Hidráulica Aplicada Segunda Parte. Vertedores

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1 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 determinado 1. 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.

2 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.

3 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 H 0 n 1 As constantes n e k dependem da inclinação do paramento de montante, e H 0 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 H 3/2 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 (K a ) e a forma dos pilares (K p ). 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 2K p n + K a H 0 L é o vão real entre os pilares, n é o número de pilares, K p é o coeficiente de contração do pilar e K a é o coeficiente de contração da encosta (0,10 para muro de cabeça arredondada) COMPORTAS

4 Os vertedores deste tipo apresentam, geralmente, comportas do tipo segmento. A vazão nestes casos, é calculada pela fórmula a seguir: NÍVEIS D ÁGUA Q = 2/3 C L 2g H 1 3/2 H 2 3/2 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.

5 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 H 3/2. 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

6 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 Cargas ligeiramente maiores Ainda maiores Máximas Controle na crista 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. Controle na porção inferior do poço Neste caso, o controle passa à curva até atingir a saída do túnel. Valem as leis dos escoamentos forçados Q = f(h 3/2 ) Semelhante ao vertedor extravasor H é a carga acima da crista. Q = f(h 1/2 ) Semelhante a um orifício. H é a carga acima da garganta. Semelhante ao caso anterior 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

7 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.

8 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;

9 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 Y 2 Y 1 = Fr Fr 1 = V 1 gy 1 V 1 = 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: Y r = Y 2 Y 1 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. (y2) RELAÇÕES ENTRE ALTURA CONJUGADA (y2 ) E PROFUNDIDADE DE JUSANTE 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.

10 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.

11 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:

12 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. 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 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.

13 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 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:

14 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: 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:

15 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)

16 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 ( 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.

17 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

18 Etapas para a viabilização de uma usina hidrelétrica

19 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.

20 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%.