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HIDRHIDRÁÁULICA FLUVIALULICA FLUVIAL
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IntroduIntroduççãoão
• Engenharia Civil >>> Engenharia de edifícios
• Os engenheiros civis desenvolvem actividades múltiplas:• no cálculo estrutural (estruturas);• na construção;• no urbanismo;• na gestão de obras;• na geotecnia;• nos recursos hídricos (quantificação e gestão);• na hidráulica.
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• No âmbito da hidráulica, os engenheiros civis desenvolvemactividades relacionadas com:
• Saneamento Básico (hidráulica urbana):• redes de distribuição de água;• redes de recolha de águas residuais;• sistemas de tratamento (de água e de águas residuais).
• Estruturas Hidráulicas (circuitos hidráulicos em barragens e obras afins);• Instalações Hidroeléctricas:
• estações de bombagem;• centrais hidroeléctricas.
• Hidráulica Marítima:• Estuários;• Costas e portos.
• Hidráulica Fluvial.• A área da Hidráulica está muito ligada à de Recursos Hídricos
e ao Ambiente através de actividades no âmbito de:• Hidrologia superficial e subterrânea;• Planeamento e gestão dos recursos hídricos;• Qualidade da água e controle da poluição.
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HidrHidrááulica Geral ulica Geral vsvs HidrHidrááulica Fluvialulica Fluvial• No actual contexto, a Hidráulica Fluvial é uma matéria de especia-
lização que entronca na Hidráulica Geral. • A Hidráulica Geral (Hidráulica I e Hidráulica II) é uma ciência da
engenharia civil com um importante acervo de matérias para todos os engenheiros civis. Os alunos aprendem a calcular:– impulsos em superfícies planas ou curvas (estática)
– forças em acessórios de tubagens
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– instalações hidráulicas (destaque para as redes de distribuição de água)
– forças hidrodinâmicas em corpos imersos (incluindo efeito do vento)
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– alturas de água em canais com superfície livre e leito fixo
– escoamentos em orifícios e descarregadores
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– escoamentos em meios porosos (casos simples)
– turbo máquinas hidráulicas (especificar)• turbinas• bombas
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Hidráulica Fluvial = Hidráulica dos rios.
– para alguns problemas, os rios comportam-se como se tivessem leito fixo → estudam-se como os restantes canais com superfície livre(problema de hidráulica geral para canais não prismáticos).
– em geral, tem que se considerar o fundo móvel → hidráulica de escoamentos bifásicos
• água• sedimentos (tipicamente areia; fase sólida)
– desde o início da civilização, o homem habituou-se a conviver com os rios e a tirar partido da sua existência. Exemplos:
• Civilização chinesa• Babilónia• Egipto
• Onde estão as principais cidades portuguesas ?
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Questões especQuestões especííficas da Hidrficas da Hidrááulica Fluvialulica Fluvial1. Origem dos sedimentos e sua importância para a
engenharia civil
– Os sedimentos são maioritáriamente originados nas encostas das bacias hidrográficas por acção da erosão hídrica
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– Os sedimentos desagregados são transportados para jusante pela acção do escoamento canalizado.
• Reduzem o volume útil das albufeiras; • provocam assoreamento de passagens hidráulicas das vias de
comunicação;• induzem abrasão em turbinas e bombas; • têm que ser extraídos da água de consumo; ...
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– O ciclo dos sedimentos é da maior importância no âmbito da gestão dos recursos hídricos. Quem não ouviu falar da falta de alimentação de areia às nossas praias ?
2. Início do movimento das partículas sedimentares do fundo
– Para velocidades e tensões de arrastamento inferiores a um determi-nado valor crítico, que depende essencialmente das dimensões das partículas do fundo, estas não se movem. Tudo se passa como se o fundo fosse fixo (Hidráulica Geral). Para valores superiores, tudo se passa de modo diferente.
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– O conceito de valor crítico (da velocidade ou da tensão de arrasta-mento) de início de movimento é importante para o dimensionamento de canais revestidos por enrocamento (por exemplo).
– O mesmo conceito é ainda fundamental para i) o cálculo do caudal sólido, ii) o estudo da deposição em reservatórios e albufeiras, iii) o estudo da erosão e deposição generalizadas, iv) o estudo de erosões junto de encontros e pilares de pontes, etc.
3. Configurações do fundo
– Uma vez iniciado o movimento, o escoamento de água sobre um fundo de material incoerente interactua com ele, modelando-o e dando origem a diversas configurações do fundo.
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– A natureza das interacções entre a fase líquida e a fase sólida e as dimensões das configurações do fundo dependem de: altura do escoamento; velocidade do escoamento; propriedades do fluido; características do material granular do fundo.
– Considere-se um escoamento com altura constante e velocidades crescentes, sobre um fundo inicialmente plano, e com durações que garantam o completo desenvolvimento das configurações do fundo
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– Problemas a resolver:• qual o tipo de configurações presentes no fundo para determinadas
condições do escoamento ?• quais as dimensões dessas configurações ?• qual a influência das configurações na altura do escoamento ?
4. Altura do escoamento (resistência ao escoamento; determinação de curvas de vazão)
– Nos escoamentos com fundo fixo, a relação entre a altura do escoamento e o caudal (curva de vazão) é única (em regime uniforme).
– Em fundos móveis, a relação não é única (efeito das formas de fundo)!!
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– A aumentos do caudal, nem sempre correspondem aumentos da altura do escoamento.
– Quando a concentração de sedimentos em suspensão é elevada, as propriedades do fluido são alteradas → a curva de vazão também éalterada. Este é um assunto em aberto em termos científicos.
5. Caudal sólido (volume de sedimentos por unidade de tempo)
– Do mesmo modo que é importante conhecer o caudal líquido, também pode ser importante conhecer o caudal sólido.
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– O material sólido move-se por arrastamento, no fundo, e em suspensão, no seio do escoamento.
– Quanto vale o caudal sólido em suspensão ? Quanto vale o caudal sólido por arrastamento ? Quanto vale o caudal sólido total ?
– Frente de investigação muito activa.
– Exemplo de aplicação: nova ponte do Carregado.
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6. Rios em regime
– Um rio encontra-se em equilíbrio dinâmico - ou em regime - quando, não sendo revestido e podendo estar sujeito a erosão e deposição generalizadas, esses efeitos se anulam ao fim de um ou mais ciclos anuais, mantendo-se, em média, o mesmo perfil longitudinal ao longo do tempo.
– Problema a resolver:• Conhecidos:
• o regime de caudais, Q;• o declive do vale;• o caudal sólido afluente;• a granulometria do material do fundo.
• Determinar:• a largura, B;• a altura, h;• o declive do fundo.
de um rio em equilíbrio ou em regime.• Determinar ainda a adequada forma em planta. Como se dimensiona
um meandro? → Teorias de regime; Método racional. • Problema do caudal de dimensionamento.• Actualidade do problema.
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7. Impactes das obras fluviais
• Os rios e respectivos leitos de cheia são sistemas dinâmicos que se ajustam continuamente às alterações do caudal líquido e do caudal sólido. Alteram o respectivo curso (criando novos cursos; cortando antigos cursos; migrando para jusante).
• Estas alterações são decisivas para a vida selvagem.
• No passado, a referida dinâmica foi muitas vezes ignorada quando se aplicaram, sem critério, as teorias de regime ao dimensionamento de canais “estáveis”.
• As alterações dos sistemas fluviais podem ser avaliadas em termos genéricos com base na balança de Lane.
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• A balança de Lane, traduz a seguinte proporcionalidade:QsD ∼ Qi
Qs – caudal sólido; D – diâmetro do material do fundo; Q – caudal líquido; i – de-clive do talvegue
• Se uma ou mais variáveis se alterar, o valor de outra (ou mais) tem que se alterar para se recuperar o equilíbrio. Por exemplo, se o caudal sólido diminuir mantendo-se o caudal líquido e o diâmetro do material do fundo, o declive do talvegue deve diminuir de modo a que se mantenha o equilíbrio.
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• O exemplo anterior corresponde ao que, geralmente, acontece em consequência da construção de uma barragem.
• Devido à retenção de sedimentos na albufeira, o caudal sólido a jusante passa de Qs para Qs-. Admitindo que o caudal líquido e o diâmetro do material do fundo não se alteram, o declive dotalvegue tem que passar de i para i-, resultando
• Qs−D ∼ Qi−
• É este novo equilíbrio que conduz ao fenómeno de erosão generalizada do leito dos rios a jusante de barragens:
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8. Temas especiais em Hidráulica Fluvial
• Sedimentação em albufeiras• aspectos de quantidade;• aspectos de qualidade.
• Erosões localizadas• junto de encontros e pilares de pontes;• a jusante de barragens e açudes.
• Ondas de rotura de barragens sobre fundo móvel• Ecohidráulica (frente de trabalho com largo futuro)
• esquemas fluviais ambientalmente aceitáveis;• medidas de preservação e recuperação dos ambientes ribeirinhos.• resistência ao escoamento devida à vegetação.
• ..…..