Hidráulica Aplicada – Segunda Parte
Vertedores
Principal finalidade: deixar passar o excesso de água acumulada
em um reservatório. Eles não permitem que as cotas fixadas em normas
de segurança para barragens sejam ultrapassadas. Podem ser utilizados
para medições de vazão.
Um vertedor não eficaz pode conduzir o galgamento e,
eventualmente, colapso de uma barragem. Além disso, níveis exagerados
de água podem vir a causar alagamentos a montante e mesmo, no caso de
passagem de vazões maiores, prejuízos à jusante.
Vertedores devem ser projetados de modo a possibilitar
capacidade suficiente, sem que as cotas permitidas sejam excedidas e
sem por em risco a estrutura própria e as demais que os integram.
Em
barragens
de
acumulação
(ou
em
hidrelétricos), as grandes vazões passam pelas
vertedores são utilizados para pequenas descargas.
aproveitamentos
turbinas e os
Já em barragens de derivação, se a vazão de desvio é pequena
comparada ao fluxo total, os vertedores operam continuamente. As
vazões de projeto são um ponto crítico a ser determinado1. Os
vertedores geram escoamentos em altas velocidades e devem ser
acompanhados por estruturas de dissipação de energia.
Eles podem ser de diferentes tipos:
a) Construídos no corpo das barragens de concreto: conduzem à
vazão em queda livre ou em perfis apropriados;
b) Posicionados em uma das margens do reservatório;
c) Posicionados no lago, internamente (conduzem água de uma
cota superior a outra inferior, no formato tulipa ou
vórtice, por exemplo).
Além disso, podem ser classificados quanto à forma (simples ou
compostos), pela espessura da soleira (delgada ou espessa), pela
presença ou não de contrações laterais, pela altura relativa (livre,
quando a cota à montante é maior que a de jusante, e afogado, quando o
oposto) etc.
Para vertedores delgados:
1
Especialmente em barragens de terra e enrocamento.
Os vertedores podem ser de serviço
freqüentes – e de emergência – para grandes
grandes vazões pelo vertedor de serviço só
barragem for resistente (e suportar a onda de
– para vazões pequenas
descargas. A descarga de
pode ser efetuada se a
cheia).
Podem ser usados diques fusíveis, que só funcionam para vazões
de período de retorno grande (> 100 anos); estes, localizados no
extremo montante, se rompem, retendo boa parte da onda de cheia,
evitando contato direto da cheia com a barragem principal.
Os fatores que influem na seleção do tipo de vertedor podem ser
divididos em dois grandes grupos:
- Funcionais:






Capacidade de acomodação da vazão de projeto;
Compatibilidade com o tipo de barragem;
Satisfação das exigências do projeto;
Adequação às condições topográficas e geológicas;
Adoção de elementos econômicos;
Consideração da quantidade e duração dos eventos.
- Segurança:





Grande segurança na operação;
Estruturalmente seguro para um grande intervalo de descargas;
Estruturas de saída que não alterem as condições da barragem;
Risco à jusante avaliado corretamente;
Segurança e precisão nas estimativas de vazões.
Para a escolha do vertedor, devem ser determinadas:
1.
2.
3.
4.
5.
Vazão de saída e sobrecarga no reservatório;
Alternativas de projetos;
Combinações de componentes da estrutura;
Estudos econômicos;
Escolha do vertedor propriamente dita.
VERTEDOR TIPO EXTRAVASOR
É o mais comum de todos e tem aplicação em grandes intervalos
de vazões. Sua crista é projetada para acompanhar o perfil da lâmina
vertente e, portanto, gerar pressões próximas a da atmosférica para as
vazões de projeto (soleira normal).
As vazões menores produzirão pressões superiores à atmosférica
e as maiores podem provocar pressões subatmosféricas e gerar o risco
de aparecimento de cavitação.
GEOMETRIA
Sua forma é resultado da equação do perfil inferior de lâmina
vertente escoando por um vertedor retangular ideal. O método do WES é
o mais comum para o projeto.
Se a origem é a crista – ponto mais alto
expressão geral para o perfil a jusante da mesma é:
𝑌=
da
soleira,
a
𝑋𝑛
𝑘∙𝐻0 𝑛 −1
As constantes n e k dependem da inclinação do paramento de
montante, e H0 é a carga para dimensionamento, incluindo a porção
cinética.
A concordância entre a crista e o paramento de montante é feita
por arcos de circunferência (para inclinações vertical, 1:3 e 2:3) e
por curva de raio variável (inclinação 3:3)
CAPACIDADE
Se um dado vertedor não possui comportas, a descarga pode ser
obtida pela expressão abaixo:
𝑄 = 𝐶 𝐿 2𝑔 𝐻3/2
Q é a vazão total, C é o coef. de descarga, L é o
comprimento efetivo da crista (perpendicular ao escoamento) e H é a
carga de funcionamento – incluindo a cinética.
O coeficiente de descarga varia com a inclinação do paramento
de montante e a relação entre as cargas de funcionamento e a de
dimensionamento. Além disso, se a carga é diferente da de projeto, o
coeficiente deve ser corrigido. Para ambos os casos, existem ábacos
para tal.
EFEITO DOS PILARES
A largura efetiva da crista (L) é obtida pela largura L’,
levando-se em conta o efeito dos muros de aproximação (Ka) e a forma
dos pilares (Kp). Os pilares utilizados como suporte das comportas
reduzem a largura efetiva e causam contrações no escoamento.
Portanto, para L, deve ser utilizada a formulação:
𝐿 = 𝐿′ − 2 2𝐾𝑝 𝑛 + 𝐾𝑎 𝐻0
L’ é o vão real entre os pilares, n é o número de pilares, Kp é
o coeficiente de contração do pilar e Ka é o coeficiente de contração
da encosta (0,10 para muro de cabeça arredondada)
COMPORTAS
Os vertedores deste tipo apresentam, geralmente, comportas do
tipo segmento. A vazão nestes casos, é calculada pela fórmula a
seguir:
𝑄 = 2/3 𝐶 𝐿 2𝑔 𝐻1 3/2 − 𝐻2 3/2
NÍVEIS D’ÁGUA
Analisando-se a soleira com paramento de montante vertical,
existem vários tipos de escoamento a jusante de um vertedor, por
exemplo:
- Tipo I: A diminuição do coeficiente de vazão é causada pela
posição do leito a jusante;
- Tipo II: Pode-se formar o ressalto hidráulico, com escoamento
rápido a montante e lento a jusante;
- Tipo III: O ressalto assume características de ondulado;
- Tipo IV: O escoamento passa a ser considerado afogado.
PERFIL DA LÂMINA D’ÁGUA
Utilizado para dimensionar os muros laterais do vertedor e
analisar o risco de cavitação, para cargas muito maiores (50% a mais)
que a do projeto.
Devem ser considerados cuidados no projeto, de modo a manter o
paramento liso e garantir a geometria de modo a evitar o descolamento
do perfil da lâmina d’água.
VERTEDOR EM LABIRINTO
Este vertedor apresenta uma soleira com
quebrada, repetindo ciclos e módulos poligonais.
crista
em
linha
Sua parte superior pode ser um perfil do tipo WES ou circular.
A espessura é pequena (cerca de 0,5 m) e as alturas raramente
ultrapassam os 5 m (devem ser reduzidas de modo a manter a obra
econômica).
A largura disponível para o vertedor pode ser pequena, daí a
vantagem do sistema em labirinto, que permite vazões maiores que os
demais tipos de vertedores. Este tipo de soleira não permite
instalação de comportas.
DIMENSIONAMENTO
As soleiras podem apresentar forma retangular, mas a mais usual
é
a
trapezoidal
simétrica.
É
definida
pela
relação
l/w
(desenvolvimento total / largura), pelo ângulo formato pelas paredes
laterais e a direção do escoamento e pelo número inteiro de módulos.
O comprimento de um módulo é l = 4a + 2b.
A performance de um vertedor tipo labirinto, q* pode ser
determinada pela relação entre a vazão descarregada pelo vertedor
labirinto e por uma soleira retilínea. É tanto mais elevado quanto
maior for o valor de l/w (máximo = 8,0).
A relação entre a carga e a altura do vertedor , h/p, deve ser
entre 0,2 e 0,6. O valor máximo da performance seria obtida com um
vertedor triangular.
A relação largura do módulo / altura do vertedor deve ser maior
que 2,0 (2,5 para triangulares).
Cálculo passo a passo:






Determinar a altura p e definir a geometria da soleira;
Definir a carga máxima h e vazão máxima QL;
Com p e h conhecidos, determinar o valor máximo de vazão
que seria descarregada em um vertedor retilíneo Q;
Calcular as relações q* = QL/Q para h/p;
Com h/p e q*, usando ábacos, determinar a relação l/w;
Com o valor de w, lembrando que a largura do local vale B
= nW
VERTEDOR TIPO SIFÃO
Utilizado quando as vazões são baixas, o espaço é reduzido e
quando se quer manter o nível do reservatório praticamente constante.
É um tubo fechado com forma de U invertido constituído de cinco
partes:
1)
2)
3)
4)
5)
Entrada;
Ramal superior;
Garganta ou seção de controle;
Ramal inferior;
Saída.
A crista coincide com o nível de água normal do reservatório.
Se o nível d’água sobe, inicia-se o escoamento.
O escoamento inicia-se como no vertedor extravasor, mas à
medida que o nível do reservatório aumenta, a entrada fica sem
comunicação com o exterior e as pressões originadas são inferiores à
atmosférica. O sifão escorvado (seção plena) indica apenas a presença
de água no mesmo e é neste momento que o mesmo atua de maneira
forçada. O sifão pode apresentar um conduto de aeração.
Para o momento inicial, a carga acima da crista proporcional à
H3/2. Para o momento em que o sifão funciona a seção plena, vale a
expressão:
𝑄 = 𝐶𝐴 2𝑔 ℎ
Onde A é a seção de controle, C é o coeficiente de descarga
(entre 0,55 e 0,80), h é a carga de operação (h = z + H – z é a
distância da crista ao nível de jusante e H é a carga acima da crista
– montante).
Os dispositivos de admissão do ar interrompem o efeito do sifão
e são localizados a nível normal. A entrada pode ser colocada bem
abaixo do nível normal.
Este vertedor apresenta operação automática, mas requer
cuidados quanto à cavitação e deve ser feita a limpeza periódica do
conduto de aeração.
VERTEDOR DO TIPO TULIPA
É aquele onde a água é encaminhada a um poço vertical ou
inclinado ligado a um túnel de descarga, que apresenta uma estrutura
de dissipação de energia, amortecendo o impacto.
ELEMENTOS
Soleira de emboque, poço, curva de ligação entre poço e túnel,
túnel de descarga e estrutura de saída. A relação entre o comprimento
da galeria e o desnível depende de condições topográficas e varia de,
no Brasil, entre 2,6 e 8,7. O comprimento pode atingir os 1,3km.
CARACTERÍSTICAS
O escoamento apresenta condições distintas, dependendo da seção
de controle adotada.
Cargas pequenas
Controle na crista
Q = f(H3/2)
Semelhante ao vertedor
extravasor
H é a carga acima da
crista.
Cargas ligeiramente
maiores
Grande variação na
vazão.
A seção transversal
fica completamente
preenchida com água.
Varia até que a crista
submirja e o poço
vertical opere a seção
parcial.
Controle na garganta
O poço passa a escoar
a seção plena.
Q = f(H1/2)
Semelhante a um
orifício.
H é a carga acima da
garganta.
Semelhante ao caso
anterior
Ainda maiores
Controle na porção
inferior do poço
Máximas
Neste caso, o controle
passa à curva até
atingir a saída do
túnel.
Valem as leis dos
escoamentos forçados
H é a carga acima da
parte inferior do poço
Q = f(Ht-Hl)1/2
Ht é a carga total
acima do túnel.
Hl é a perda de Carga
total.
Hv = Ht-Hl
Os projetos devem garantir que o extravasor funcione livre com
pequenas cargas e afogado para as demais.
CONDICIONANTES
Se não há espaço para construção de outros tipos de vertedores,
ele pode ser uma boa solução. Em vales estreitos formados por
barragens de terra ou enrocamento, ou se uma barragem de concreto não
apresentar comprimento suficiente de crista e mesmo em barragens em
arco, onde não é conveniente a operação de vertedores na barragem.
Outras vantagens são suas pequenas dimensões e o pouco volume
de concreto empregado na sua construção.
PROBLEMAS
Dissipação da energia cinética, otimização da curva de ligação
e arrastamento de ar.
OUTROS TIPOS
Outros tipos de vertedores são os em escada (boa dissipação de
energia), em galeria, caixas de nível ou monges (usados em açudes –
juntamente com desarenadores)
Canal lateral: soleira de controle
descarga, usado em encostas íngremes.
paralela
ao
canal
de
Tipo mexicano: presença de um canal de acesso para garantir
distribuição uniforme de descarga.
Além disso, podem ser utilizados vertedores com soleira de 3
faces e o tipo Y.
REABILITAÇÃO DE VERTEDORES
A causa mais freqüente de deterioração de barragens é o excesso
de vazão. Geralmente as causas mais prováveis para tal é a deficiente
avaliação em tempo de projeto, alteração de condições, mudanças de
regime hidrológico, dimensionamento insatisfatório, operação errada
das comportas e erros no cálculo de estruturas de dissipação de
energia.
Podem ser reabilitados vertedores abaixando-se a cota da crista
e aumentando-se o desenvolvimento da mesma (suportando maior vazão),
construindo-se descarregadores adicionais etc.
DISSIPAÇÃO DE ENERGIA
A água que retorna ao leito de um rio, a jusante de uma
barragem, por exemplo, apresenta grandes quantidades de energia
cinética, que devem ser reduzidas antes de retornarem ao curso d’água
original, sob pena de ocasionar excessiva erosão à jusante das
estruturas – comprometendo a estabilidade da própria barragem.
A energia pode ser transformada em turbulência e calor –
ocasionado pelo atrito, e o escoamento deve apresentar características
o mais próximo das naturais quanto possível.
Existem inúmeras formas de se dissipar energia, e estas são
escolhidas, levando-se em conta basicamente a eficiência hidráulica e
o custo (o material do leito do rio poderá implicar em uma maior ou
menor dissipação de energia, sendo ele resistente ou não).
As estruturas podem ser divididas em grupos:
- Estruturas que dissipam em seu interior grande parte da
energia: usadas quando não há pouca resistência do leito do rio à ação
do escoamento;
- Estruturas que dissipam parte da energia em seu interior:
neste caso, parte da energia será dissipada pelo leito do rio,
principalmente aonde o jato incide.
São basicamente três estruturas de dissipação de energia:
Estruturas
convencionais;
de
dissipação
por
ressalto
hidráulico
–
- Estruturas de dissipação em concha – “roller bucket”;
- Estruturas de lançamento de jato ao ar livre – salto esqui.
O perfil de vertedor em degraus pode ser utilizado como forma
de dissipação de energia e sua eficiência restringe-se a vazões não
elevadas.
A topografia, a geologia, o tipo da barragem, o arranjo geral
das
obras,
os
parâmetros
hidráulicos,
comparações
econômicas,
freqüências de operação e riscos associados são alguns dos fatores
levados em conta na construção de bacias de dissipação.
RESSALTO HIDRÁULICO
O ressalto é o resultado da passagem brusca de uma corrente
torrencial para o regime fluvial (escoamento supercrítico para o
subcrítico). Esta passagem é acompanhada de grande turbulência e
formação de vórtices e grande parte da energia hidráulica inicial é
dissipada.
Ele pode ser formado na base de vertedores, nos escoamentos sob
comportas de fundo, nas junções de canais, em mudanças de declividade
e em canais longos a baixa declividade.
O ressalto hidráulico pode ser classificado de acordo com o
número de Froude do escoamento na seção inicial:




Fr
Fr
Fr
Fr
=
=
=
=
1,0
1,0
1,7
2,5
-> escoamento é crítico;
a 1,7 -> ressalto ondular;
a 2,5 -> pré-ressalto (não dissipa muito);
a 4,5 -> transição;


Fr = 4,5 a 9,0 -> ressalto estável (melhor dissipação);
Fr > 9,0 -> ressalto forte, pode ser necessário o uso de
dissipadores do tipo concha.
EQUACIONAMENTO
Alturas conjugadas: Y1’ e Y2’
𝑌2 ′ 1
=
𝑌1 ′ 2
1 + 8𝐹𝑟1 2 − 1
𝐹𝑟1 =
𝑉1 =
𝑉1
𝑔𝑌1 ′
2𝑔 𝑍 −
𝐻
2
Z é a altura de queda e H é a carga no vertedor.
Perda de carga: (canal retangular de largura unitária)
∆𝐻 =
𝑌2′ − 𝑌1′ 3
4 𝑌2′ 𝑌1′
Altura do ressalto: 𝑌𝑟 = 𝑌2 ′ − 𝑌1 ′
O comprimento do ressalto é definido por relações empíricas,
sendo que a mais usada é o sêxtuplo do valor de Y2.
A eficiência do ressalto é a variação entre a perda de carga e
a energia inicial.
RELAÇÕES ENTRE ALTURA CONJUGADA (y2’) E PROFUNDIDADE DE JUSANTE
(y2)
Classe 1
Representa a condição ideal, com a curva chave da jusante igual
à da curva da altura conjugada, para todas condições de vazão.
Basta projetar um radier horizontal (bacia) sobre o qual se
formará o ressalto hidráulico. O movimento formado é contido na bacia.
Pode ser necessária a construção de uma rampa inclinada que
garantirá a formação do ressalto nestas condições.
Qualquer diferença entre o valor assumido e o real fará com que
o mesmo se desloque, portanto o mesmo deve ser controlado.
Classe 2
A profundidade de jusante é sempre menor que a necessária para
a formação do ressalto. A erosão do leito a jusante irá acontecer, até
que seja proporcionada a profundidade suficiente para que o fenômeno
ocorra.
O fundo da bacia pode ser abaixado, aumentando a profundidade a
jusante. Ou, pode-se dirigir o jato para longe com estruturas tipo
concha (o leito deverá ser constituído de material resistente).
Ainda pode ser possível a construção de uma barragem secundaria
baixa à jusante, proporcionando reservatório com nível suficiente para
a formação de um ressalto (fundações de terra).
Classe 3
As alturas conjugadas sempre são inferiores à curva-chave. É um
caso bastante raro e acontece quando as fundações estão em
profundidade considerável – maior que a necessária para a formação do
ressalto.
Neste caso, há um deslocamento do ressalto para montante e pode
ser afogado pelo escoamento. É um projeto seguro, porém não eficiente
quanto à dissipação de energia.
Pode ser construída uma soleira inclinada,
formação de um ressalto – acima do nível do leito.
auxiliando
a
Se a curva não estiver muito abaixo, uma soleira em concha
também é indicada. Em obras pequenas, pode-se escavar canais à
jusante.
Classe 4
Ocorre quando a altura conjugada está acima da curva chave para
baixas vazões e abaixo para altas vazões.
As soluções neste caso são as soleiras inclinadas (a
extremidade mais alta deve estar acima do leito do rio), as bacias de
dissipação combinadas com soleiras (para baixas e altas vazões,
respectivamente) e pode-se represar o nível à jusante da rampa.
Classe 5
Condições inversas ao anterior.
A profundidade deve ser aumentada para permitir a formação do
ressalto em altas vazões, combinando-se soleiras inclinadas e
escavação de fundo à jusante.
SÍNTESE
Bacias de dissipação servem para ressaltos ordinários (Fr < 9)
Saltos em esqui servem para grandes ressaltos e devem ser
obtidos escavando-se até atingir grande resistência. Em Tucuruí, foram
necessários 40 m para encontrar rocha sã (o impacto da água baixou
mais 30 m).
Dissipadores em degrau servem para pequenas vazões, cerca de
12m³/s por unidade de largura.
Em uma transição A, entre um canal de forte declividade, a um
canal de fraca declividade, há a formação de ressalto.
Se o ressalto se posicionar no ponto A, é considerado ideal
(altura conjugada jusante igual ao nível d’água jusante).
Se ele se posicionar a jusante de A (altura conjugada maior),
pode se rebaixar à bacia de um valor Tw (Tail Water) para que o
ressalto se forme em A – aumentando o nível d’água disponível.
Se, por outro lado, o ressalto se formar a montante de A (com a
altura conjugada menor), é considerado razoável.
DISSIPADORES DE ENERGIA
Bacias horizontais com formação de ressalto:
São
maneira:
as
mais
utilizadas
e
podem
ser
calculadas
da
seguinte
a) Cálculo de velocidade no pé do vertedor e eventuais
correções.
b) Cálculo de Y1 e Fr1.
c) Pelo Fr1, seleciona-se o tipo de bacia.
d) Cálculo de Y2 – seção retangular.
e) Cálculo do comprimento da bacia pelos gráficos ou fórmula
empírica.
f) Pela curva-chave, determina-se NA pela vazão de projeto;
g) Compara-se este NA com a altura conjugada do ressalto e
aplica-se uma das soluções;
h) Dimensionam-se elementos acessórios
i) Repete-se o roteiro para vazões inferiores.
Dissipador em concha – Roller Bucket:
Estrutura mais compacta em relação à anterior.
conhecidos q e desnível montante-jusante
Assumindo-se
a) Calculam-se as velocidades teórica e real
b) Calcula-se o número de Froude
c) Calcula-se Y1 + V1²/2g (E1) e com Fr1, entra-se nos ábacos
de dimensionamento, obtendo-se o valor do raio mínimo R.
d) Do mesmo ábaco: nível de lançamento, níveis mínimo e máximo
de operação.
e) Definir o valor final do raio e a cota de fundo da bacia.
Dissipadores de jato lançado e lançados em queda livre:
Estruturam bastante versáteis, podendo ser utilizadas em
diversos valores de vazões e quedas. Os últimos não são muito comuns
no Brasil, por limitações topográficas e geográficas.
Dissipador de energia tipo salto de esqui:
Nestes dissipadores, a energia cinética é aproveitada para o
lançamento do jato. A energia é dissipada na trajetória do jato e no
ar, atenuando o poder erosivo.
Bacia com blocos para canais:
Os blocos têm a função de dissipar energia durante a queda,
reduzindo a velocidade terminal, dependendo da altura da queda.
A declividade da superfície de
relação 2H:1V, e é colocado enrocamento.
queda
geralmente
obedece
a
A fase de montante da primeira fileira deverá estar localizada
0,30 m abaixo do ponto mais alto da queda.
A altura dos muros laterais deve ser de 3 a 4 vezes a altura H
dos blocos. Recomendam-se blocos mais estreitos contra a parede (1/3 a
2/3 da largura) e alternar-se com espaços de mesma largura.
3
A altura H recomendada é de 80% da altura crítica ( 𝑞 2 /𝑔) a
largura dos blocos deve ser igual ao espaçamento dos blocos e a
distancia das fileiras deve ser igual a 2H.
A velocidade
velocidade crítica.
neste
caso,
deverá
ser
inferior
à
metade
da
TURBINAS HIDRÁULICAS
Estruturas de alta eficiência (cerca de 97%), onde as perdas
localizam-se principalmente no conduto forçado – e são reduzidas
utilizando-se velocidades menores para estes.
As turbinas podem ser de vários tipos:
Pelton – utilizadas em grandes quedas e baixas vazões – Ex.:
Henry Borden.
Francis – são utilizadas corriqueiramente no Brasil, indicadas
em quedas e vazões médias. Ex.: Itaipu (720MW cada)
Kaplan – utilizadas para grandes vazões e baixas quedas. São de
formas diferentes das convencionais.
DESVIO DE RIOS
Conjunto de estruturas destinadas ao manejo do rio durante o
período construtivo do aproveitamento. Ensejam o ensecamento e
proteção contra enchentes do local onde serão construídas as obras.
Deve-se escolher o esquema de desvio e dimensionar/detalhar as
estruturas escolhidas.
A melhor solução sempre depende de um estudo técnico-econômico
que deve levar em conta problemas, cronogramas, e, principalmente,
logística de pessoal e mercadorias.
As obras de desvio podem ter finalidade simples, quando apenas
atendem ao propósito de manejo do rio ou múltipla, quando atende
propósitos complementares.
O custo deve situar-se em torno de 5% (e no máximo 10%) do
valor da obra principal. Deve-se, portanto, definir período de retorno
para dimensionamento, largura do canal e utilização de galerias ou
vãos.
Início
Definições
Projeto
Fim da escolha do esquema geral e início
do dimensionamento
Período de retorno
Largura do canal x altura ensecadeira
Definição entre galerias de desvio e vãos
Estudos de hidrologia
Projeto Hidráulico
Projeto Geotécnico
Projeto Estrutural
Projeto Mecânico
Projeto Elétrico
Quantitativos e custos
Planejamento e programação
Relatórios
Desenhos
Especificações
Instruções de Serviço
A soma das curvas de risco e custo, quando do seu ponto mínimo,
permitirá a obtenção do período de retorno a ser adotado.
É aconselhável a escolha de 3 a 4 períodos
diferentes, realizar-se os dimensionamentos e estimar-se
se houver o galgamento das obras. A probabilidade de
galgamento é determinada pela fórmula r = 1-(1-1/Tr)n,
período de retorno adotado e n o número de períodos
esperados.
de retorno
os prejuízos
acontecer o
onde Tr é o
de enchentes
Esquemas de desvio:
POR TÚNEL:
1 – Implantação da galeria de concreto colocada sob um berço
concretado ou de material compactado. Execução da tomada d’água e
início da implantação do vertedouro.
2 – Construção de duas ensecadeiras transversais ao fluxo –
materiais escavados na etapa 1, desviando o fluxo do rio pela galeria
de desvio.
3 – Com o leito ensecado, executa-se a barragem e tampona-se a
tubulação de desvio.
POR CANAL:
Este é o caso de Itaipu:
O rio Paraná foi desviado por meio de um canal lateral aberto
na margem esquerda (2km de comprimento, 150m de largura e 90m de
profundidade). Foram retirados 22,5 mi de m³ de rocha e terra.
(Descarga máxima: 35.000 m³)
1 – Construção do canal e estruturas de desvio. Ensecadeiras em
arco, septos de rocha e barragem de enrocamento.
2 – Removidos os septos de rocha e ensecadeiras, fechadas as
ensecadeiras principais, constroem-se a barragem e a casa de força.
3 – Conclusão da barragem e do vertedouro, fechamento do canal
de desvio, continuação da construção da casa de força e enchimento do
reservatório até a cota da soleira.
BUEIROS
São tubulações curtas que destinam drenar água de canais por
meio do aterro de uma rodovia ou outro tipo de obstrução.
A escolha do tipo de bueiro vai depender do perfil da rodovia,
características do canal, estimativa das vazões máximas, custos de
construção e manutenção e da estimativa da vida útil.
As vazões podem ser avaliadas pela máxima altura de água à
montante e à jusante do mesmo.
GEOMETRIA
A seção de um bueiro geralmente é circular, retangular, em arco
ou outros tipos. O perfil da rodovia e a seção do aterro permitem
definir características de um bueiro.
Definida a localização, obtêm-se as cotas de entrada e de saída
e o comprimento total do mesmo (valores aproximados).
A estrutura da entrada pode ser pré-moldada ou construída no
local. A estabilidade estrutural, controle de erosão, estética são
fatores que devem ser levados em conta. A seção de entrada permite a
melhora na capacidade do bueiro – entradas que permitam transições
suaves e perdas de energia menores são sem dúvida as mais eficientes.
O material a ser escolhido depende da resistência estrutural,
da rugosidade hidráulica, da durabilidade e da resistência à corrosão.
TIPOS DE CONTROLE
Bueiros são estruturas de controle, pois eles de certa forma
limitam o escoamento que seria ultrapassado dadas as condições de
montante e jusante. O tipo de escoamento irá determinar a localização
da superfície de controle.
Em um escoamento supercrítico, a seção de controle está na
entrada. Em um escoamento subcrítico, a seção de controle está na
saída.
Controle na entrada:
A seção interna possui condição de transportar mais vazão que a
entrada. Neste local, o escoamento é crítico e, a jusante,
supercrítico. A seção a jusante pode ser reduzida sem reduzir a vazão,
ou pode-se elevar a descarga melhorando-se a seção de entrada. (A
altura d’água à montante e a forma da entrada afeta a vazão)
Controle na saída:
A seção interna não tem condição de transportar toda a vazão
que passa pela entrada. O escoamento será subcrítico ou sob pressão,
dependendo das alturas d’água à montante e à jusante. Características
hidráulicas e geométricas irão influir na vazão.
Análise econômica:
Bueiros de grande capacidade que permitem acomodar todos os
eventos
possíveis
são
normalmente
desconsiderados.
Devem
ser
considerados períodos de retorno para realizar o dimensionamento.
A descarga total de um bueiro, para o caso de enchente é a
vazão Q0 acima do aterro e Qp, no bueiro, propriamente dita.
A
vazão de projeto depende da importância da rodovia e do
período de retorno selecionado, podendo-se encontrar um ponto ótimo
nas curvas de custo e risco para realizar o dimensionamento.
ESCOAMENTO
O escoamento em um bueiro decorre de inúmeras variáveis:
geometria, dimensões, rugosidade, condições de entrada e saída,
declividade etc.
Declividade neutra é a declividade da linha de energia
correspondente ao escoamento da vazão máxima de projeto. Se a
declividade do assentamento for maior que ela, o bueiro será
considerado um conduto livre. Caso contrário, o bueiro será
considerado conduto forçado.
Entradas não afogadas são as que cuja relação (h1-z)/D (h1 é o
nível d’água de aproximação e z, a cota inferior da entrada) ou H/D (D
é a dimensão vertical do bueiro) se encontrar entre 1,2 e 1,5.
Considerar a entrada afogada quando a relação for >= 1,5.
Há seis tipos de escoamento:
1) Se nível à jusante / D > 1,0. Só é possível o tipo 1;
2) Se for igual ou menor a 1,0 e (h1-z)/D >= 1,5, só serão
possíveis o tipo 2 e 3.
3) Se for igual ou menor a 1,0 e (h1-z)/D < 1,5, só serão
possíveis os tipos 4,5 e 6.
A formulação dos bueiros segue os critérios das fórmulas para
perdas de carga, bem como demais fórmulas utilizadas em condutos
livres e forçados da hidráulica básica.
Vazão ecológica (remanescente ou mínima)
Uma das primeiras definições diz que ela deve ser uma vazão
remanescente suficiente para manter a integridade do ecossistema.
Outras definições:
É a demanda necessária de água a manter num rio de forma a
assegurar a manutenção e conservação dos ecossistemas aquáticos
naturais, aspectos da paisagem e outros de interesse científico ou
cultural (J. M. Bernardo 1996)
Vazão que se deve garantir a jusante de uma estrutura de
armazenagem (barragem) ou captação (tomada de água), para que se
mantenham
as
condições
ecológicas
naturais
de
um
rio
(www.ecolnews.com.br/agua/glossario_agua.htm)
É a vazão necessária a manter num corpo d’água de forma a
assegurar a manutenção e a conservação dos ecossistemas aquáticos
naturais, dos aspectos da paisagem, e outros de interesse científico
ou cultural (Alves, 1993; Bernardo, 1996; Bettencourt, 1996).
Esta
vazão
foi
determinada
com
métodos
estatísticos,
hidráulicos, ecológicos, holísticos e até mesmo por negociação direta.
Os problemas mais comuns para esta primeira abordagem diz
respeito ao excessivo foco nas vazões mínimas, não levando em
consideração a variabilidade, as grandes vazões e nem a época de
ocorrência.
Vazões mínimas:







São suficientemente baixas para concentrar presas em
áreas limitadas, e assim, favorecer os predadores durante
um período limitado do tempo;
São suficientemente baixas para eliminar, ou reduzir a
densidade de espécies invasoras;
São suficientemente altas para manter o habitat das
espécies nativas;
São suficientemente altas para manter a qualidade da
água, especialmente a temperatura e a concentração de
oxigênio dissolvido;
São suficientemente altas para manter o nível do lençol
freático na planície;
São suficientemente baixas para expor bancos de areia e
praias que são utilizados para reprodução de répteis ou
aves;
São suficientemente baixas para secar áreas de inundação
temporária.
Vazões altas:



Determinam o tipo de sedimento do fundo do rio;
Evitam a invasão do leito do rio por plantas terrestres;
Renovam a água armazenada em lagos marginais, braços
mortos do rio e em regiões de estuários.
Cheias:







Modificam a calha do rio, criando curvas, bancos de
areia, ilhas, praias, áreas de maior ou menor velocidade
de água, e diversidade de ambientes;
Inundam as planícies, depositando sedimentos e nutrientes
necessários para a vegetação terrestre;
Inundam e criam lagoas marginais na planície, criando
oportunidades de reprodução e alimentação para peixes e
aves;
Indicam o início do período de migração ou de reprodução
para algumas espécies de peixes;
Eliminam ou reduzem o número de espécies invasoras ou
exóticas;
Controlam a abundância de plantas nas margens e na
planície;
Espalham sementes de plantas pela planície.
As barragens garantem a presença de vazões mínimas, mas ao
mesmo tempo, reduzem os períodos de cheia e praticamente anulam o
efeito das estiagens.
No rio São Francisco, por exemplo, ocorreu uma certa constância
nas vazões à partir da construção de Sobradinho, no entanto, inúmeros
problemas ambientais foram relatados, dentre os quais:
Problemas de estabilidade das praias, diminuição na produção de
plâncton (faltas de sedimentos), redução na produção de peixes (falta
de cheias e de conexões com lagos marginais) e possível redução nas
espécies.
A água deve ser manejada sustentavelmente, pensando-se nas
necessidades de vazão do ecossistema como um todo, determinando-se as
influências humanas, monitorando-se o sistema e implementando-se
manejos adaptativos de água.
As análises deverão ser estatísticas, hidráulicas e ecológicas.
Cada uma das análises deverá anular ao máximo, incompatibilidades
relativas aos diferentes métodos.
Por exemplo, se são necessárias vazões para expor bancos de
areia e ao mesmo tempo, deve ser gerada energia elétrica na bacia,
tentemos um ponto em comum entre as duas necessidades.
Também são importantes as diferenças regionais (climáticas, por
exemplo, que afetam inclusive a regularidade dos períodos de cheia e
estiagem).
Palestra CPFL
Etapas para a viabilização de uma usina hidrelétrica
Normatizações da vazão ecológica:
Norma Nº 2, de 1984
DNAEE – Departamento Nacional de Águas e Energia Elétrica.
Durante os estudos e a concepção do projeto básico, deve ser levado em
consideração que a vazão remanescente no curso de água na jusante da
represa não deve ser menor que 80% da vazão mínima média mensal,
caracterizada com base nos dados históricos das vazões naturais dos
últimos 10 anos. Os casos para os quais os critérios supramencionados
não se aplicam e os reservatórios em cascata serão examinados pelo
DNAEE.
Estudos de Caso
PCH Gavião Peixoto
A construção de escada de transição de peixes possibilitou uma
elevação de 6m³/s da vazão turbinável e reduziu consideravelmente a
perda que seria implicada à usina, de modo a obedecer critérios de
vazão ecológica.
UHE Monte Claro
O projeto foi elaborado considerando-se como vazão mínima 5,5
m³/s da barragem (80% da média mínima mensal). A licença de operação,
por sua vez, exigiu, uma média semanal de 18,6 m³/s.
Foram realizadas, então, avaliações ambientais e econômicas dos
efeitos da vazão reduzida. Os resultados obtidos foram similares aos
esperados pela vazão anteriormente, com exceção da geração de energia,
que se reduziu em cerca de 8%.