XIII SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS

RIO DE JANEIRO

ABRIL 1980

PARTICULARIDADES DO ESCOAMENTO EM BACIAS DE

DISSIPACAO COMPACTAS.

TEMA I

Gilberto Bobko

Eng9 da Companhia Paranaense de Ener

gia - COPEL e Centro de Hidraulica e

Hidrologia Prof. Parigot de Souza -

CEHPAR.

097

I. INTRODUcAO

Ao final de 1977 a ELETRONORTE - Centrais Eletricas do Norte do Bra-

sil S/A, solicitou ao Centro de Hidraulica e Hidrologia Prof. Parigot de

Souza - CEHPAR, estudos hidraulicos em modelo reduzido do vertedor da Usina

Hidreletrica de Coaracy Nunes , situada no rio Araguari, Territorio do Amapa.

0 estudo relacionava-se basicamente a dissipagao de energia a jusante do des

carregador e a definigao e otimizagao de bacias de dissipagao, tanto quanto

possivel compactas, de forma a conciliar a exigencia de desempenho seguro e

a conveniencia de baixo custo.

A interpretagao dos incidentes observados no prot6tipo, pela reprodu

gao em modelo das condigoes usuais de operagao do vertedor, norteou a con-

cepgao das diversas formas de bacias testadas. Os estudos revelaram aspec-

tos peculiares de dissipadores de energia compactos e particularidades que

se mostraram importantes para o projeto. 0 conjunto desses aspectos a aqui

abordado, constituindo o escopo deste trabalho.

Dois modelos reduzidos foram utilizados: um modelo bidimensional, es

cala 1:50, reproduzindo 2,32 vaos e 2,5 pilares do vertedor em canal retan-

gular de parede transparente, comprimento equivalente a 610.m (200 m a mon-

tante e 380 m a jusante do descarregador); um modelo tridimensional , escala

1:75, reproduzindo o vertedor completo, o reservat6rio em faixa equivalente

a 600 m de largura (210 m a esquerda e 220 m a direita do vertedor), 350 m,

em media, de extensao para montante e o leito e margem a jusante com largu-

ra igual a do reservat6rio e comprimento equivalente a 720 m.0 primeiro foi

utilizado para a detecgao da origem dos problemas registrados no prototipo e

para a otimizagao dos dissipadores cujo desempenho era, em principio, pro-

missor , o segundo se destinou a verificagoes especificamente associadas a

erosao no leito a jusante do vertedor.

II. CARACTERIZAcAO DOS PROBLEMAS OBSERVADOS NO PROTaTIPO

A epoca do inicio dos estudos, o vertedor da Usina de Coaracy Nunes,

constituido de dez vaos iguais de 12,5 m de largura, tinha a configuragao

geometrica indicada na figura 1. 0 muro de pe, imediatamente a jusante da

extremidade dos pilares, era o unico dispositivo orientador das condigoes de

devolugao do fluxo ao leito do rio.

Em visita de inspegao ao vertedor, constatou-se a ocorrencia de: a)

Erosao no leito do rio, imediatamente a jusante do muro de pe, com descalga

mento deste em algumas posigoes (ver figura 2.a); b) Ataque aface inclinada

do muro de pe, com exposigao da ferragem, como se pode observar nas fotos 2b e 2c.

099

Reproduzidas, no modelo bidimensional, diversas condigoes de opera-

gao - simetricas e assimetricas - tornaram-se claras as causas das ocorren-

cia- descritas.

A erosao nas imediagoes da estrutura a jusante resulta das condigoes

desfavoraveis do acabamento descendente do muro de pg. 0 fluxo, nao sendo

defletido para posigoes afastadas do vertedor, acompanha a rampa e se choca

com o leito nas proximidades da propria linha de contato deste com a estru-

tura. A energia do impacto corresponde, praticamente, a altura nominal de

queda (nivel da agua no reservat6rio menos nivel da agua no leito de jusan-

te) uma vez que, nao havendo formagao de ressalto a montante da area ataca-

da, como era o caso, as perdas sao pequenas. Essa energia se torna parti-

cularmente importante nos casos de operagao assimetrica do vertedor, onde

as grandes concentracoes de vazao se traduzem em alta concentragao de ener-

gia em area restrita. 0 problema de erosao esta, ainda, associado a um se-

gundo fator, que sera abordado logo adiante.

Relativamente a face inclinada do muro de pe, a origem do problema

nao a facilmente previsivel a uma simples inspegao visual (ver fotos 2b e

2c). 0 fenomeno se manifesta, como se pode observar, no prolongamento das

laterais de cada vao. Sua ocorrencia esta condicionada a operagao nao uni-

forme do vertedor, em especial, as condigoes de adjacencia de duas passa-

gens, uma delas aberta e a outra fechada. Nessas circunstancias, ha um abai

xamento brusco das presses na face inclinada do muro de pe, nas regioes em

que as fotos mostram danos. Pressoes equivalentes a ate - 8 m.c.a., observa

das no modelo, indicam a presenga de cavitagao como agente de ataque ao con

creto nessas areas.

A queda de pressoes na face do muro resulta de uma superposigao de

fluxos. Na linha de prolongamento do pilar que divide passagens aberta e fe

chada, ocorre um desnivel entre a superficie da agua ao pe do vao fechado,

praticamente estagnada, e a superficie livre do fluxo de alta velocidade

que escoa pelo vao aberto. Esse desnivel cria um escoamento transversal ao

fluxo descarregado e, pela superposigao de ambos, uma corrente helicoidal,

de eixo quase horizontal, que se desenvolve a partir da extremidade do pi-

lar, seguindo um alinhamento levemente obliquo a direcao geral do escoamen-

to. (Ver ilustracao na figura 3a). Essa corrente a de alta velocidade e se

estende por varios metros a jusante do muro de pg. A sua presenca, associa-

da a tendencia a separacao do escoamento, provocada pela divergencia brusca

de direcao que ocorre logo ao inicio da face inclinada do muro de pe, a res

ponsavel nao so pela queda de pressao que ai se observa como tambem por um

agravamento do risco de ocorrencia de erosao do leito imediatamente ajusante.

100

III. REQUISITOS BASICOS PARA UM DESEMPENHO SEGURO

Diversas bacias de dissipadoo foram testadas em modelo reduzido. Al-

gumas delas sao reproduzidas na figura 4; devem ser entendidas como revesti

mento adicional a substituir o muro de pe original a partir da extremidade

de jusante dos pilares do vertedor. Os exemplos oferecidos, embora consti-

tuindo apenas pequena parcela do conjunto de estruturas testadas, refletem

a essencia da concepgao de todas as bacias analisadas.

Os requisitos basicos para a obtengao de um desempenho seguro estao,

de certa forma, implicitos na propria caracterizadao dos problemas observa-

dos no prot6tipo, a menos dos aspectos particulares que este trabalho pro-

cura salientar.

0 primeiro elemento importante e a terminacao do dissipador em rampa

ascendente, plana ou em curva, de forma nao s6 a impedir o impacto do fluxo

nas imediacoes do pe da estrutura, mas, tambem, para defleti-lo o mais lon-

ge possivel no leito do rio e criar uma zona de separagao ajusanteda obra.

Aspecto adicional se refere a manutencao do ressalto hidriulico sobre a es-

trutura, com vistas a reducao da energia do escoamento no impacto com o lei

to.

Embora a formacao de ressalto na vizinhanca do vertedor depende sig-

nificativamente dos niveis do rio logo a jusante pode-se, dentro de certos

limites, controlar a sua posigao manipulando a forma terminal do dissipador.

9 possivel determinar, com boa precisao , em modelo , as condicoes de ocorren

cia do ressalto hidriulico para uma dada forma de dissipador. Regioes com ga

rantia de estabilidade do ressalto sobre a bacia e com garantia de sua expul

sao para fora da mesma podem ser perfeitamente caracterizadas. 0 grifico da

figura 3b ilustra o caso correspondente ao Exemplo 1 (figura 4 ), com rampa

1V:3H, que representa uma situacao de desempenho insatisfat6rio porque a

possibilidade de manutencao do ressalto sobre a estrutura fica restrita a

pequenas descargas. (A situacao ideal seria a de coincidencia da curva de

descarga de jusante com a curva "limite de estabilidade do ressalto" que,

alem de assegurar a constancia de sua posigao garantiria a dissipadao de ra

zoivel parcela de energia).

Rampas cam declividade acentuada resultam favoriveis a estabilidade

do ressalto; conduzem, contudo, ao inconveniente do escoamento instivel, com

formacao de ondas, e efeito erosivo mais pronunciado, ainda que em posigao

distante da estrutura. As rampas de menor declividade condicionam escoamen-

to mais trangUilo e ordenado, mas, em contrapartida, nao asseguram a estabi

lidade do ressalto. Pode-se, entretanto, conciliar as duas vantagens

101

manutengao de ressalto estavel e obtengao de efeitos erosivos de pequena in

tensidade - provocando um maior gran de afogamento da bacia de dissipagao.

0 processo consiste em mergulhar a extremidade de jusante do dissipador a

niveis inferiores ao do desemboque do vertedor (ver figura 4 - Exemplo 3).

Pode haver , nesse caso , necessidade de um alongamento da estrutura, relati-

vamente ao comprimento das bacias com terminagao em rampa de angulo elevado,

para evitar mudangas bruscas de diregao do escoamento e consegilente tenden-

cia a separagao . Nessas condigoes , a terminagao da bacia pode ser feita em

rampa suave , sem prejuizo a estabilidade do ressalto e com garantia de ate-

nuagao dos efeitos erosivos.

Vantagem adicional decorrente da manutengao do ressalto sobre a ba-

cia de dissipagao e do seu mergulho consiste na atenuagao dos efeitos nega-

tivos do fluxo helicoidal presente nos casos de operagao assimetrica do ver

tedor : A turbulencia do ressalto atua como freio a essa corrente e o mergu-

lho afasta a superficie do dissipador da sua linha de desenvolvimento. Ao

mesmo tempo, a velocidade do fluxo diminue a proporgao que percorre a super

ficie da bacia, tornando menores as possibilidades de quedas de pressao na

sua extremidade . 0 mergulho traz uma desvantagem nao previsivel , em princi-

pio, associada a condigoes assimetricas de operagao do vertedor , ou, mais

particularmente , aos casos de abertura alternada de vaos ( embora constituin

do uma forma no recomendavel de manobra , pode se tornar necessaria em ca-

sos extremos como , por exemplo , na ocorrencia simultanea de pane no sistema

de igamento de duas ou mais comportas); refere - se ao arrastamento de pedras

soltas para o interior da estrutura . Esse material se deposita no ponto mais

baixo da superficie do dissipador, logo no inicio da rampa ascendente, em

frente aos vaos fechados e so a removido , em geral, quando estes sao aber-

tos. 0 arrastamento ocorre por efeito das correntes de retorno que se for-

mam no espago entre os fluxos de dois vaos abertos e se manifesta de manei-

ra um pouco mais acentuada em bacias mergulhantes ( exemplo 3 - figura 4) do

que naquelas de extremidade mais alta, como a do exemplo 2. 0 risco envolvi

do nessa situagao e o de ocorrencia de abrasao de concreto a/ou de pequenas

fraturas superficiais , por impacto . Na hipotese de persistencia de operagao

irregular do vertedor por periodo muito prolongado , os danos podem se am-

pliar, tornando - se foco de novos problemas . A remogao cuidadosa de todo ma-

terial solto existence no leito do rio (desde o dissipador ate posigao segu

ramente livre de correntes de retorno ), antes do nicio de operagao do verte

dor, constitui medida preventiva recomendavel para esses casos.

A utilizagao de bacias curtas (exemplos 1 e 2 - figura 4), mais com-

pactas e, eventualmente, mais economicas, exige cuidados especiais. Menos

102

afetadas pelo problema de arrastamento de pedras para o seu interior, apre-

sentam, de outro lado, maior dificuldade para a auto-remogao desse material

e, como consegUancia de sua menor capacidade em evitar a erosao do leito,

maior volume de material pode ficar disponivel para reiniciar o processo.

As bacias curtas, mesmo na hipotese de manutengao permanente, sobre si, de

ressalto estavel, sao sujeitas a velocidade de escoamento elevadas ate a sua

extremidade, porque nao ha espago suficiente para o desenvolvimento pleno do

ressalto. Pelo mesmo motivo o fluxo helicoidal, caracteristico dos casos de

operagao assimetrica do vertedor, nao a suficientemente atenuado e se man-

tem relativamente intenso, mesmo a jusante da extremidade do dissipador. Am

bas as caracteristicas convergem a um ponto comum, a possibilidade de ocor-

rancia de quedas localizadas de pressao e, em decorrencia, o risco de ini-

cio do processo de desgaste do concreto por cavitagao.

A presenga do fluxo helicoidal nao representa maiores inconvenientes

para a superficie do corpo do dissipador ou da rampa de reflexao do escoa-

mento, mas, afeta sobremaneira a sua parte terminal. Isso exige uma atengao

especial na definigao de sua forma, de modo a garantir a ausencia de pres-

soes sub-atmosfericas, mesmo sob as mais adversas condigoes de operagao.

Uma terminagao em patamar horizontal, por exemplo, como a apresentada no ca

so 1 (figura 4), no constitui forma adequada, especialmente se a declivida

de da rampa anterior for inferior a 1:1. A dificuldade de estabelecimento

de fluxo de retorno de jusante a area do patamar aumenta com a redugao de de

clividade da rampa. Esse fluxo, quando existe, atua como elemento protetor,

impedindo que os efeitos negativos de separagao do escoamento se transmitam

integralmente a superficie solida. A ausencia desse retorno somada aos efei

tos da superposigao do fluxo helicoidal e separagao resulta em quedas de

pressao praticamente tao acentuadas como as que ocorrem na face inclinada

do muro de pe, inicialmente analisado.

0 problema pode ser contornado aumentando a divergencia entre as di-

regoes da rampa ascendente e piano seqUente, conforme indicado no exemplo 2

(figura 4). Com essa providancia assegura-se a possibilidade de acesso do

fluxo de retorno a rampa descendente e uma distribuigao de pressoes compati

vel com a seguranga desejada. 0 prolongamento da rampa descendente (linha

"B" no exemplo 2), com o intuito de dotar a extremidade da pega de maior

robustez, nao constitui medida aconselhavel porque volta a dificultar as

condigoes de retorno do fluxo ao topo da rampa. Observar, inclusive, que

neste caso a terminagao do dissipador se identifica com o muro de pe origi-

nal, a menos da posigao da face inclinada e da deflexao imposta ao escoamen

to. Resultado analogo se verifica no caso de face com a declividade da

103

da linha "A" (bissetriz do angulo formado pelas linhas "B" e vertical- exem

plo 2) e, possivelmente, para todas as declividades intermediarias as de

"A" e "B".

Satisfeitas as exigencias relativas aos cuidados especiais para evi-

tar danos devidos a cavitagao, ha a considerar, ainda, que a utilizagao de

bacias de dissipagao curtas fica restrita a pequenas quedas e a existencia

de boas condigoes de fundagao.

IV. CONSIDERAcOES FINALS

0 correto dimensionamento do dissipador constitui, obviamente, a me-

lhor garantia de limitagao dos efeitos erosivos no leito de jusante, com

pouca ou nenhuma possibilidade de regressao e descalgamento da estrutura.

Ha que se considerar, contudo - e isso nao constitui um dado novo - que a

erosao e, principalmente, um processo dependente da energia incidente sobre

o leito. Quando o vertedor a operado assimetricamente, a energia do escoa -

mento e distribuida de modo irregular, concentrando energia em determinados

vaos, a jusante dos quais se pode esperar a ocorrencia de maior grau de

erosao. Se a assimetria a levada a um grau extremo como, por exemplo, a

abertura completa de um vao isolado e, por hip6tese, reservatorio em seu ni

vel maximo, as condigoes a que fica sujeito o leito e o proprio dissipador

sao, inclusive, piores que a conseqUente da maxima descarga prevista para o

vertedor, porque a espessura do colchao de agua a jusante a significativa-

mente menor que a decorrente da enchente maxima. Este a um caso extremo, sem

duvida, mas que permite visualizar as consegiiencias de situagoes intermedia

rias, muitas vezes desnecessariamente impostas.

Relativamente as condigoes de manutengao do ressalto hidraulico so-

bre o dissipador, tambem prejudicadas nos casos de operagao nao uniforme, e

conveniente lembrar o aspecto de sua sensibilidade. Pode-se, como ja foi di

to, controlar a posigao do ressalto dentro de certos limites, pela manipula

gao da forma terminal da estrutura. Essa posigao pode ser, contudo, extrema

mente sensivel a pequenas variagoes do nivel do rio a jusante, especialmen-

te em bacias curtas com pequena deflexao do escoamento. Abaixamentos de ni-

vel da ordem de 15 a 20 cm podem acarretar a expulsao do ressalto. Este cons

titui mais um aspecto favoravel as bacias mergulhantes, menos afetadas por

flutuagoes do nivel da agua. 0 ponto mais importante , porem , e a necessida

de de conhecimento, o mais correto possivel,da curva chave de jusante.

104

RE SUMO

Este trabalho aborda aspectos peculiares associados a dissipadores

de energia compactos, utilizados em vertedores de pequena queda. As informa

goes sao decorrentes do estudos em modelo reduzido do vertedor da Usina Hi

dreletrica de Coaracy Nunes, construida no rio Araguari, Territ6rio do

Amapa.

Faz-se, inicialmente, uma analise de problemas observados no prot6ti

po e, na segllencia sac enfocados varios aspectos de importancia para a de-

finigao de bacias de dissipagao de pequeno porte , somente detectaveis em mo

delo, devido a complexidade dos escoamentos resultantes, principalmente nos

casos de operagao nao uniforme do vertedor.

Enfatiza- se, por ultimo, as consequencias de operagao assimetrica in

discriminada e os problemas de sensibilidade do ressalto hidraulico, relati

vamente a manutengao de posigao conveniente e estavel sobre o dissipador.

105

metro s0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

e s c a I a gr6fica

107.00m

96.20 m-

SEPAO

0N

29.65

1

PLANTA

Figura I - CONFIGURAcAO BASICA DO VERTEDOR

106

b

a

C

Figura 2 - DANOS AO LEITO E A FACE INCLINADA DO MURO DE PE

107

metro s0 5 10 15

e s cal a g r 6 f i co

SECAO

N.A Passa em FechadaN.A.Possagem Aberta

Fluxo de Retorno

-11111111 1 1Yo -^7r

I

PLAN TAFigura 3a -ASSIMETRIA DE OPERAcAO-FORMAcAO DE CORRENTE HELICOIDAL

110

9

100

9

T

Lim ite de esta bilidade

-7do ressalto

Regiao corn garontia deestabilidadedo ressalto sabre o dissipador

^IjlC urv o de de scarga de j usan te

InicI

io de expulI

siioI I

do ressa lto.

gelRegina corn garontia de ex p ulsoodo ressalto paro fora do dis ipodor.

Regibo coracterizada par instabilidade do ressa to

0 2 3 4 5 000 6 7 e 9 10 600 II 1 '2

VAZAO EM METROS CUBICOS POR SEGUNDO

Figura 3b - CONDIc5ES DE OCORRENCIA DO RESSALTO HIDRAULICO

108

19

E X E M P L 0 I

E X E M P L 0 2

E X E M P L 0 3

Figura 4 - FOR MAS B A S I CAS

109