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 aproveitamentos

hidrelétricos), as grandes vazões passam pelas turbinas e os

vertedores são utilizados para pequenas descargas.

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 – para vazões pequenas

freqüentes – e de emergência – para grandes descargas. A descarga de

grandes vazões pelo vertedor de serviço só pode ser efetuada se a

barragem for resistente (e suportar a onda de 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. Vazão de saída e sobrecarga no reservatório;

2. Alternativas de projetos;

3. Combinações de componentes da estrutura;

4. Estudos econômicos;

5. 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 da soleira, a

expressão geral para o perfil a jusante da mesma é:

𝑌 =𝑋𝑛

𝑘∙𝐻0𝑛−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 2𝐾𝑝𝑛 + 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 𝐻13/2 − 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 crista em linha

quebrada, repetindo ciclos e módulos poligonais.

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) Entrada;

2) Ramal superior;

3) Garganta ou seção de controle;

4) Ramal inferior;

5) 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

Q = f(H1/2)

Semelhante a um

orifício.

H é a carga acima da

garganta.

Ainda maiores

O poço passa a escoar

a seção plena.

Controle na porção

inferior do poço

Semelhante ao caso

anterior

H é a carga acima da

parte inferior do poço

Máximas

Neste caso, o controle

passa à curva até

atingir a saída do

túnel.

Valem as leis dos

escoamentos forçados

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 paralela ao canal de

descarga, usado em encostas íngremes.

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 de dissipação por ressalto hidráulico –

convencionais;

- 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 = 1,0 -> escoamento é crítico;

Fr = 1,0 a 1,7 -> ressalto ondular;

Fr = 1,7 a 2,5 -> pré-ressalto (não dissipa muito);

Fr = 2,5 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′

𝑌1′=

1

2 1 + 8𝐹𝑟1

2 − 1

𝐹𝑟1 =𝑉1

𝑔𝑌1′

𝑉1 = 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, auxiliando a

formação de um ressalto – acima do nível do leito.

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 as mais utilizadas e podem ser calculadas da seguinte

maneira:

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. Assumindo-se

conhecidos q e desnível montante-jusante

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 queda geralmente obedece a

relação 2H:1V, e é colocado enrocamento.

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.

A altura H recomendada é de 80% da altura crítica ( 𝑞23/𝑔) a

largura dos blocos deve ser igual ao espaçamento dos blocos e a

distancia das fileiras deve ser igual a 2H.

A velocidade neste caso, deverá ser inferior à metade da

velocidade crítica.

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 Fim da escolha do esquema geral e início

do dimensionamento

Definições Período de retorno

Largura do canal x altura ensecadeira

Definição entre galerias de desvio e vãos

Projeto 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 de retorno

diferentes, realizar-se os dimensionamentos e estimar-se os prejuízos

se houver o galgamento das obras. A probabilidade de acontecer o

galgamento é determinada pela fórmula r = 1-(1-1/Tr)n, onde Tr é o

período de retorno adotado e n o número de períodos de enchentes

esperados.

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%.