INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E ARQUITECTURA

Secção de Hidráulica e Recursos Hídricos e Ambientais

ESTRUTURAS HIDRÁULICAS

TOMADAS DE ÁGUA EM ALBUFEIRAS

ANTÓNIO NASCIMENTO PINHEIRO

Novembro, 2006

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ÍNDICES

TEXTO 1. INTRODUÇÃO............................................................................................................ 3

1.1. Exemplos ...................................................................................................................... 4 1.2. Submersão.................................................................................................................... 5 1.3. GRELHAS..................................................................................................................... 6

1.3.1 Constituição ..................................................................................................................................6 1.3.2 Espaçamento e constituição das barras ......................................................................................7 1.3.3 Inclinação das grelhas em tomadas de água frontais ou laterais ...............................................8 1.3.4 Limpeza ........................................................................................................................................8 1.3.5 Solicitações...................................................................................................................................9 1.3.6 Dimensionamento hidráulico ........................................................................................................9

1.3.6.1 Velocidade através das grelhas ........................................................................ 9 1.3.6.2 Perda de carga ............................................................................................... 10

1.3.7 Estabilidade das barras ..............................................................................................................12 Bibliografia .................................................................................................................... 15 FIGURAS 1 – Barragem de Óbidos. Torre de manobras dos equipamentos da tomada de água e da

descarga de fundo. .............................................................................................................. 4 2 – Barragem de Alqueva. Antevisão da obra (vista de montante). ............................................ 4 3 – Barragem do Sabugal. Aspecto da torre de manobra dos equipamentos e de uma das

tomadas de água, dotada de comporta e de grelha............................................................. 5 4 – Formação de vórtices em tomadas com submersão insuficiente. ......................................... 6 5 – Exemplo de grelhas: (a) de tomada de água em albufeira; (b) de descarga de fundo. ......... 7 6 – Perda de carga na grelha. Definições relativas a: (a) orientação do escoamento em relação

à grelha; (b) secções transversais das barras. .................................................................. 11 7 – Número de Strouhal em função da secção transversal das barras da grelha. .................... 14

3

11.. IINNTTRROODDUUÇÇÃÃOO

O aproveitamento dos recursos hídricos superficiais implica a construção de estruturas

tomadas de água em cursos de água naturais, a montante de aproveitamentos

hidráulicos a fio-de-água, em albufeiras ou em reservatórios, podendo a água ser

destinada para diferentes finalidades (e.g. abstecimento público, rega, produção

hidroeléctrica). As estruturas de tomada de água podem ainda ser necessárias para

órgãos de segurança e exploração das barragens e açudes, tais como

descarregadores de cheia em orifícios ou descargas de fundo.

A concepção das tomadas de água deverá atender aos caudais necessários para os

usos a jusante ou de dimensionamento dos órgãos de segurança e exploração em que

se integram, tendo em atenção as variações de nível a montante, à eventual presença

de material sólido em suspensão ou à possibilidade de existir transporte sólido por

arrastamento.

As tomadas de água podem dividir-se em três grupos principais:

− tomadas em albufeiras de regularização, em que a água não contém

quantidade significativa de material sólido em suspensão e as tomadas se

situam acima da cota máxima que previsivelmente será atingida pelos

sedimentos depositados na albufeira;

− tomadas em aproveitamentos a fio-de-água ou em cursos de água com

alturas de escoamento significativas, em que a água poderá conter

quantidade significativa de material sólido em suspensão e, eventualemente,

o material transportado por arrastamento pode atingir a tomada de água;

− tomadas em reservatórios artificiais de pequena profundidade.

As tomadas de água em albufeiras de regularização podem apresentar condições de

dimensionamento muito diferentes, consoante a velocidade de escoamento através da

tomada de água seja baixa ou elevada. No caso de ocorrerem elevadas velocidades, a

definição de formas da estrutura de tomada deve atender, em especial, à necessidade

das variações locais de pressão não provocarem pressões próximas da tensão de

vapor da água, de modo a evitar-se a formação de cavitação e a consequente erosão.

Existem aspectos a ter em conta no dimensionamento hidráulico que são comuns aos

diferentes tipos de tomadas de água. Assim, em qualquer situação, dever-se-á evitar a

4

formação de vórtices a montante, a separação do escoamento em relação às paredes

da tomada de água e a entrada de aterial sólido não compatível com o restante circuito

hidráulico a jusante.

22.. EEXXEEMMPPLLOOSS

Figura 1 – Barragem de Óbidos. Torre de manobras dos equipamentos da tomada de

água e da descarga de fundo.

Figura 2 – Barragem de Alqueva. Antevisão da obra (vista de montante).

5

Figura 3 – Barragem do Sabugal. Aspecto da torre de manobra dos equipamentos e de

uma das tomadas de água, dotada de comporta e de grelha.

33.. SSUUBBMMEERRSSÃÃOO

Uma tomada de água submersa deve apresentar uma adequada submersão, a fim de

evitar a formação de vórtices forçados que arrastem materiais flutuantes para o orifício

da tomada de água, contribuindo para a obstrução das grelhas e para introduzir no

circuito hidráulico detritos de dimensão menor que o afastamento ente barras da

grelha.

Gordon (1970) propõe que a submersão S (Figura 4) deva obedecer à seguinte

relação

FrCgDVC

DS

+=+≥21

21

(1)

em que D é o diâmetro da conduta (diâmetro hidráulico no caso de condutas não

circulares), V é a velocidade média do escoamento na conduta e C é um coeficiente

que toma o valor de 1,7 se o escoamento se aproxima de forma simétrica da tomada

6

de água e 2,2 no caso de uma aproximação tangencial ao plano da tomada de água.

Para aproximações oblíquas, adoptar-se-ão valores intermédios.

S

D

D

S

c)a) b)

S

D

Figura 4 – Formação de vórtices em tomadas com submersão insuficiente.

44.. GGRREELLHHAASS

4.1. CONSTITUIÇÃO As grelhas são o órgão hidromecânico de protecção do circuito hidráulico contra a

entrada de detritos que possam danificar os restantes órgãos hidromecânicos

inseridos nesse circuito hidráulico (e.g. válvulas, turbinas, bombas, filtros) ou que

sejam indesejáveis do ponto de vista de manutenção (e.g. impedir a entrada de

plantas aquáticas para canais). Apresentam-se, habitualmente, sob a forma de painéis

rectangulares constituídos por um conjunto de barras com dada secção transversal

solidarizadas ao quadro do painel e por travessas intermédias que diminuem o vão

livre das barras, permitindo adoptar barras de secção transversal mais reduzida. Na

Figura 5(a) apresenta-se um aspecto de uma grelha metálica de uma tomada de água

em albufeira constituída por um único painel rectangular e na Figura 5(b) grelha de

protecção das descargas de fundo, com uma forma menos convencional e em que,

face à maior dimensão a solidarização se efectua por vigas de betão armado.

7

(a) (b)

Figura 5 – Exemplo de grelhas: (a) de tomada de água em albufeira; (b) de descarga de

fundo.

4.2. ESPAÇAMENTO E CONSTITUIÇÃO DAS BARRAS Os parâmetros fundamentais caracterizadores das grelhas são o afastamento mínimo

entre barras, a relação entre área total e área útil de escoamento e a secção

transversal das barras.

Em aproveitamentos hidroeléctricos, o espaçamento função das dimensões máximas

dos materiais sólidos admissíveis pelo equipamento a proteger, e, menos

frequentemente, da dimensão dos peixes admissíveis no circuito hidráulico.

Na maioria dos casos o equipamento condicionante é a máquina hidráulica - turbina ou

turbina-bomba -, devendo o espaçamento entre barras ter o acordo do fornecedor da

máquina hidráulica.

A secção transversal das barras deverá ser adequada a resistir aos esforços normais

ao plano das grelhas ou seja, com a maior dimensão segundo o escoamento. As

barras com espessura máxima a montante (por exemplo, barras de secção trapezoidal

com a base maior a montante), apresentam menor tendência para prender os objectos

flutuantes. No entanto, este tipo de perfis não é corrente, recorrendo-se mais

frequentemente a barras de secção rectangular.

8

4.3. INCLINAÇÃO DAS GRELHAS EM TOMADAS DE ÁGUA FRONTAIS OU LATERAIS A adopção de grelhas inclinadas é normalmente preferida pelos projectistas na medida

em que o dispositivo de limpeza tem tendência natural para se manter junto das

barras. A inclinação de 20o é habitualmente tida como suficiente para assegurar as

vantagens desta disposição das grelhas.

No entanto, a instalação de grelhas verticais pode apresentar vantagens em termos de

simplificação das obras de construção civil, especialmente se for elevada a diferença

de cotas entre a soleira da tomada de água e a plataforma de onde se procede à

limpeza automática. O limpa-grelhas deverá neste caso estar dotado de guias para o

respectivo pente, de modo a mantê-lo encostado à grelha. Nestas condições o pente

deverá abranger toda a largura da grelha.

4.4. LIMPEZA A colmatação das grelhas é um fenómeno com crescimento exponencial na medida

em que, não se escoando a água onde a grelha está obstruída, ir-se-á escoar com

maior velocidade na restante área, arrastando para esta zona maior quantidade de

detritos.

A limpeza das grelhas pode ser feita automaticamente, por meio de um limpa--grelhas

motorizado, com comando por um detector de perda de carga na grelha ou,

manualmente, se o comprimento das barras não ultrapassar 2 a 3 m. Acima destes

valores, a limpeza manual expedita é impraticável, e mesmo para valores inferiores,

em tomadas de água laterais sujeitas a correntes fortes tal operação será de difícil

execução.

No caso de limpeza manual, as grelhas deverão ser prolongadas até à plataforma de

onde se efectua a limpeza, de modo a facilitar a elevação dos detritos.

Os detritos flutuantes interceptados pelas grelhas serão função das características da

bacia hidrográfica do aproveitamento. De entre estes, as folhas e os plásticos, embora

não sendo demasiado gravosos para o equipamento caso não fossem interceptados,

ao serem retidos pela grelha provocam perdas de carga significativas, aumentando a

frequência das operações de limpeza.

Numa derivação com canal a céu aberto, este pode receber detritos ao longo do seu

trajecto, nomeadamente folhas e ramos em zonas bastante arborizadas. Assim,

poderá ser necessária uma segunda grelha e, eventualmente, o respectivo limpa-

grelhas, a jusante do local em que o canal se encontre ao abrigo daquelas acções.

9

4.5. SOLICITAÇÕES A solicitação estática a que a grelha é submetida resulta da diferença de pressões

montante e jusante da referida grelha. Esta diferença é, obviamente, resultante da

perda de carga que se verifica quando o escoamento atravessa aquele órgão e

depende, portanto, do respectivo grau de colmatação.

Para grelhas que se encontrem semi-submersas ou a pequena profundidade, a

solicitação a considerar deverá ser a correspondente à colmatação total. Em grelhas

colocadas mais profundamente, esta condição conduziria a secções de barras

excessivas, pelo que se poderá recorrer à interrupção do caudal provocado, no caso

de derivações em superfície livre, pelo fechamento de uma comporta colocada a

jusante da grelha, comandado por detectores de perda de carga.

Além das solicitações estáticas, dever-se-ão também considerar as solicitações

dinâmicas a que as grelhas possam estar submetidas e que induzem vibrações nas

barras.

Têm-se como casos mais sensíveis a este problema as grelhas submetidas a forte

escoamento transversal e as grelhas de aproveitamentos hidroeléctricos equipados

com grupos reversíveis. Generalizando, poder-se-á afirmar que grelhas sujeitas a

campos de velocidade não uniformes no seu plano são susceptíveis de serem

solicitadas dinamicamente.

Acrescente-se, no entanto, que tal problema se põe com maior acuidade nas grelhas

de maior dimensão, o que não é habitual em pequenos aproveitamentos

hidroeléctricos.

4.6. DIMENSIONAMENTO HIDRÁULICO

4.6.1 Velocidade através das grelhas

A velocidade de escoamento utilizada para efeitos de dimensionamento hidráulico é a

que resulta de considerar como secção de escoamento a área total do vão protegido

pela grelha.

O dimensionamento da secção a obturar pela grelha passa pela escolha do valor

máximo dessa velocidade, que está directamente ligado à questão da colmatação das

grelhas e da sua limpeza. Em locais de difícil acesso e na inexistência de limpeza

10

automática das grelhas, poder-se-ão adoptar velocidades tão baixas quanto 0,10 m/s,

conquanto não se obtenham secções desproporcionadas à obra de retenção.

Pelo contrário, quando existam dispositivos de limpeza automática ou em tomadas de

água em albufeira, que se encontram permanentemente submersas, e não sendo o

espaçamento entre barras inferior a 0,04 ou 0,05 m, velocidades até 1 m/s são

admissíveis.

4.6.2 Perda de carga

O dimensionamento hidráulico da tomada de água requer a determinação da perda de

carga do escoamento através da grelha. Esta perda de carga depende dos seguintes

factores: secção transversal das barras, relação entre secção livre e secção obstruída

pelas barras da grelha e orientação em planta da grelha em relação ao escoamento.

No que se refere à relação entre secção livre e secção obstruída pelas barras da

grelha, é habitual não considerar a obstrução decorrente das barras de solidarização

transversal e considerar apenas a relação entre o afastamento das barras e a

espessura transversal destas. Com base nestes elementos é possível determinar o

coeficiente de perda de carga localizada Kg, (Levin, 1968, in Lencastre, 1996), sendo a

perda de carga localizada determinada por

g

VKH g 2

2=∆ (1)

ϕsenabfpkkK fcg )/(6,1= (2)

em que:

kc – coeficiente relativo a possibilidade de colmatação da grelha:kc=1,1 a 1,2

para grelha equipada com limpador automático moderno; kc=1,5 para

grelha equipada com limpador automático antigo; kc=2 a 4, ou superior,

em função das características do curso de água, para grelha com limpeza

manual;

kf – coeficiente de forma das barras da grelha (kf=0,51, para secção rectangular

alongada; kf=0,35, para secção circular; kf=0,51, para secção alongada

com semicírculos nas extremidades;

p – relação entre área obstruída pela grelha e área total;

f(b/a) = 8 + 2,3 (b/a) + 2,4 (a/b);

b – dimensão das barras no sentido do escoamento;

a – afastamento entre barras

ϕ – ângulo do plano da grelha com a horizontal.

11

No caso do escoamento a montante da grelha apresentar uma orientação oblíqua, em

planta, em relação ao plano da grelha, IDEL’CIK (1969) propõe que o coeficiente de

perda de carga numa grelha seja determinado por

21 ggg kkK = (3) em que:

Kg1 – coeficiente relativo à forma das barras da grelha e ao ângulo de incidência

do escoamento (Quadro 1);

Kg2 – coeficiente relativo à relação ea

a+

e ao ângulo de incidência do

escoamento (Quadro 2);

e – espessura das barras;

θ – ângulo de incidência do escoamento no plano horizontal;

ϕ – ângulo do plano da grelha com a vertical.

Embora, IDEL’CIK (1969) não se refira à questão da colmatação da grelha ou da sua

não colocação num plano vertical, julga-se adequado que, quando se utiliza esta

formulação para um grelha inclinada em relação à vertical e existe possibilidade de

colmatação (grelhas que não se encontram total e permanentemente submersas) se

podem sobrepor tais efeitos, contabilizados conforme exposto por Levin (1968), in

Lencastre (1996) sendo a expressão (3) reescrita da seguinte forma

ϕsen21 ggcg kkkK = (4)

b

e Uaθ

1 2 3 4 6 7 8 9 105

b=5e

ee

e

0.5e 0.5e

3e

2e

b=5e 2.

5e

b=7.

5e

b=10

e

e

(a) (b)

Figura 6 – Perda de carga na grelha. Definições relativas a: (a) orientação do

escoamento em relação à grelha; (b) secções transversais das barras.

Quadro 1 – Coeficiente de perda de carga na grelha. Coeficiente Kg1 (IDEL’CIK, 1969)

12

θ°

Nº da

barra 0 5 10 15 20 25 30 40 50 60

1 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00

2 0,76 0,65 0,58 0,54 0,52 0,51 0,52 0,58 0,63 0,62

3 0,76 0,60 0,55 0,51 0,49 0,48 0,49 0,57 0,64 0,66

4 0,43 0,37 0,34 0,32 0,30 0,29 0,30 0,36 0,47 0,52

5 0,37 0,37 0,38 0,40 0,42 0,44 0,47 0,56 0,67 0,72

6 0,30 0,24 0,20 0,17 0,16 0,15 0,16 0,25 0,37 0,43

7 1,00 1,08 1,13 1,18 1,22 1,25 1,28 1,33 1,31 1,20

8 1,00 1,06 1,10 1,15 1,18 1,22 1,25 1,30 1,22 1,00

9 1,00 1,00 1,00 1,01 1,02 1,03 1,05 1,10 1,04 0,82

10 1,00 1,04 1,07 1,09 1,10 1,11 1,10 1,07 1,00 0,92

Quadro 2 – Coeficiente de perda de carga na grelha. Coeficiente Kg2 (IDEL’CIK, 1969).

θ°

eaa+

0 5 10 15 20 25 30 40 50 60

0,50 2,34 2,40 2,48 2,57 2,68 2,80 2,95 3,65 4,00 4,70

0,55 1,75 1,80 1,85 1,90 2,00 2,10 2,25 2,68 3,55 4,50

0,60 1,35 1,38 1,42 1,48 1,55 1,65 1,79 2,19 3,00 4,35

0,65 1,00 1,05 1,08 1,12 1,20 1,30 1,40 1,77 2,56 4,25

0,70 0,78 0,80 0,85 0,89 0,95 1,05 1,17 1,52 2,30 4,10

0,75 0,60 0,62 0,65 0,70 0,75 0,85 0,95 1,30 2,05 3,90

0,80 0,37 0,40 0,45 0,50 0,55 0,64 0,75 1,06 1,75 3,70

0,85 0,24 0,25 0,30 0,36 0,42 0,50 0,60 0,88 1,40 3,50

4.7. ESTABILIDADE DAS BARRAS Ao passar a través das barras da grelha, o escoamento gera vórtices alternados que

induzem vibrações na grelha. Importa determinar a frequência própria de tais vórtices,

fv, de modo a que as barras da grelha apresentem uma frequência própria de vibração,

fb, suficientemente afastada de fv.

A frequência dos vórtices determinado por

eUSf tv = (5)

13

sendo St o número de Strouhal das barras, U a velocidade bruta através da grelha e e

a espessura das barras. O número de Strouhal das barras é função da respectiva

secção transversal (Figura 7), devendo ser majorado de acordo com os valores

tabelados no para efeitos de aplicação da expressão (5)

Quadro 3 – Coeficiente de majoração do número de Strouhal das barras para aplicação na

expressão (5)

eaa+

1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 >5,0

Coef. de

majoração 2,15 1,70 1,40 1,20 1,10 1,05 1,03 1,01 1,00

A frequência própria das barras mergulhadas em água é dada por

ab

bb

ea

Eg

LKMf

γγ +=

2 (6)

em que:

K – factor de fixação das barras (M=3,565, para as extremidades encastradas;

M=0,169, para extremidades articuladas);

K – raio de giração da secção transversal da barra em relação a um eixo paralelo

`velocidade da corrente;

L – distância entre os apoios das barras;

Eb – módulo de elastecidade do material das barras;

γb – peso volúmico do material das barras;

γa – peso volúmico da água.

A expressão (6) é válida para a≤0,7b; caso a>0,7b, deve tomar-se a=0,7e nos cálculos

a efectuar. As condições de estabilidade das barras requerem que se fb>>fv,

requerendo-s, pelo menos que fb>1,5fv.

14

0.125 0.150 0.175 0.200 0.225 0.250 0.275

0.13

0

0.15

5

0.20

0

0.21

5

0.23

5

0.24

0

0.25

5

0.26

5

0.27

5

2.8e

e

e

e

Ue

6e

1.8e e e e e

5e

2.8e

10e

2.8e

e

St

Figura 7 – Número de Strouhal em função da secção transversal das barras da grelha.

15

BBIIBBLLIIOOGGRRAAFFIIAA

Levin, L. 1968. Formulaire des conduits forcées, oléoducs et conduits d’aeration. Dunod, Paris.

Leyland, B.W., Jessup, J.R. e Berry, S.R., "Designing Gates for Small Hydro Schemes", Water

Power & Dam Construction, Abril, 1985.

Morris, H.M. e Wiggert, J.M., "Applied Hydraulics in Engineering", John Wiley & Sons, 1972.

Ramos, C.M. e Saraiva, J.A., "Dimensionamento de Grades de Protecção de Circuitos

Hidráulicos", LNEC, Lisboa, 1981.

Chow, V.T., 1973. Open channel hydraulics. International edition, McGraw-Hill.

Henry, H. R., 1949. Characteristics of sluice gates discharge. Dissertação de Mestrado, State

University of Iowa, USA.

Lencastre, A., 1996. Hidráulica geral. 2ª edição Luso-Brasileira, Ed. Autor.

Quintela, A.C., 1991. Hidráulica. 4ª ed., Fundação Calouste Gulbenkian.

Razvan, E., 1989. River Intakes and diversion dams. Elsevier.