As condições operacionais e de segurança do Posto “A” podem ser influenciadas pela ocorrência de galgamentos do quebramar Norte (especialmente no trecho adjacente ao Posto “A”), pela difracção da
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 45 90 135 180 225 270 315 360 H( m ) - T (s )
Direcção da Agitação (graus)
Altura de Onda (H) Período de Onda (T)
agitação marítima em torno da cabeça dessa estrutura, pelas características do sistema de amarração do
navio ao cais, pela transmissão através da estrutura doquebramar Norte e por eventuais fenómenos de
natureza ressonante que tenham lugar na área adjacente ao Posto “A” (IHRH-FEUP/CEHIDRO-IST, 2005; Veloso Gomes et al., 2005).
Ao longo dos últimos anos foram efectuados vários estudos com o objectivo de caracterizar e melhorar as condições de operacionalidade e de segurança do Posto “A”, IHRH-FEUP/CEHIDRO-IST, 2005. Esses estudos abordaram o problema de diferentes perspectivas e incluíram: estudos bidimensionais em modelo físico de uma secção transversal do quebramar Norte de Leixões adjacente ao Posto “A”; modelação numérica da propagação da agitação marítima de curto período, do largo para o interior do porto; análise da morfologia dos fundos na vizinhança do Posto “A” com utilização de SIG, incluindo a zona interior e exterior ao quebramar Norte; e estudos de propagação das ondas de longo período e de ressonância no interior do porto, com recurso a modelos numéricos. Nesses estudos foi importante a participação de profissionais das várias entidades com responsabilidades na operação do Terminal de
PetroleirosdoPortodeLeixões,nomeadamentedaadministraçãoportuária,daempresaconcessionária
do terminal e dos pilotos da Barra de Leixões.
Mais recentemente, o comportamento de um navio amarrado no Posto “A” do Terminal de Petroleiros de Leixões foi também estudado recorrendo a simulações numéricas (Santos, 2005 e 2006).
Os estudos em modelo físico reduzido foram realizados à escala geométrica 1/60 considerando, quer
ondasregulares,IHRH-FEUP, 2004d,querondasirregulares,Guedes Lopes, 2005.Noprimeirodesses
estudos (IHRH-FEUP, 2004d) asituaçãoactualfoicomparadacomosresultadosdedezalternativasde
intervenção,noqueconcerne,queraocaudalmédioquegalgavaasecçãotransversalemestudo,querà
estabilidade dos blocos do manto resistente do quebramar. Os onze modelos foram ensaiados segundo condições que reproduziram as condições de uma agitação incidente efectiva não significativamente perturbada pelas condições gerais de funcionamento do tanque de ondas. No segundo estudo (Guedes Lopes, 2005) foram testadas, de uma forma mais aprofundada, as três soluções do estudo anterior que apresentaram melhores resultados ao nível, quer da redução dos galgamentos da estrutura, quer da estabilidade dos blocos do manto resistente do quebramar. Neste estudo foram usadas ondas regulares e irregulares, assim como blocos fabricados com betão de densidade normal e de alta densidade. Os testes efectuados com o modelo físico que reproduzia a configuração actual do quebramar Norte de
Leixões(querconsiderandoumabatimetriaidênticaàdoprojectoinicial,querconsiderandoabatimetria
actual, definida com base em levantamentos de Maio de 2003) mostraram que volumes significativos
deáguapodemgalgaraestrutura,especialmentequandosãoconsideradasascondiçõesdeagitaçãomais
energéticas, Figura 5.23. Esses volumes de galgamento são susceptíveis de influenciar, negativamente, as condições operacionais e de segurança do Posto “A”. Este modelo físico foi também aquele em que foi observado um maior número de blocos tetrápodes deslocados, IHRH-FEUP, 2004d.
Importa referir que a questão da estabilidade dos blocos do manto resistente do quebramar Norte do Porto de Leixões e os volumes de galgamento dessa estrutura, responsáveis por parte dos problemas operacionais registados no Posto “A”, não podem ser dissociados.
As várias hipóteses de intervenção testadas em modelo físico apresentaram resultados mais favoráveis do que a hipótese que reproduzia a configuração actual do quebramar Norte de Leixões, IHRH-FEUP, 2004d. Das alternativas estudadas, salientam-se, pelo seu bom desempenho global, as que consideram um quebramar submerso a barlamar do quebramar de taludes actual. De um modo geral, a prestação de todas as hipóteses testadas em modelo físico piora quando se considera o nível de maré mais elevado, ou seja, o nível +4.00 (ZHL).
Caso de Estudo – O Terminal de Petroleiros do Porto de Leixões Capítulo 5
391 O trabalho realizado, Guedes Lopes, 2005, permitiu concluir que, de um modo geral, os blocos de alta densidade são mais eficazes do que os blocos de densidade normal, tanto na redução dos galgamentos do quebramar, como na melhoria da estabilidade do manto resistente dessa estrutura.
Figura 5.23 – Testes bidimensionais em modelo físico: episódio de galgamento da secção transversal actual do quebramar Norte de Leixões. A batimetria foi
definida com base no levantamento de Maio de 2003, IHRH-FEUP, 2004d.
Não menosprezando a validade e a relevância dos dois estudos experimentais anteriormente realizados (IHRH-FEUP/CEHIDRO-IST, 2005; Guedes Lopes, 2005), importa fazer referência à importância de submeter as soluções mais promissoras a novos estudos em modelo físico (reconhecida nos mesmos). Esses estudos devem ser realizados a uma escala geométrica maior (tão grande quanto possível) e com um modelo tridimensional, com o objectivo de minimizar possíveis efeitos de escala e de optimizar as soluções seleccionadas.
OsepisódiosdegalgamentodoquebramarNortedeLeixõesforamconsideradospelospilotosdaBarra
deLeixõesepelosresponsáveispelaexploraçãodoPosto“A”comopreocupantessobopontodevista,
quer da operacionalidade, quer da segurança no terminal, IHRH-FEUP/CEHIDRO-IST, 2005. Os seus efeitos negativos podem fazer-se sentir de diferentes formas: as condições de tranquilidade portuária
podemseragravadaspelosvolumesdeáguaquegalgamoquebramar;oacessoaoPosto“A”,atravésda
superstruturadoquebramar,comoobjectivodelibertaronaviodurantesituaçõescríticas,torna-semais
difícil e perigoso, especialmente por não estarem instalados ganchos de desengate rápido controláveis remotamente; e ainda porque nessas condições é mais difícil e perigosa a interrupção das operações de descarga/carga do navio, ou seja, o “desligar” dos braços de descarga/carga que ligam ao navio. A hipótese que refere a possibilidade de ocorrência de transmissão através da estrutura do quebramar Norte do Porto de Leixões apoia-se, quer em análises da evolução da batimetria (ao longo do tempo) na área envolvente ao Posto “A”, quer em afirmações proferidas pelos profissionais responsáveis pela operação do Terminal de Petroleiros. Esses profissionais referiram que “quando não há condições de agitação favoráveis, na zona Norte do terminal, verifica-se também, na popa do navio, a passagem de água com areia através do quebramar”, IHRH-FEUP/CEHIDRO-IST, 2005.
A análise comparativa de vários levantamentos batimétricos da zona protegida pelo quebramar Norte de Leixões evidenciou uma acumulação preferencial de sedimentos ao longo de uma banda adjacente ao pé do talude interior desta estrutura, em contraste com uma mais reduzida e aproximadamente
uniforme acumulação de sedimentos no resto da bacia de manobra do Posto “A”, IHRH-FEUP, 2004a. Por outro lado, a deposição de sedimentos nessa banda não progride da cabeça para o enraizamento do quebramar, como seria razoável esperar que acontecesse se os sedimentos estivessem a chegar à bacia do Posto “A” após contornarem a cabeça da estrutura. No entanto, pode verificar-se uma acumulação
especialmenteelevadadesedimentosemalgumaszonasdessabandadistantesdacabeçadoquebramar.
Estas constatações levaram à suposição de que os sedimentos, induzidos pelo movimento da água,
poderiamestaraatravessaroquebramar,IHRH-FEUP/CEHIDRO-IST, 2005,emconsequênciadeuma
elevada permeabilidade sedimentar. A Figura 5.24 apresenta a variação do volume de sedimentação na vizinhança do Posto “A” entre os levantamentos de 3 de Novembro de 2001 e 8 de Fevereiro de 2002, sendo elucidativa da dinâmica descrita. Estudos anteriores mostraram que o assoreamento da bacia do Posto “A” tem origem quase exclusivamente no trecho que lhe fica a Norte.
Figura 5.24 – Variação do volume de sedimentação na vizinhança do Posto “A”, IHRH-FEUP, 2004a.
A situação descrita tem como resultado um aumento da frequência com que as operações de dragagem têm de ser realizadas na zona envolvente ao Posto “A”.
Dado tratar-se de um quebramar de taludes construído sobre um antigo quebramar submerso, torna-se muito difícil determinar qual a permeabilidade actual desta obra de protecção. Sabe-se que o núcleo
destaestruturaéconstituídoporenrocamentodepesoinferiora1tf.Noentanto,mesmoquesepudesse
admitiraimpermeabilidadedonúcleodoquebramar,apresençadeblocoscomaproximadamente90tf
no manto exterior da antiga estrutura submersa, leva a concluir que o quebramar poderá, de facto, ser
Posto “A” Evolução da batimetria (m) ≥0 → Erosão de sedimentos <0 → Acreção de sedimentos Escala 80 0 80 m
Caso de Estudo – O Terminal de Petroleiros do Porto de Leixões Capítulo 5
393 permeável a sedimentos e, eventualmente, a correntes de água localizadas, capazes de interferir com o comportamento de um navio amarrado no Posto “A”, IHRH-FEUP/CEHIDRO-IST, 2005.
Ahipóteseapresentadaétambémsustentadapelaexistênciadeumdesníveldofundo,entreointradorso
e o extradorso do quebramar Norte de Leixões, que pode ultrapassar os 5 m em algumas zonas, e pela reduzida espessura do maciço de TOT do quebramar de taludes que está assente sobre o talude interior do antigo quebramar submerso, Figura 5.16.
Como foi referido anteriormente, o Posto “A” localiza-se à entrada do Porto de Leixões, próximo da cabeça do quebramar Norte. Esta localização pode também ser apontada como uma causa possível para os problemas hidrodinâmicos e operacionais sentidos neste posto de acostagem.
Pelo fenómeno da difracção, a agitação marítima com uma direcção aproximadamente perpendicular ao quebramar Norte de Leixões pode, com relativa facilidade, contornar a cabeça desta estrutura e chegar à zona do Posto “A”, com energia suficientemente elevada para poder perturbar um navio aí amarrado. Por outro lado, a agitação proveniente de rumos próximos do Sudoeste pode atingir a zona do Posto “A” directamente. Para estudar a propagação da agitação marítima de curto período até ao interior do Porto de Leixões e, em particular, para determinar as condições de operacionalidade do Posto “A”, foram utilizados dois modelos numéricos (IHRH-FEUP, 2004b; CEHIDRO-IST, 2004). O modelo numérico utilizado no Instituto de Hidráulica e Recursos Hídricos (IHRH-FEUP, 2004b) é baseado num esquema de discretização por elementos finitos, a duas dimensões horizontais, da equação de fundos suaves de Berkhoff, 1972, com um factor de dissipação de energia (Booij, 1981). A propagação das ondas monocromáticas é realizada tendo em consideração o efeito combinado da refracção, da difracção e da reflexão. No estudo realizado apenas foi considerada a ocorrência de dissipação de energia pelo processo de rebentação da onda, através da utilização do modelo de Battjes e Janssen, 1978, adaptado para ser usado num modelo de propagação de ondas elíptico por De Girolamo et al., 1988. A dissipação de energia que resulta do atrito no fundo não foi considerada. Foram utilizados dois tipos de condições de fronteira: condição de geração-radiação, aplicada em fronteiras abertas no mar; e condição de reflexão total ou parcial, aplicada nas fronteiras sólidas (quebramares, cais, praias, etc.) ou nas fronteiras de simetria. Os resultados do modelo são a altura de onda e a velocidade superficial máxima, em cada ponto.
O estudo foi realizado para o nível de maré correspondente a uma preia-mar de águas vivas (+4.0 m ZHL) e para agitação marítima com um rumo local de Oeste, IHRH-FEUP, 2004b. De acordo com a experiência dos pilotos da barra de Leixões e dos responsáveis pela exploração do terminal, estas condições são as que originam as situações de menor segurança para a atracação e para a permanência de navios no Posto “A”. As simulações numéricas foram efectuadas para sete ondas regulares, com períodos de 9 a 20 s. Considerou-se que estes seriam os períodos de pico da agitação em condições de mar totalmente desenvolvidas, aos quais corresponderiam as alturas de onda significativas ao largo determinadas por, Resio et al., 2002,
em que representa a altura de onda significativa, a aceleração da gravidade e o período de pico da agitação irregular. A altura de onda significativa local, , na batimétrica dos -21 m (ZHL), foi determinada considerando apenas os efeitos devidos ao empolamento linear da onda provocados pela diminuição da profundidade da água.
O Quadro 5.8 resume os resultados obtidos para o Cenário A, que considera o quebramar Norte com a sua configuração actual. Nesse quadro são também apresentados os resultados de duas condições de agitação marítima adicionais, de mar não completamente desenvolvido, com um período de onda de
pico de 18 s e alturas de onda significativas locais de 6.0 e 10.0 m. Estas condições foram simuladas com o objectivo de possibilitar, posteriormente, a comparação dos resultados obtidos com os modelos numéricos utilizados pelas duas equipas de investigação. O Cenário B considerou um prolongamento de 200 m do quebramar Norte, no enfiamento da estrutura actual.
Quadro 5.8 – Síntese dos resultados da modelação numérica para o Cenário A, IHRH-FEUP, 2004b.
Caso (s) (m) (m) Alturas de onda na vizinhança do Posto “A”
1 9 2.9 2.7 entre 0.5 m e 1.0 m.
2 11 4.4 4.0 entre 1.0 m e 1.5 m em alguns pontos.
3 13 6.1 5.7 podem ser superiores a 1.5 m, não chegando a 2.0 m.
4 15 8.1 7.9 geralmente superiores a 1.5 m e nalguns pontos superiores a 2.0 m.
5 17 10.4 10.5 superiores a 2.0 m, podendo ultrapassar os 2.5 m junto ao quebramar
Norte.
6 19 13.0 14.6
superiores a 2.5 m numa extensão de aproximadamente 200 m junto ao quebramar e superiores a 2.0 m numa faixa com uma largura de cerca de 80 m.
7 20 14.4 15.4 superiores a 2.0 m, e nalgumas zonas a 2.5 m, em praticamente toda a vizinhança do Posto “A”.
8 18 -- 6.0 entre 1.0 m e 1.5 m, sendo superiores a 1.5 m numa faixa com cerca de 150 m junto ao quebramar.
9 18 -- 10.0 2.0 m numa faixa com mais de 200 m junto ao quebramar. Numa região
localizada em torno do Posto “A” podem ultrapassar os 2.5 m.
Os resultados das várias simulações numéricas mostram que durante a preia-mar, em situações de mar completamente desenvolvido e para ‘períodos de onda de pico’ iguais ou superiores a 15 s, a actual configuração do quebramar Norte de Leixões possibilita que a ondulação proveniente de Oeste possa contornar a cabeça desta estrutura e chegar à zona do Posto “A” com uma altura igual ou superior a 2.5 m, IHRH-FEUP, 2004b.
A Figura 5.25 apresenta o diagrama de alturas de onda na vizinhança do Posto “A” que resulta da simulação da propagação de agitação marítima com rumo local de Oeste, um período de onda de 19 s e uma altura de onda de 13.0 m, para a situação de preia-mar (+4.0 m ZHL). Para estas condições de agitação, os resultados da simulação numérica mostram alturas de onda superiores a 2.5 m ao longo de praticamente toda a área de influência do Posto “A”. Importa frisar que esta simulação foi realizada para condições de agitação extremas, cuja probabilidade de ocorrência é, naturalmente, reduzida. Em CEHIDRO-IST, 2004, a caracterização das condições de tranquilidade na entrada do Porto de Leixões, no que concerne apenas à agitação marítima de curto período, foi realizada por aplicação de dois modelos numéricos: o STWAVE e o REF/DIF1. O primeiro modelo foi utilizado para o estudo da propagação das ondas do largo até próximo da costa (até aproximadamente 30 m de profundidade) e o segundo para caracterizar o comportamento das ondas na zona mais próxima do quebramar Norte e, em particular, na envolvente ao Posto “A”.
As condições de tranquilidade à entrada do Porto de Leixões foram caracterizadas para 15 ondas com os seguintes rumos ao largo: NW, W e W-20º-S. Consideraram-se os seguintes conjuntos de período de onda de pico - altura de onda significativa: =10.0 s e =3.60 m; =14.0 s e =5.0; =14.0 s e =7.0 m; =18.0 s e =6.0 m; e =18.0 s e =10.0 m. O nível de maré foi considerado igual a 2.0 m (ZH), que corresponde, sensivelmente, ao nível médio da água do mar.
Caso de Estudo – O Terminal de Petroleiros do Porto de Leixões Capítulo 5
395
Figura 5.25 – Alturas de onda (m) à entrada do Porto de Leixões. Rumo W; =19 s; =13.0 m; Preia-mar, IHRH-FEUP, 2004b.
Neste estudo procurou-se também avaliar a influência da variação do nível de maré nas condições de agitação à entrada do porto. Para tal foram simuladas duas das condições de agitação anteriores (ondas com =14.0 s, =5.0 m, e rumos ao largo de W e de NW) para níveis de maré extremos: +0.5 m (ZH), correspondente a uma baixa-mar de águas vivas; e +4.5 m (ZH) correspondente a uma preia-mar de água vivas, afectada por uma sobrelevação meteorológica.
O STWAVE (Steady State Spectral Wave Model), desenvolvido pelo Coastal and Hydraulics Laboratory, U.S. Army Engineer Research and Development Center, é um modelo matemático de diferenças finitas, baseado na equação de balanço de ondas, que permite a simulação da refracção, empolamento, rebentação, difracção, interacção vento-onda, interacção onda-onda e a geração de espectros de energia. Este modelo propaga a agitação do largo para a costa, segundo direcções que no máximo podem fazer um ângulo de ±87.5º com o eixo dos xx da malha de cálculo, que é usualmente a direcção normal à costa. Deste modo, ondas reflectidas pela linha de costa, por estruturas costeiras, ou por formações de fundo escarpadas, propagando-se fora dos limites referidos, são negligenciadas. Os outputs do modelo são: espectros de ondas em pontos previamente seleccionados; campos de altura, período e direcção de onda; campos de gradientes das tensões de radiação; e campos de índices de rebentação.
O REF/DIF1, desenvolvido por Kirby e Dalrymple, 1994, no Center for Applied Coastal Research, Department of Civil Engineering, University of Delaware, Newark, é um modelo de diferenças finitas, baseado na equação do talude suave. Esta equação é desenvolvida na forma parabólica e em relação à amplitude complexa de uma onda regular. O modelo é de linearidade fraca e combina a refracção e a difracção. A simulação da propagação de ondas regulares é realizada em profundidades intermédias e tem em conta os efeitos da não-linearidade através da teoria de Stokes. A direcção de propagação da onda está limitada a um sector de ± 70º relativamente ao eixo dos xx devido à aproximação parabólica
em que se baseia o modelo. Por este motivo, e um pouco à semelhança do que se referiu para o modelo STWAVE, este modelo não pode simular correctamente o fenómeno da reflexão. O modelo REF/DIF1 considera a dissipação de energia por rebentação da onda e por atrito no fundo. Os outputs do modelo são: os campos de altura de onda, amplitude complexa e direcção; e a velocidade no fundo.
Uma vez que o STWAVE propaga um espectro de agitação marítima e o REF/DIF1 uma onda regular, os valores considerados na fronteira do segundo modelo foram os de uma onda monocromática cuja altura, período e direcção são, respectivamente, a altura de onda significativa, o período de pico e a direcção média do espectro obtido nos correspondentes pontos do STWAVE.
Os resultados obtidos permitiram concluir que os problemas de inoperacionalidade do Posto “A” não resultam da agitação residual de curto período que, por difracção, penetra na zona abrigada pelo quebramar Norte, CEHIDRO-IST, 2004. Em todos os cenários simulados, as alturas de onda na zona do Posto “A” são suficientemente pequenas para não poderem provocar a instabilização de um navio aí amarrado. Levando em linha de conta os resultados das simulações efectuadas para as condições mais gravosas segundo os pilotos (rumo Oeste, ondas de elevado período e altura), às quais está também associada uma baixa probabilidade de ocorrência, concluiu-se que no Posto “A”, mais particularmente junto ao local onde se posiciona habitualmente a proa do navio depois de amarrado, as ondas apresentam uma altura seguramente inferior a 1.0 m. Apenas quando são consideradas ondas com um período de 18 s, uma altura de 10.0 m e um rumo W-20º-S (mais rodadas a Sul), se verifica a ocorrência de ondas com uma altura ligeiramente superior a 1.0 m na vizinhança do Posto “A”. Deste modo, e tendo apenas por base os resultados das simulações da propagação da agitação marítima de curto período para o interior do porto, não existe necessidade de prolongar o actual quebramar Norte de Leixões, CEHIDRO-IST, 2004.
As simulações numéricas realizadas mostraram também níveis de agitação na zona do Posto “A” muito semelhantes para os três níveis de maré considerados no estudo. Com base nestes resultados concluiu-se que o “comportamento” de um navio amarrado no Posto “A” deveria ser insensível à variação do nível de maré durante um temporal marítimo. Esta conclusão, que se sustentou apenas em resultados de simulações da propagação da agitação marítima de curto período, contrasta com os relatos dos pilotos da Barra de Leixões e dos responsáveis pela exploração do terminal. Estes, em reunião de trabalho, afirmaram, como já foi referido anteriormente, que as situações mais críticas ocorriam, predominantemente, para os níveis de água mais elevados, próximos ou coincidentes com a