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HIDRÁULICA FLUVIAL - Autenticação · PDF file4 Hidráulica Geral vs Hidráulica Fluvial • No actual contexto, a Hidráulica Fluvialé uma matéria de especia-lização que entronca

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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.

• ..…..