendidos no dimensionamento.
Aspectos gerais
Slide 12Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
• O projeto geotécnico de barragens contempla os seguintes aspectosgeotécnicos:
• Pré-dimensionamento da geometria da barragem: taludes, crista, bermas, etc.;• Projeto da drenagem interna (filtros e drenos);• Preparação das especificações para:- escavações, tratamento de fundações (lançamento, compactação eimpermeabilizações (fundação da barragem e/ou do reservatório), filtros e drenos,instrumentação e controle (manual de operações);• Dimensionamento final da barragem;• Projeto da instrumentação e elaboração de cartas de risco;• Aspectos geotécnicos das estruturas de concreto (drenagem, estabilidade, etc.);• Análises de percolação da água através do aterro e das fundações da barragem
(traçado de redes de fluxo em meios porosos;• Dimensionamento dos filtros, drenos e transições da barragem;• Análises da estabilidade dos taludes da barragem;• Análises do comportamento tensão x deformação da barragem (prevenção a
fissuramentos internos).
Aspectos gerais
Slide 13Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
• Tipos de problemas frequentes em barragens de terra (InternationalCommission on Large Dams – 1994):
Aspectos gerais
Slide 15Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Auscultação:
É o conjunto de métodos de observação do comportamento de uma
determinada obra de engenharia, com o objetivo de controlar as suas
condições de segurança, comprovar a validade das hipóteses e dos
métodos de cálculo utilizados no projeto, verificar a necessidade da
utilização de medidas corretivas, fornecer subsídios para a elaboração
de novos critérios de projeto, etc.
Instrumentação:
Refere-se ao conjunto de dispositivos instalados nas estruturas e em
suas fundações objetivando monitorar seu desempenho através de
medições de parâmetros, cujos resultados, devidamente analisados e
interpretados, servirão para avaliar suas condições de segurança.
Auscultação e instrumentação
Slide 16Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
O plano de auscultação da barragem deve prever todas as fases da
“vida útil” da barragem e todas as atividades a serem realizadas:
Auscultação
Slide 17Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Limitações (Dunnicliff, 1988):• A instrumentação cobre somente um número limitado de regiões;
• A instrumentação pode ser danificada, pode falhar ou começar a
funcionar precariamente com o envelhecimento, fornecendo
resultados errados;
• Muitas vezes a ocorrência de uma anomalia não pode ser detectada
porque a instrumentação não tem sensibilidade suficiente ou não
foi instalada no lugar adequado;
• Muitos relatos de acidente afirmam que o problema não foi
detectado pela instrumentação e que o “alarme” foi dado pela
observação visual;
• Dificilmente a instrumentação detecta fenômenos inesperados não
previstos na fase de projeto.
Instrumentação
Slide 18Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Quantidade (Dunnicliff, 1988):
• A quantidade de instrumentos a ser instalado em uma
barragem está condicionada principalmente aos seguintes
aspectos básicos: comprimento da barragem, altura máxima,
características geológicas da fundação, características dos
materiais utilizados no corpo da barragem e etapas
construtivas.
• É inviável o estabelecimento de regras pré-determinadas
definindo a quantidade de instrumentos a serem instalados
em uma barragem (atender à estes vários condicionantes
locais).
Instrumentação
Slide 19Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Quantidade (Dunnicliff, 1988):
• Para barragens pequenas e com nível de risco baixo a
instrumentação estritamente necessária ou
indispensável se resume normalmente a:
Alguns piezômetros;
Marcos topográficos de referência de nível;
Medidores de vazão.
• Com esta instrumentação, instalada em pontos
estratégicos (peculiares de cada barragem) entende-se
que é possível verificar a ocorrência de anomalias.
Instrumentação
Slide 20Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
RECALQUESPINOS DE RELALQUESMARCOS SUPERFICIAIS
DESLOCAMENTOS HORIZONTAISESTAÇÃO TOTAL
ROTAÇÃO NAS DIREÇÕES TRANSVERSAL E LONGITUDINALELETRONÍVEL
VIBRAÇÕESSISMÓGRAFO
DEFORMAÇÕES SUBSUPERFICIAISINCLINÔMETROS
NÍVEL D’ÁGUAMNA
PORO PRESSÃOPIEZÔMETROS
Monitoramento
Slide 21Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Histórico da instrumentação
O primeiro inclinômetro – Leonardo Da Vinci em 1480
• O primeiro inclinômetro – controlar a posição dasmaquinas voadoras no ar
O primeiro piezômetro – Stephen Hales em 1733
• O primeiro piezômetro – Halesmediu pressão sanguínea de umcavalo.
Inclinômetro convencional - Slope Indicator
Piezômetro elétrico convencional Tritech
Slide 22Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Eletroníveis
Medidores de deslocamento superficial
Marcos topográficos
Inclinômetro
Fita de cisalhamento
Instrumentos convencionais
Slide 23Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Tecnologia de fibra óptica
O QUE É A FIBRA ÓPTICA?
• É um meio através do qual a luz pode ser transmitida,transportando informações, seguindo trajetos retilíneos oucurvos;
• Núcleo: tem a função de transmitir o sinal de luz;
• Cladding (casca): tem a função de manter o sinal viajandono interior do núcleo por reflexão total;
• Revestimento: a primeira camada não óptica, tem objetivoprincipal de proteção mecânica e reforço da fibra;
• Camada protetora: Fornece resistência à abrasão.
CABO DE FO
Slide 24Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
PORQUÊ UTILIZAR FIBRAS ÓPTICAS?
• Imunidade eletromagnética;
• Elevada abrangência espacial – até ~30km de
monitoramento por cabo óptico;
• Baixo custo dos sensores (mas a unidade leitora é
“cara”!);
• Facilidade de aquisição de dados durante as piores
(e mais importantes) condições climáticas –
possibilidade de processamento e análise em
tempo real.
Tecnologia de fibra óptica
Slide 25Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Fibras Ópticas como Sensores
Características e Vantagens:
• Duráveis;
• Estáveis;
• Insensíveis a perturbações externas – ImunidadeEletromagnética e Radio Frequência;
• Multiplexação;
• Multifuncionalidade;
• Isolamento elétrico;
• Tamanho e peso reduzidos.
Tecnologia de fibra óptica
Slide 27Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
(adaptado de Smolen e Spek, 2003)
Tecnologia de fibra óptica
Slide 29Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
APLICAÇÕES NA ENGENHARIA DE BARRAGENS
• Monitoramento de Barragens
Temperatura em maciços de concreto (CCR);
Erosão em núcleos de argila;
Fluxos em material drenante;
• Infiltração em juntas;
• Detecção de vazamentos;
• Instabilidade de Taludes.
Tecnologia de fibra óptica
Slide 30Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Tecnologia de fibra óptica
FIBRA MONOMODO (DTSS)
A luz viaja por um caminho único(de um único modo).
FIBRA MULTIMODO (DTS)
A luz viaja por vários caminhos(ou de modos diferentes).
d ≈ 4µm a 10µm
d ≈ 25µm a 150µmRaman
Brillouin
Rayleigh
BrillouinRaman
Stokes Anti-Stokes
Fibra óptica ou fibra ótica?
λ0 Comprimento de onda
Slide 31Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
DTS – Distribuited Temperature Sensing
• Registro de dados de temperatura a cada 1 m;
• Alcance de até 6 km → 30 km;
• Resolução 0,05 °C → 0,01 °C;
• Taxa de aquisição mínima = 10”.
Slide 32Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Cabo de fibra óptica DTS
• Diâmetro externo = 5,6 mm;• Proteção externa PEAD = 1 mm;• Tubo perdido (loose tube buffer).
Slide 33Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
DTSS - Distribuited Temperature Sensing and Strain
• Registro de dados de temperatura e
deformação a cada 1 m;
• Alcance de até 24 km;
• Resolução 1°C / 20 µε;
• Taxa de aquisição mínima = 2’ (estático);
• Taxa de aquisição mínima = 10 Hz.
Slide 34Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Cabo de fibra óptica DTSS
• O cabo de FO é o sensor;
• Possuí diâmetro de 5 mm;
• Composto por 4 FO (tight buffer);
• 2 Multimodo (DTS);
• 2 Monomodo (DTSS);
• Possuí elementos de reforço a tração (kevlar);
• Envolto por uma proteção externa;
• Resistência máxima a tração informada pelo
fabricante é de 3 kN.
Slide 35Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Custos (vantagens e desvantagens)
MÉTODO CONVENCIONAL REDES DE BRAGG DTSS
Sensor Corda vibrante Fibra de redes de Bragg Fibra óptica
Medição Pontual Pontual Distribuída
Resolução da deformação 0,5 – 1 µε 0,1 – 10 µε 2 – 30 µε
Resolução espacial 50 – 250 mm ~ 2 – 40 mm ~ 1 m
N° de sensores por cabo 1 por cabo 40 sensores 20.000 – 100.000 sensores
Tempo de aquisição Ciclos de 600 Hz – 3 kHz Acima de 5 MHz 4 – 25 minutos
Deformação máxima 3.000 µε ~ 10.000 µε ~ 10.000 µε
Custo do equipamento de
leitura$2.000 – $20.000 $20.000 – $100.000 $100.000 - $200.000
Custo do sensor $150 - $500 $50 - $500 $0,20 - $20 por metro
Característica Técnica convencional Deformação com alta precisão Medidas distribuídas
Fonte: Bennett, 2008
Slide 36Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Demonstração dos Métodos Distribuídos:
https://www.youtube.com/watch?v=dG7whvEunu0
Slide 37Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Protótipo: Medidor do grau de saturação do solo
• Protótipo desenvolvido em gesso especial;• Fibra óptica DTS disposta de forma
helicoidal;• Grau de saturação medido após equilíbrio
do teor de umidade do meio com oprotótipo;
• Depósito de patente em andamento.
Instrumentos ópticos
Slide 38Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Medidor de nível de água DTS – Sítio experimental e em campo
• Protótipo instalado no sítioexperimental dos InstitutosLactec e UFPR (Curitiba-PR) eem campo;
• NA determinado pela TecnologiaDTS + Método do aquecimento;
• Precisão ± 0,50 m (algoritmomatemático desenvolvido reduza precisão para ± 0,10 m);
• Depósito de patente emandamento.
Instrumentos ópticos
Slide 39Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Instalações em campo – Medidor de nível d’água e piezômetros – DTS
Procedimento de instalação:
Instrumentos ópticos
Slide 41Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
La Conchita, coastal area of
southern California, spring 1995.
MOTIVAÇÃO
Pipeline
Segurança de dutos!
É possível a tecnologia de FO sereficientemente utilizada para omonitoramento de encostas?
Qual seria a estratégia de instalação docabo de FO na encosta?
Instrumentos ópticos
Instalações em campo – Encostas atravessadas pordutos da Petrobras – Movimentos de massa – DTSS(TAMBÉM APLICÁVEL A BARRAGENS – TALUDE DEJUSANTE E MONTANTE.
Disposição transversal docabo de fibra ótica
Disposição longitudinal do cabo de fibra ótica
Ancoragem simplessubterrânea
Ancoragem mistasubterrânea
Ancoragem superfi-cial com grampo
Monitoramento de Encostas Naturais com Fibra óptica
A
B
A
B
Comprimento do cabo (L)D
efo
rmaç
ão (
%)
Perfil de referência
Perfil alterado pelo deslocamento de solo
Comprimento do cabo (L)
Def
orm
ação
(%
)
Perfil de referência
Perfil alterado pelo deslocamento de solo
A B
A B
Identificação dos limites transversais
Identificação dos limites longitudinais
Monitoramento de Encostas Naturais com Fibra óptica
Comprimento do cabo (L)
Def
orm
ação
(%
)
1
2
3
1
2
3
1
2
3
L1
L2
L3
L1
L2
L3
Identificação dos limites em profundidade
Identificação dos limites em profundidade
Monitoramento de Encostas Naturais com Fibra óptica
Slide 45Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
• Depósito de patente em andamento: Procedimento de instalação de cabos ópticos DTSS
Instalações em campo – Encostas atravessadas por dutos daPetrobras – Movimentos de massa – DTSS
Instrumentos ópticos
Slide 46Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Redes de Bragg – Testes em Laboratório
• Sensor de poro-pressão P-01 (Sylex) em célula triaxial
Instrumentos ópticos
Slide 47Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
• Sensor de deslocamentos – extensômetro ASC-01
Instrumentos ópticos
Slide 48Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Sensores - Redes de Bragg
• Sensores de poro-pressão e deslocamento na UHE Quebra-Queixo
Instrumentos ópticos
Slide 49Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
• Sensores de deformações instalados em UHE
Instrumentos ópticos
Slide 50Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Instrumentos ópticos
• Inclinômetro FO – em fase inicial de estudo
Slide 51Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Geração e transferência de calor no solo e
água – Método do Aquecimento
Desenvolvimento de sistema para medida da velocidade do
fluido – Detecção de Erosão Interna
Instrumentos ópticos
Slide 52Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Geração e transferência de calor no solo e
água – Método do Aquecimento
Instrumentos ópticos
Slide 53Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Geração e transferência de calor no solo
e água – Método do Aquecimento
Slide 54Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Geração e transferência de calor no solo
e água – Método do Aquecimento
Slide 55Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Considerações finais
• A apresentação deu apenas uma ideia sobre instrumentação em geral. Não era
objetivo esgotar o assunto;
• A FO é uma evolução na instrumentação geotécnica e no monitoramento espacial e
contínuo, e já é uma real tecnologia de ponta;
• Está em ativo processo de desenvolvimento e ainda tem muito a ser estudado e
evoluir, o que comprova sua potencialidade;
• Utilização em P&D e aplicações práticas em obras demonstram importância e futuros
benefícios possíveis para a geotecnia;
Slide 56Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Considerações finais
• Quanto a instrumentação como um todo, o monitoramento hidráulico-mecânico de
barragens através da instalação de um adequado sistema de instrumentação
desempenha um papel fundamental na avaliação do comportamento destas
estruturas, tanto durante o período de construção quanto no regime de plena
operação;
• É inconcebível grandes estruturas sem um adequado número de instrumentos com
monitoramento assíduo procedido por profissionais com conhecimento específico.
Slide 57Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens
Não há ensino sem pesquisa e pesquisa sem ensino.PAULO FREIRE
Não há engenheiro sem conhecimento e atualização, que somados ao bom senso, iniciativa e criatividade formam o perfil
de um bom profissional.FERNANDO SCHNAID
A informação solicitada nem sempre é a informação necessária. A informação necessária nem sempre pode ser obtida. A
informação obtida nem sempre é suficiente. A informação suficiente nem sempre é economicamente viável.
FERNANDO SCHNAID